Klasyfikacja stali według struktury

Trzecim czynnikiem, według którego klasyfikuje się stal, jest jej struktura po powolnym studzeniu.

Jak już od czasu P. P. Anosowa wiadomo, struktura jest tym czynnikiem, który poza składem chemicznym najbardziej wpływa na wszystkie własności metali  i stopów. Z tego powodu wydaje się słuszne, aby dział ten rozpatrzyć szczegółowo, przy czym omawianie jego zaczniemy od wpływu węgla i innych pierwiastków na strukturę stopów żelaza, a potem dopiero wpływu tych  pierwiastków na strukturę stali.

1. Wpływ węgla na strukturę stopów żelaza

W stanie równowagi strukturalnej, jaką „otrzymuje się po wyżarzeniu

i powolnym studzeniu, stale węglowe dają się podzielić na:

1) „p o d e u te k t o i d a l n e, zawierające obok eutektoidu (perlitu) również wolny ferryt z wydzielonym cementytem trzeciorzędowym,

2) e u t e k t o i d a l n e, zawierające perlit składający się z ferrytu (z cementytem trzeciorzędowym) drugorzędowego cementytu,

3) n a d e u t e k t o i d a l n e, zawierające obok eutektoidu (perlitu) cementyt drugorzędowy,

a stale stopowe jeszcze na:

4) l e d e b u r y ty c z n e, zawierające w stanie lanym pierwotne węgliki pod postacią eutektyki typu ledeburytu (stąd nazwa), a W stanie przekutym lub walcowanym — pod postacią „odosobnionych wtrąceń.

W stopach żelazo - węgiel do zawartości 0,006% C istnieje tylko ferryt i wobec tego takie stopy można uważać za techniczne żelazo. Stopy o zawartości od 0,006% C do 0,80% C (p. S) mają w stanie równowagi strukturę podeutektoidalną, stopy o zawartości 0,80% C mają strukturę eutektoidalną, stopy o zawartości od 0,80 do ok. 2,0% C (p. E) mają strukturę nadeuktoidalną, a stopy o zawartości powyżej 2,0% C mają strukturę ledeburytyczną .W stopach potrójnych żelazo-węgiel-składnik stopowy wyżej wymienione struktury leżą w innych zakresach zawartości procentowych węgla.

2. Wpływ różnych pierwiastków na strukturę stopów żelaza

Pierwiastki, które występują zazwyczaj w stalach, tworzą z żelazem wg. F. Weyera 4 typy układów  Pierwsze dwa typy  przedstawiają układy, w których pole żelaza y rozszerza się (a zatem zwęża się pole żelaza a) a dwa  przedstawiają układy, w których pole żelaza y zwęża się (a zatem rozszerza się pole żelaza a).

Według typu  a krystalizują układy żelaza z niklem, kobaltem, rutenem, rodem, palladem, osmem, irydem, platyną i manganem.

Według typu b krystalizują układy żelaza z węglem, azotem, miedzią, cynkiem i złotem.

Według typu c krystalizują układy żelaza z berylem, aluminium, krzemem, fosforem, tytanem, wanadem, chromem, germanem, arsenem, niobem, molibdenem, cyną, antymonem, tantalem i wolframem.

Według typu d  krystalizują układy żelaza z borem, cyrkonem, cerem, tlenem i siarką.

Okazuje się, że istniejące cztery typy układów wiążą się ściśle z wielkością promienia atomowego pierwiastka tworzącego układ z żelazem.

Wg F. Weyera promienie atomów w kolejności liczby atomowej pierwiastków, przy czym za pomocą A oznaczono ta pierwiastki, które się w żelazie w stanie stałym nie rozpuszczają zupełnie, za pomocą • — pierwiastki, które w układzie z żelazem rozszerzają obszar żelaza y i za pomocą • — pierwiastki, które w układzie z żelazem zwężają obszar żelaza y.

Można te różne typy układów żelaza z poszczególnymi pierwiastkami przedstawić za pomocą układu okresowego pierwiastków ,  przy czym za pomocą A oznaczono te pierwiastki, które w żelazie w stanie stałym nie rozpuszczają się zupełnie, za pomocą • lub D — pierwiastki, które w układzie z żelazem rozszerzają obszar żelaza y ( i typu układu żelazo-nikiel i D — typ układu żelazo-węgiel) i za pomocą lub O — pierwiastki, które w układzie z żelazem zwężają obszar żelaza y (S — typ układu żelazo-chrom i O — typ układu żelazo-bor).

Jak z  tego wynika, najbliższe żelaza pierwiastki w tablicy tworzą z nim układy, w których obszar istnienia żelaza y się rozszerza, dalej idą pierwiastki, które tworzą z żelazem układy, w których obszar istnienia żelaza y się zwęża, a jeszcze dalej pierwiastki, które w stanie stałym zupełnie się w żelazie nie rozpuszczają.

Ciekawym jest fakt, że roztwory stałe ciągłe tworzy żelazo tylko z chromem i wanadem, a nie tworzy z bliżej niego położonymi pierwiastkami takimi, jak mangan, kobalt i nikiel. Gdy żelazo z jakimkolwiek pierwiastkiem tworzy układ, w którym obszar żelaza się rozszerza, to wtedy dla pewnego zakresu składów muszą istnieć po zakrzepnięciu zawsze mieszaniny dwu faz a i y i z tego powodu roztwory stałe ciągłe może żelazo tworzyć jedynie z tymi pierwiastkami, które tworzą z nim układy o zwężającym się obszarze żelaza y, a więc rozszerzającym się obszarem żelaza a . Takimi najbliżej żelaza położonymi pierwiastkami są właśnie chrom i wanad.

Z układów podwójnych żelaza, pomijając już szczegółowo rozpatrzony układ żelazo-węgiel, omówione będą jedynie te układy, w których drugim pierwiastkiem jest pierwiastek zazwyczaj występujący w stalach węglowych lub stopowych, a więc: mangan, nikiel, kobalt, chrom, molibden, wolfram, wanad, tytan, niob, tantal, aluminium, krzem, bor, beryl, fosfor, siarka, azot i tlen. Nastąpi to jednak dopiero w podrozdziale następnym, omawiającym wpływ pierwiastków na strukturę stali.