Низкоуглеродистые стали на фазовой диаграмме

Фазовая диаграмма железо-углерод показывает зависимость фазового состава стали от температуры: аустенита, феррита или их смеси. В чистом железе аустенит превращается в феррит при охлаждении до 912 ºС. Температура, при которой аустенит начинает превращаться в феррит, традиционно называется температурой А3.

Эвтектоидная точка сталей

Добавление углерода в железо приводит к снижению температуры А3. Максимальное снижение этой температуры – 727 ºС – достигается при содержании углерода 0,77 %. Эта точка на фазовой диаграмме железо-углерод называется эвтектоидной точкой или, иногда, перлитной точкой. В этой точке фазовой диаграммы происходит эвтектоидная реакция, то есть реакция, при которой одна твердая фаза превращается в две твердых фазы. Стали, которые имеют содержание углерода менее 0,77 % называются доэвтектоидными   сталями или низкоуглеродистыми сталями. Эвтектоидную температуру 727 ºС традиционно обозначают А1.

Растворимость углерода в феррите и аустените

Стали, которые являются 100%-ным аустенитом занимают центральную темную область фазовой диаграммы на рисунке 1. Стали, которые являются ферритом, должны иметь в координатах «температура – содержание углерода» в узкой темной области на левом краю фазовой диаграммы. Максимальное содержание углерода, которое может раствориться в ферритном железе, составляет всего лишь 0,02 % и это происходит при эвтектоидной температуре 727 ºС. Это означает, что феррит по сути является чистым железом, так как он является чистым по отношению к углероду на 99,98 % и чище.

fazovaya-diagramma-nagrevРисунок 1 – Часть фазовой диаграммы железо-углерод
для доэвтектоидных — низкоуглеродистых — сталей
(содержание углерода менее 0,77 %)

Аустенит может растворять углерода намного больше, чем феррит. При эвтектоидной температуре аустенит растворяет 0,77 % углерода, что в 38 раз больше, чем может содержать феррит при той же температуре. Аустенит содержит больше углерода, чем феррит, потому что гранецентрированная кристаллическая структура аустенита имеет больше места между атомами железа, чем объемно-центрированная кристаллическая структура феррита.

Доэвтектоидные стали — сталь 40

Рассмотрим заштрихованную область фазовой диаграммы на рисунке 1, которая обозначена γ+α. Эта область, представляет собой  множество координат «температура – содержание углерода», при которых сталь является смесью феррита и аустенита.

Представим себе высокотемпературный микроскоп, в который мы рассматриваем полированную поверхность стали с содержанием углерода 0,4 % — низкоуглеродистую сталь 40 — при температуре 760 ºС. Поскольку точка с таким химическим составом и при такой температуре лежит в области γ+α, то сталь будет представлять собой смесь феррита и аустенита. Пример такой структуры показан внизу рисунка 1. Фазовая диаграмма дает также информацию о составе этих двух фаз. Аустенитные зерна должны иметь состав, который обозначен на фазовой диаграмме рисунка 2 буквой N, а феррит – состав, который обозначен буквой M.

fazovaya-diagramma-oxlazhdenieРисунок 2 – Часть фазовой диаграммы железо-углерод и изменения
в микроструктуре низкоуглеродистой стали
при охлаждении стали 40 от 850 до 760 ºС

Охлаждение стали 40 – феррит по границам аустенитных зерен

В качестве иллюстрации полезности фазовой диаграммы рассмотрим следующий простой эксперимент. Сталь с содержанием углерода 0,4 % — низкоуглеродистую сталь 40 — сначала нагревают до температуры 850 ºС и выдерживают приней около 10 минут. После этой короткой выдержки все зерна в этой стали будут являться чистыми гранецентрированными аустенитными зернами с содержанием углерода 0,4 %. Вид этой структуры в воображаемый высокотемпературный микроскоп показан слева на рисунке 2. Далее, медленно снизим температуру стали до 760 ºС. Что случится с микроструктурой? Согласно фазовой диаграмме сталь после охлаждения должна быть двухфазной  — смесью аустенита и феррита. Эксперименты показывают, что феррит, который образуется из чистого аустенита при его охлаждении всегда находится на границах аустенитных зерен. Это показано на правой микроструктуре рисунка 2. Феррит образуется в виде нескольких α-зерен вдоль границ первичных аустенитных зерен.

Нагрев стали 40 – феррит в виде объемных зерен

Сравним микроструктуру справа на рисунке 2 и  микроструктуру внизу на рисунке 1. Обе они являются смесью аустенитных и ферритных зерен с одинаковой объемной долей тех и других. Однако две эти микроструктуры сильно отличаются по распределению этих ферритных зерен. Микроструктура рисунка 1 обычно формируется при нагреве низкоуглеродистой стали от комнатной температуры до температуры 760 ºС.

Термическая обработка и микроструктура стали

Этот пример демонстрирует замечательное свойство сталей: микроструктура стали — не только низкоуглеродистой — контролируется термической обработкой. А микроструктура сталей, в свою очередь, контролирует их механические свойства.

К микроструктуре стали обычно относят особенности зерен: их формы, размера, распределения и типа фазы. Отметим, что фазы, которые показаны на рисунках 1 и 2 существуют только при высокой температуре 760 ºС, а не при комнатной температуре. О фазах при комнатной температуре – отдельный разговор.

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