Доэвтектоидная сталь: структура и правило рычага

Доэвтектоидная сталь - это сталь, в которой содержание углерода меньше эвтектоидного, то есть лежит в диапазоне примерно от 0,022 до 0,76 %. При медленном охлаждении из аустенита в ней последовательно формируются две структурные составляющие: избыточный (проэвтектоидный) феррит, который выделяется первым, и перлит, образующийся при эвтектоидном превращении при 727 °C. Чем больше в стали углерода, тем меньше остаётся свободного феррита и тем больше становится перлита, поэтому марки от Ст10 до Стали 60 различаются на шлифе именно соотношением светлых и тёмных участков. Ниже разберём, как из диаграммы железо-цементит вырастает эта структура, как правилом рычага посчитать доли составляющих и фаз и где студенты чаще всего ошибаются. Чтобы сразу увидеть зависимость, покрути калькулятор: он пересчитывает доли и показывает плечо рычага при 727 °C, а дальше каждую формулу разберём строго.

Что такое доэвтектоидная сталь

На диаграмме состояния железо-цементит эвтектоидной точке S отвечает концентрация углерода $C_S = 0{,}76$ % и температура 727 °C. Сплавы железа с углеродом до 0,76 % называют доэвтектоидными сталями, ровно 0,76 % - эвтектоидной (чисто перлитной), а от 0,76 до 2,14 % - заэвтектоидными. Граница со стороны малых концентраций - точка P ($C_\alpha = 0{,}022$ %): это предельная растворимость углерода в феррите при эвтектоидной температуре. Левее 0,022 % сплав считают техническим железом, а не сталью.

Ключевая особенность доэвтектоидной области в том, что при охлаждении аустенит сначала частично превращается в феррит и только остаток - в перлит. Именно поэтому конечная структура всегда двухкомпонентная: феррит плюс перлит.

Рассчитать для своей задачи

Как формируется структура при охлаждении

Проследим путь сплава с содержанием углерода $C_0$ от высокой температуры вниз:

1. Выше линии A3 сплав однофазный - это аустенит, твёрдый раствор углерода в гамма-железе. Структура однородная, углерод равномерно растворён.
2. На линии A3 (G-S) из аустенита начинают выделяться зёрна феррита - это и есть избыточный, или проэвтектоидный, феррит. Поскольку феррит почти не растворяет углерод, оставшийся аустенит обогащается углеродом, и его состав скользит по линии A3 к точке S.
3. На линии 727 °C (PSK) аустенит достигает эвтектоидной концентрации 0,76 % и целиком превращается в перлит - механическую смесь феррита и цементита в виде чередующихся пластин.
4. Ниже 727 °C структура зафиксирована: избыточный феррит, выделившийся ранее, плюс колонии перлита. Эту структуру и видно под микроскопом при комнатной температуре.

Итог: чем ближе $C_0$ к 0,76 %, тем больше аустенита доживает до эвтектоидного превращения и тем больше перлита в готовой стали.

Структурные составляющие: правило рычага

Долю избыточного феррита и перлита считают правилом рычага, приложенным к горизонтали при 727 °C между точкой P ($C_\alpha = 0{,}022$ %) и точкой S ($C_S = 0{,}76$ %). Точка состава $C_0$ делит этот отрезок на два плеча, и доля каждой составляющей равна противоположному плечу, делённому на всю длину:

$Q_\text{феррит} = \frac{C_S - C_0}{C_S - C_\alpha}, \qquad Q_\text{перлит} = \frac{C_0 - C_\alpha}{C_S - C_\alpha}.$

Здесь $Q_\text{феррит}$ - доля избыточного проэвтектоидного феррита, а $Q_\text{перлит}$ - доля перлита. Сумма их всегда равна единице. Логика рычага простая: чем ближе состав к эвтектоидной точке S, тем длиннее левое плечо и тем больше перлита; чем ближе к точке P, тем больше свободного феррита.

Рассчитать для своей задачи

Для стали 45 ($C_0 = 0{,}45$ %) получаем долю феррита $\frac{0{,}76 - 0{,}45}{0{,}76 - 0{,}022} = \frac{0{,}31}{0{,}738} \approx 0{,}42$, то есть около 42 % избыточного феррита и 58 % перлита. Для более мягкой стали 20 ($C_0 = 0{,}2$ %) перлита будет всего около 24 %, а феррита - 76 %.

