Феррит: структура и свойства в стали

Феррит - это основная структурная составляющая большинства конструкционных сталей при комнатной температуре. Именно он определяет пластичность и низкую твёрдость мягких сталей, выступает матрицей в перлите и формирует доэвтектоидную структуру. Понять феррит значит понять, почему малоуглеродистая сталь гнётся, а высокоуглеродистая хрупка. Если вам нужно разобрать конкретную задачу по микроструктуре, фазовому анализу или свойствам - выберите тип задачи ниже и получите разбор.

Что такое феррит и его кристаллическая решётка

Феррит (обозначается α-Fe или просто α) - это твёрдый раствор внедрения углерода в альфа-железе с объёмно-центрированной кубической (ОЦК) решёткой. В отличие от аустенита, где углерод растворяется в гранецентрированной кубической (ГЦК) решётке, в ОЦК-железе октаэдрические поры значительно меньше. Именно поэтому растворимость углерода в феррите ничтожно мала: при комнатной температуре лишь около 0,006 % по массе, а при температуре эвтектоидного распада (727 °C) - максимум 0,02 %. Это примерно в 50 раз меньше, чем в аустените при той же температуре.

Параметр ОЦК-ячейки феррита равен примерно $a = 0{,}286$ нм. Атомный радиус железа составляет $r \approx 0{,}124$ нм, и связь параметра ячейки с радиусом подчиняется соотношению через пространственную диагональ: $a\sqrt{3} = 4r$. Подробнее про геометрию решёток и расчёт плотности - в статье о кристаллической решётке ОЦК, ГЦК и ГПУ.

Рассчитать для своей задачи

Механические свойства феррита

Феррит - самая мягкая фаза среди структурных составляющих стали. Его основные механические характеристики:

• Твёрдость: 80-100 HB (около 50 HRB), что соответствует очень мягкому металлу.
• Предел прочности на растяжение: около 300 МПа для чистого железа.
• Относительное удлинение: 40-50 % - исключительно высокая пластичность.
• Предел текучести: около 100-170 МПа (низкий, деформация начинается рано).

Такие свойства объясняются ОЦК-решёткой с координационным числом 8 и коэффициентом компактности 0,68. В ОЦК-решётке плотноупакованных плоскостей меньше, чем в ГЦК, зато дислокации движутся активно - отсюда высокая пластичность. Практически весь углерод в феррите находится в дефектах решётки (границах зёрен, дислокациях), а не в октаэдрических позициях ячейки.

Феррит - ферромагнитная фаза. При нагреве до точки Кюри (768 °C) он теряет ферромагнетизм (переходит в парамагнитное состояние), оставаясь при этом всё ещё ОЦК-фазой. Фазовое превращение феррит → аустенит происходит при более высокой температуре - в точке $A_3$ (~910 °C для чистого железа или диапазоне 730-910 °C для сталей в зависимости от содержания углерода).

Виды феррита в сталях

В металлографии различают несколько морфологических разновидностей феррита, в зависимости от условий кристаллизации и охлаждения:

Доэвтектоидный (проэвтектоидный) феррит образуется при медленном охлаждении доэвтектоидной стали (до 0,8 % C) в диапазоне температур $A_3 - A_1$ (примерно 910-727 °C). Сначала феррит выделяется на границах аустенитных зёрен в виде оторочек (сетки), затем при дальнейшем охлаждении - нарастает внутрь зёрен в виде видманштеттовых пластин. На шлифе при малом увеличении виден как светлые зёрна на фоне перлита.

Феррит в перлите - тонкие пластины, чередующиеся с пластинами цементита в эвтектоидной смеси. Его нельзя рассмотреть как самостоятельную фазу без разрешения выше 400-кратного увеличения: пластины тоньше 0,1 мкм в тонком перлите. Именно такой феррит обеспечивает пластичность перлита, а цементит - твёрдость.

Игольчатый (видманштеттов) феррит - крупные пластины, ориентированные под определёнными кристаллографическими углами. Образуется при ускоренном охлаждении крупнозернистого аустенита. Нежелателен: снижает ударную вязкость, создаёт анизотропию.

Рассчитать для своей задачи

Феррит на диаграмме железо-углерод

На диаграмме состояния железо-цементит феррит присутствует в нескольких областях. Главные характеристические точки:

• Точка Q (P) при 727 °C: максимальная растворимость углерода в феррите 0,02 %. Правее этой точки начинается эвтектоидный распад.
• Точка при 20 °C: растворимость углерода около 0,006 % - практически нулевая.

Однофазная область феррита на диаграмме расположена левее линии $P$ ($GS$ - $GP$) до эвтектоидной температуры. При содержании углерода выше 0,02 % при комнатной температуре часть углерода неизбежно выделяется в виде третичного цементита (по границам ферритных зёрен) или входит в состав перлита.

Для доэвтектоидных сталей (C < 0,8 %) при медленном охлаждении структура состоит из смеси феррита и перлита. Чем меньше углерода, тем больше доля феррита. Например, у стали 10 (0,10 % C) доля феррита составляет около 88 %, а перлита - около 12 %. Это объясняет, почему низкоуглеродистые стали хорошо штампуются и свариваются. О структуре доэвтектоидных сталей подробнее - в статье про доэвтектоидную сталь.

Дельта-феррит: высокотемпературная модификация

Кроме привычного α-феррита существует и дельта-феррит (δ-Fe). Это тоже ОЦК-фаза с близкими кристаллографическими параметрами, но существующая только при высоких температурах: от 1394 °C до 1538 °C (температуры плавления железа). При охлаждении δ-феррит превращается в аустенит ($\gamma$-Fe) при 1394 °C.

