Феррит, перлит, аустенит, мартенсит - структурные составляющие стали: мягкий феррит, прочный слоистый перлит, высокотемпературный аустенит и твёрдый закалочный мартенсит.
Суть
Сталь под микроскопом - не однородная масса, а смесь фаз с разной решёткой и разным содержанием углерода. Какие фазы присутствуют и как они распределены, задаёт весь набор механических свойств: предел текучести σт, твёрдость HB, ударную вязкость KCV, пластичность δ5. Химический состав определяет, что может образоваться; термообработка - что образуется на самом деле.
- Феррит (α-Fe) - твёрдый раствор углерода в железе с ОЦК-решёткой. Углерода растворяет очень мало (до 0,02 % при 727 °C), поэтому мягок, пластичен и магнитен. Основа низкоуглеродистых сталей.
- Аустенит (γ-Fe) - твёрдый раствор углерода в железе с ГЦК-решёткой; растворяет до 2,14 % C. В углеродистых сталях устойчив только выше критических точек A1-A3, при комнатной температуре сохраняется лишь в сталях с большим содержанием никеля или марганца.
- Перлит - не фаза, а эвтектоидная смесь: чередующиеся пластинки феррита и цементита Fe₃C, образующиеся при распаде аустенита с 0,8 % C при 727 °C. Прочнее и твёрже феррита, но менее пластичен.
- Мартенсит - пересыщенный раствор углерода в α-железе с искажённой (тетрагональной) решёткой. Возникает при закалке, когда аустенит охлаждают быстрее критической скорости и углерод не успевает выделиться. Очень твёрдый и хрупкий, пока не отпущен.
Как читать структуру
Соотношение феррита и перлита в отожжённой или нормализованной углеродистой стали определяется содержанием углерода: чем больше C, тем больше перлита. Оценка по правилу отрезков на диаграмме Fe-C:
доля перлита ≈ C / 0,8 (для C ≤ 0,8 %)
Так, у стали 20 (0,17-0,24 % C по ГОСТ 1050) перлит занимает порядка четверти шлифа, у Ст3 (до 0,22 % C по ГОСТ 380) - примерно столько же, у стали 45 - больше половины. Отсюда рост прочности и твёрдости с углеродом при одновременной потере вязкости и свариваемости.
| Составляющая | Решётка | Углерод | Твёрдость (ориентир) | Свойство |
|---|---|---|---|---|
| Феррит | ОЦК | ≤ 0,02 % | ~80 HB | мягкий, вязкий, магнитный |
| Перлит | феррит + Fe₃C | 0,8 % | ~200 HB | прочный, умеренно пластичный |
| Аустенит | ГЦК | до 2,14 % | ~200 HB | вязкий, немагнитный, высокотемпературный |
| Мартенсит | ОЦТ | наследует от аустенита | до 60-65 HRC | твёрдый, хрупкий до отпуска |
Термообработка переводит структуру из одного состояния в другое: нормализация даёт мелкий феррито-перлит, закалка - мартенсит, отпуск - мартенсит отпуска с восстановленной вязкостью. Размер зерна при этом не менее важен, чем тип структуры: мелкое зерно повышает и σт, и KCV, крупное - снижает хладостойкость.
Ключевые числа
| Растворимость C в феррите (α-Fe) | до ≈ 0,02 % при 727 °C, около 0,006 % при 20 °C |
|---|---|
| Растворимость C в аустените (γ-Fe) | до 2,14 % при 1147 °C - граница «сталь / чугун» |
| Эвтектоидная точка (образование перлита) | 0,8 % C, 727 °C (критическая точка A1) |
| Полиморфное превращение чистого железа α → γ | 911 °C (точка A3) |
| Цементит Fe₃C | 6,67 % C, твёрдость ~800 HB |
| Твёрдость структур (ориентир) | феррит ~80 HB, перлит ~200 HB, мартенсит до 60-65 HRC |
| Аустенитная сталь 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632) | Cr 17-19 %, Ni 9-11 % - аустенит устойчив при 20 °C |
| Сталь 20 (ГОСТ 1050) | C 0,17-0,24 % - феррито-перлитная структура, ~25 % перлита |
Где встречается в трубах
Рядовая трубная сталь - феррито-перлитная: 10, 20, Ст3, 09Г2С, 17Г1С. После горячей прокатки и нормализации она получает мелкое зерно и стабильную вязкость; закалка с отпуском на мартенсит применяется там, где нужна высокая прочность - обсадные и насосно-компрессорные трубы групп прочности L80, P110 и выше. Аустенитная структура - признак нержавеющих хромоникелевых сталей, откуда их немагнитность и вязкость на холоде.
- Феррито-перлитные бесшовные трубы из стали 20 и 09Г2С по ГОСТ 8732-78.
- Мартенсит после закалки и отпуска - в обсадных трубах высоких групп прочности; подробнее в статье о термообработке труб.
- Аустенитные нержавеющие трубы из 12Х18Н10Т и AISI 304/316.
- Связанные термины: кристаллическая решётка железа, нормализация, закалка и отпуск, хладостойкость.
Связанные термины
- Кристаллическая решётка железаАтомы железа упакованы в решётку ОЦК (α-железо, феррит) или ГЦК (γ-железо, аустенит); переход между ними при нагреве - основа всей термообработки.
- Закалка и отпускЗакалка фиксирует твёрдый мартенсит быстрым охлаждением, отпуск снимает хрупкость; вместе - «улучшение», дающее высокую прочность с вязкостью.
- НормализацияНагрев выше критической точки и охлаждение на воздухе: измельчает зерно, выравнивает структуру, повышает ударную вязкость - штатная ТО горячедеформированных труб.
- Нержавеющая стальСталь с содержанием хрома не менее 10,5 %, образующая на поверхности самовосстанавливающуюся пассивную плёнку оксида хрома.
- Ударная вязкость KCU и KCVРабота, затраченная на разрушение надрезанного образца ударом; показывает, склонна ли сталь к хрупкому разрушению, особенно на холоде.