Фазовый состав: феррит и цементит

Структурные составляющие - это то, что различимо как отдельные зоны на шлифе. Но если спросить о фазах, ответ другой: в стали при комнатной температуре всего две фазы - феррит и цементит ($Fe_3C$). Перлит фазой не является, это смесь тех же двух фаз. Поэтому фазовый состав считают по другому, более длинному рычагу - между точкой P ($C_\alpha = 0{,}022$ %) и точкой цементита K ($C_{Fe_3C} = 6{,}69$ %):

$Q_\text{Ф} = \frac{C_{Fe_3C} - C_0}{C_{Fe_3C} - C_\alpha}, \qquad Q_\text{Ц} = \frac{C_0 - C_\alpha}{C_{Fe_3C} - C_\alpha}.$

Так как точка цементита далеко справа (6,69 %), цементита в любой доэвтектоидной стали мало. Для стали 45 доля цементита как фазы $\frac{0{,}45 - 0{,}022}{6{,}69 - 0{,}022} = \frac{0{,}428}{6{,}668} \approx 0{,}064$, то есть всего около 6,4 %, а феррита - 93,6 %. Не путайте эти 93,6 % суммарного феррита с 42 % избыточного феррита: часть феррита спрятана внутри перлита. Калькулятор выше показывает обе картины рядом, чтобы разница была наглядной.

Пример решения типовой задачи

Разберём стандартную постановку: определить структурные составляющие и фазовый состав стали 45 ($C_0 = 0{,}45$ %) при комнатной температуре.

Сначала структурные составляющие по рычагу P-S:

$Q_\text{феррит} = \frac{0{,}76 - 0{,}45}{0{,}76 - 0{,}022} = 0{,}42 = 42\%, \qquad Q_\text{перлит} = \frac{0{,}45 - 0{,}022}{0{,}76 - 0{,}022} = 0{,}58 = 58\%.$

Теперь фазовый состав по рычагу P-K:

$Q_\text{Ф} = \frac{6{,}69 - 0{,}45}{6{,}69 - 0{,}022} = 0{,}936 = 93{,}6\%, \qquad Q_\text{Ц} = \frac{0{,}45 - 0{,}022}{6{,}69 - 0{,}022} = 0{,}064 = 6{,}4\%.$

Проверка: суммы в обеих парах дают 100 %. Структура - около 42 % зёрен избыточного феррита по границам бывших аустенитных зёрен и 58 % колоний пластинчатого перлита; фазово это 93,6 % феррита и 6,4 % цементита.

Как структура выглядит под микроскопом

После травления шлифа реактивом феррит выглядит светлым, а перлит из-за тонких цементитных пластин - тёмным или полосчатым. У малоуглеродистых сталей видна сетка светлого феррита по границам зёрен и редкие тёмные островки перлита; с ростом углерода тёмных колоний становится всё больше, а феррит сжимается в тонкие прослойки. По соотношению светлого и тёмного на шлифе металлографы оценивают содержание углерода: доля перлита, умноженная на 0,76 %, примерно равна $C_0$ за вычетом малого вклада растворённого в феррите углерода.

Частые ошибки

• Путаница структурных составляющих и фаз. Структурных составляющих две (избыточный феррит и перлит), фаз тоже две (феррит и цементит), но это разные разбиения. Перлит - не фаза, а смесь феррита и цементита.
• Один и тот же рычаг для обоих расчётов. Доли составляющих считают по отрезку P-S (до 0,76 %), а доли фаз - по отрезку P-K (до 6,69 %). Если применить короткий рычаг к фазам, цементита получится в разы больше.
• Состав в неверных единицах. Все концентрации в правиле рычага - массовые проценты углерода. Смешивать с атомными процентами нельзя.
• Учёт цементита третичного. В точных задачах при охлаждении ниже 727 °C из феррита дополнительно выделяется немного третичного цементита, но в учебных расчётах им обычно пренебрегают.
• Отнесение перлита к избыточному феррриту. Светлые прослойки внутри перлита - это феррит, но он эвтектоидный, а не избыточный. В структурных долях он входит в перлит, а не в долю свободного феррита.

FAQ

Чем доэвтектоидная сталь отличается от заэвтектоидной? Содержанием углерода относительно эвтектоидной точки 0,76 %. У доэвтектоидной углерода меньше 0,76 %, и избыточной фазой при охлаждении является феррит. У заэвтектоидной углерода больше, и по границам зёрен выделяется вторичный цементит, а не феррит.

Сколько перлита в стали 45? По правилу рычага доля перлита равна $(0{,}45 - 0{,}022)/(0{,}76 - 0{,}022) \approx 0{,}58$, то есть около 58 %. Остальные 42 % - избыточный феррит. Это типичная среднеуглеродистая конструкционная сталь.

Почему феррита по фазовому составу больше, чем по структурному? Потому что часть феррита входит в перлит. Структурный расчёт даёт только свободный (избыточный) феррит, а фазовый суммирует весь феррит - и избыточный, и тот, что внутри перлитных колоний.

Коротко

Доэвтектоидная сталь содержит менее 0,76 % углерода и при медленном охлаждении приобретает структуру из избыточного феррита и перлита. Доли структурных составляющих находят правилом рычага на отрезке от 0,022 до 0,76 %, а доли фаз (феррит и цементит) - на отрезке от 0,022 до 6,69 %. Чем больше углерода, тем больше перлита и темнее шлиф; для стали 45 это примерно 42 % феррита и 58 % перлита по структуре или 93,6 % феррита и 6,4 % цементита по фазам.