Дельта-феррит встречается в некоторых высоколегированных нержавеющих сталях, где из-за химического состава он сохраняется при комнатной температуре. Никель, марганец и азот стабилизируют аустенит, а хром, кремний, молибден и ниобий стабилизируют феррит (в том числе дельта). В аустенитных нержавеющих сталях типа 08Х18Н10 дельта-феррит в количестве 5-10 % улучшает свариваемость и снижает склонность к горячим трещинам, но при содержании выше 15 % ухудшает пластичность.

Влияние легирующих элементов на феррит

Легирующие элементы меняют свойства феррита через твердорастворное упрочнение. В феррит способны растворяться многие элементы, образуя замещённый твёрдый раствор (атомы легирующего элемента замещают атомы железа в узлах решётки).

Элементы, растворяющиеся в феррите и упрочняющие его: кремний, марганец, никель, хром. Кремний (Si) и марганец (Mn) растворяются в α-железе в значительных количествах и заметно повышают твёрдость и прочность феррита, несколько снижая пластичность. Никель (Ni) при растворении в феррите повышает его вязкость при низких температурах, что особенно ценно для хладостойких сталей.

Углерод, как элемент внедрения, растворяется в феррите крайне мало - из-за стеснённости октаэдрических пор ОЦК-решётки. Именно это принципиальное отличие от аустенита и определяет всю разницу свойств двух фаз.

Рассчитать для своей задачи

Феррит в сварных соединениях и термообработке

При сварке и термообработке управление ферритной фазой имеет практическое значение. При нагреве низкоуглеродистой стали выше точки $A_3$ весь феррит растворяется в аустените. При последующем охлаждении:

• Медленное охлаждение (отжиг) даёт крупные полиэдрические зёрна феррита - мягкая структура с высокой пластичностью.
• Нормализация (охлаждение на воздухе) формирует более мелкое зерно феррита - повышаются прочность и немного твёрдость.
• Ускоренное охлаждение (закалка) - феррит не успевает выделиться, образуется мартенсит или бейнит.

Нормализация сталей как раз направлена на получение равномерной мелкодисперсной ферритно-перлитной структуры. Подробнее - в статье о нормализации стали.

Размер ферритного зерна влияет на механические свойства через механизм Холла-Петча: мелкое зерно повышает предел текучести. Параметр зерна (балл) нормируется в ГОСТ и контролируется режимами горячей деформации и термообработки.

Частые ошибки

• Путают феррит и перлит. Феррит - это однофазный ОЦК-раствор, а перлит - двухфазная смесь (феррит + цементит). Перлит образуется при эвтектоидном распаде аустенита, а феррит - самостоятельная структурная единица.
• Считают, что феррит не содержит углерода вовсе. Содержит, но крайне мало: до 0,006 % при 20 °C и до 0,02 % при 727 °C. Полное отсутствие углерода - это чистое α-железо, а не типичная сталь.
• Путают α-феррит и δ-феррит. У них одинаковая ОЦК-решётка, но разные температурные диапазоны существования. δ-феррит - высокотемпературная модификация (выше 1394 °C), в обычных конструкционных сталях при комнатной температуре не встречается.
• Думают, что феррит определяет твёрдость стали. Нет: твёрдость определяет содержание цементита и/или мартенсита. Феррит делает сталь мягкой и пластичной. Чем больше феррита - тем ниже твёрдость.
• Забывают, что феррит ферромагнитен. При нагреве выше 768 °C (точки Кюри) он теряет ферромагнетизм, но остаётся ОЦК-фазой. Фазовое превращение в аустенит происходит позже.

FAQ

Чем феррит отличается от аустенита? Феррит (α-Fe) имеет ОЦК-решётку, существует ниже ~910 °C, растворяет не более 0,02 % углерода и ферромагнитен. Аустенит ($\gamma$-Fe) имеет ГЦК-решётку, устойчив при температурах выше ~727 °C, растворяет до 2,14 % углерода и парамагнитен. Именно большая ёмкость аустенита позволяет растворять углерод при нагреве, а при охлаждении углерод выделяется в виде цементита или задерживается в мартенсите.

Почему сталь с малым содержанием углерода пластична? Потому что её микроструктура состоит преимущественно из мягкого феррита с небольшими включениями перлита. Феррит с ОЦК-решёткой легко деформируется пластически: дислокации в нём подвижны, предел текучести низкий (около 170 МПа), относительное удлинение достигает 40-50 %. Цементит и мартенсит, напротив, твёрды и хрупки.

Как феррит выглядит на металлографическом шлифе? При травлении ниталем (4 % раствор азотной кислоты в спирте) феррит выглядит как светлые (белые) полиэдрические зёрна. Перлит под действием реактива темнеет. На шлифе доэвтектоидной стали хорошо видны светлые феррит-зёрна, разграниченные тёмными пятнами перлита; с ростом содержания углерода площадь светлых зёрен уменьшается.

Коротко

Феррит - это твёрдый раствор углерода в альфа-железе с ОЦК-решёткой (параметр ~0,286 нм), существующий при температурах ниже точки $A_3$ и содержащий не более 0,02 % углерода. Это самая мягкая фаза стали (80-100 HB), но самая пластичная: относительное удлинение до 40-50 %. В доэвтектоидных сталях феррит выступает матрицей; его доля определяет мягкость стали и убывает с ростом содержания углерода. Феррит ферромагнитен до 768 °C. Дельта-феррит - высокотемпературная ОЦК-модификация, встречающаяся в некоторых нержавеющих сталях. Управление размером ферритного зерна через термообработку (отжиг, нормализация) позволяет регулировать прочность и пластичность конструкционной стали.