Цементит и феррит в перлитных сталях

Стали с содержанием углерода 0,77 % образуют уникальную микроструктуру, которая называется «перлит». Такие стали называют эвтектоидными сталями.
См. также Доэвтектоидные стали и Заэвтектоидные стали.

На рисунке 1 показана фазовая диаграмма железо-углерод, на которой область ниже температуры 727 ºС выкрашена темным цветом. Эта область является двухфазной. Любая сталь, которую медленно охладили до температуры ниже 727 ºС должна состоять из смеси двух фаз – феррита и цементита. Типы микроструктуры сталей в этой двухфазной области отличаются большим многообразием. Перлит является одним из таких типов.

fazovaya-diagramma-perlitРисунок 1 – Часть фазовой диаграммы железо-углерод.
Образование перлитной микроструктуры при охлаждении стали
с содержанием углерода 0,77 % ниже температуры  727 ºС.

Перлитная структура в стали

Чтобы понять перлитную структуру рассмотрим сталь с содержанием углерода 0,77 %, например, сталь У8. Если нагреть ее до температуры 800 ºС и выдержать при этой температуре 1-2 минуты, то в высокотемпературном микроскопе она бы выглядела так, как показано вверху рисунка 1 – структура полностью аустенитных зерен.

После охлаждения до температуры ниже А1 – ниже 727 ºС – и выдержки при ней в течение 5-10 минут аустенитные зерна будут полностью заменены совершенно новыми зернами – перлитными, как это показано внизу рисунка 1.

В отличие от аустенитных или ферритных зерен перлитные зерна не являются единой фазой. Более того, они состоят из смеси двух фаз – феррита и цементита, образуя уникальную микроструктуру. Чтобы увидеть все детали этой микроструктуры маленькую область внутри перлитного зерна надо рассматривать при очень высоком увеличении, как это показано справа нижней части рисунка 1.

Цементит и феррит в перлите

Перлитная структура состоит из перемежающихся пластин феррита и цементита. Ферритные пластины являются намного толще, чем цементитные пластины. Они занимают 90 % всего объема зерна, по сравнению с оставшимися 10 % цементита.

На границах перлитных зерен происходит резкое изменение ориентации пластин, как это видно на микроструктуре реального стального образца под электронным микроскопом при увеличении х11000 (рисунок 2).

perlitРисунок 2 – Вид перлита под электронным микроскопом.
Исходное увеличение х11000

На этой фотографии цементитные пластины – это светлая фаза, а ферритные – темная. Цементитные пластины имеют толщину всего 0,1 мкм – слишком мало, чтобы их можно было увидеть в световой микроскоп.  Несмотря на то, что цементит является хрупким, а перлит – не отличается хрупкостью. Это объясняется малым размером пластин цементита и большой объемной долей пластичного феррита.

Перлит при комнатной температуре

Если теперь нашу сталь У8 с содержанием углерода 0,77 % охладить от 700 ºС до комнатной температуры, как показано на рисунке 1, то микроструктура значительно не изменится – не важно как медленно или как быстро ее охлаждать. Феррит будет оставаться почти чистым железом, а цементит – оставаться с содержанием углерода 6,7 % и с той же кристаллической структурой.

Согласно фазовой диаграмме, когда аустенит охлаждается ниже температуры А1 и выдерживается при ней короткое время, аустенит будет полностью заменятся смесью фаз феррит+цементит в том или другом виде. Дальнейшее охлаждение этой двухфазной смеси до комнатной температуры не дает никаких изменений в итоговой микроструктуре феррит+цементит.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007