Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют критическое строение, т. е. их атомы расположены в пространстве с геометрической правильностью и образуют элементарную ячейку — кристаллическую решетку. Для разных металлов форма кристаллической решетки различна. Расстояния между соседними атомами в кристаллической решетке называются параметрами решетки. Эти расстояния очень малы и измеряются в ангстремах (1 А = 10-8 см.). Атомы совершают непрерывные колебательные движения. Чем выше температура металла, тем больше амплитуда колебаний атома. Множество кристаллических решеток образует кристалл.
При кристаллизации металлов правильных кристаллов обычно не получается. Кристаллы с искаженной формой называются кристаллитами. Слиток состоит из кристаллитов различной формы.
Кристаллическое строение металла называют его структурой. Свойства металлов и сплавов определяются не только их химическим составом, но и внутренним строением. В результате различных процессов обработки можно изменять внутреннее строение металла и, как следствие, его свойства.
Макроструктурой называется строение металла, видимое невооруженным глазом или при увеличении не более 10-кратного. Микроструктурой называется строение металла, видимое при больших увеличениях.
В результате исследования макроструктуры можно выявить величину и форму усадочной раковины, трещины, макропоры, газовые пузыри, неметаллические включения и строение отдельных кристаллических зон в слитке. В деформированном металле можно обнаружить трещины, волосовины, флокены — нитевидные трещины, получающиеся вследствие большого давления водорода при остывании стали, а также расположение волокон в прокате и поковках.
После термической и химико-термической обработки по макроструктуре судят о глубине закалки, цементации, обезуглероженной зоне и т. д.
Волокнистая структура стали получается в результате обработки давлением вследствие вытягивания кристаллитов и неметаллических включений в направлении деформации. Вдоль волокон механические свойства металла выше, чем поперек. Это учитывают при конструировании и изготовлении деталей. Чем чище металл, т. е. чем меньше в нем неметаллических включений, тем меньше разница в механических свойствах металла относительно направления деформации. При горячей обработке давлением литая структура слитка разрушается, дробится на более мелкие части. Имеющиеся в слитке пористость, макро- и микротрещины, а также газовые пузыри заваривают. Однако нередко на сердцевине деформированных изделий все же наблюдается некоторая пористость и рыхлость, частично остающиеся от слитка. Горячая обработка давлением повышает свойства пластичности стали относительные удлинение и сужение вдоль волокон, и понижает их в поперечном направлении.
При холодной обработке давлением, например при волочении, возрастают твердость и прочность и уменьшается пластичность стали.
Исследование макроструктуры металла не дает полного представления о его строении. Поэтому при исследовании стали обращают внимание на характер микроструктуры стали, на ее составляющие части и на ветчину зерна. В сталях различают действительное и природное зерно. Действительное зерно стали — это размер зерна, полученный в результате той или иной обработки — термической или давлением. На величину зерна оказывают влияние температура и время выдержки в нагретом состоянии.
Природное зерно является наследственным. При определенных температурах сталь может иметь крупное или мелкое природное зерно. Легирующие элементы — ванадий, титан, вольфрам, молибден — способствуют повышению величины зерна стали. Наследственное природное зерно зависит от способа выплавки и раскисления стали и оказывает большое влияние на свойства стали и ее обрабатываемость.
Главной причиной плохого качества пружин является низкое качество исходной заготовки. Для предупреждения получения брака пружин необходим тщательный контроль каждой партии проката с целью обнаружения внешних дефектов. Химический состав, структура, металла и технологические свойства стали должны отмечать техническим требованиям, предъявляемым к сталям, идущим на изготовление пружин.
