Влияние углерода на свойства стали: структура и прочность

Углерод - главный легирующий элемент обычной стали: всего доли процента по массе решают, будет ли металл мягким и пластичным или твёрдым и хрупким. Именно содержание углерода определяет, какие фазы (феррит, перлит, цементит) и в каком соотношении появятся в структуре при медленном охлаждении, а от структуры напрямую зависят твёрдость, прочность и пластичность. Ниже разберём, как читать диаграмму железо-цементит, как по правилу рычага посчитать доли фаз, почему с ростом углерода прочность сначала растёт, а потом падает, и где студенты чаще всего ошибаются. Чтобы сразу увидеть связь, покрути калькулятор: задаёшь долю углерода - и получаешь фазовый состав и три кривые свойств одновременно.

Что такое углеродистая сталь и сколько в ней углерода

Сталь - это сплав железа с углеродом, в котором углерода меньше 2,14% по массе (выше этого порога сплав называют чугуном). На практике в конструкционных и инструментальных сталях углерода ещё меньше - от сотых долей процента до примерно 1,3%. Несмотря на такие малые количества, именно углерод управляет свойствами: атомы углерода либо растворяются в кристаллической решётке железа, либо образуют с ним химическое соединение - карбид железа $Fe_3C$, называемый цементитом.

По содержанию углерода стали делят на три группы относительно эвтектоидной точки $C_э = 0{,}76\%$:

• доэвтектоидные ($C < 0{,}76\%$) - структура из избыточного феррита и перлита;
• эвтектоидная ($C \approx 0{,}76\%$) - чистый перлит;
• заэвтектоидные ($0{,}76\% < C < 2{,}14\%$) - перлит с сеткой вторичного цементита.

Три фазы: феррит, перлит и цементит

Влияние углерода на свойства стали проще всего понять через три структурные составляющие, которые видны под микроскопом после травления.

Рассчитать для своей задачи

Феррит - это твёрдый раствор углерода в железе с ОЦК-решёткой. Растворимость углерода в нём ничтожна (до 0,022% при эвтектоидной температуре), поэтому феррит почти чистое железо: мягкий, пластичный, с твёрдостью около 80 HB. Чем больше в стали феррита, тем она пластичнее и тем легче деформируется.

Цементит $Fe_3C$ - карбид железа с содержанием углерода 6,67%. Это самая твёрдая и хрупкая составляющая: твёрдость около 800 HB, но удлинение практически нулевое. Цементит делает сталь твёрдой, но в виде сплошной сетки по границам зёрен резко повышает хрупкость.

Перлит - механическая смесь феррита и цементита в виде чередующихся пластинок, образующаяся при эвтектоидном распаде при 0,76% углерода. Перлит сочетает прочность цементита с остатком пластичности феррита, поэтому стали с перлитной структурой - удачный компромисс прочности и вязкости.

Правило рычага: как посчитать доли фаз

Доли фаз при комнатной температуре считают по правилу рычага на диаграмме железо-цементит. Для доэвтектоидной стали доля перлита равна:

$P = \frac{C - 0{,}022}{0{,}76 - 0{,}022}, \qquad \Phi = 1 - P,$

где $C$ - содержание углерода в стали, 0,022% - предельная растворимость углерода в феррите, 0,76% - эвтектоидная концентрация, $\Phi$ - доля избыточного феррита. Например, для стали с $C = 0{,}4\%$ доля перлита $P = (0{,}4 - 0{,}022)/(0{,}76 - 0{,}022) \approx 0{,}51$, то есть структура примерно наполовину перлитная.

Для заэвтектоидной стали по тому же принципу считают долю вторичного цементита, выделившегося по границам зёрен:

$Ц = \frac{C - 0{,}76}{6{,}67 - 0{,}76}, \qquad P = 1 - Ц,$

где 6,67% - содержание углерода в цементите. Даже при 1,5% углерода доля цементита составит всего около 12%, но именно эта тонкая хрупкая сетка определяет поведение стали при ударе.

Рассчитать для своей задачи

Геометрический смысл прост: вертикаль состава делит горизонтальный отрезок (коноду) на два плеча, и доля каждой фазы пропорциональна длине противоположного плеча. Калькулятор выше считает ровно эти дроби и сразу показывает результат столбиком - можно проверить свои вычисления.

Как меняются твёрдость, прочность и пластичность

Главная закономерность: с ростом содержания углерода твёрдость и прочность растут, а пластичность и ударная вязкость падают. Причина - увеличение доли твёрдого цементита и уменьшение мягкого феррита.

• Твёрдость растёт почти монотонно: от 80 HB у чистого феррита до 230 HB у перлита и выше у заэвтектоидных сталей с цементитной сеткой. Эта зависимость близка к линейной по доле перлита.
• Предел прочности $\sigma_в$ растёт до эвтектоидного состава (около 850 МПа при 0,76% углерода), но затем падает: сплошная сетка хрупкого цементита служит концентратором напряжений и инициирует трещины.
• Пластичность (относительное удлинение $\delta$) и ударная вязкость снижаются непрерывно - от 40% у мягкой стали до единиц процентов у заэвтектоидной.

Рассчитать для своей задачи

Именно поэтому на практике под каждую задачу подбирают своё содержание углерода. Мягкие низкоуглеродистые стали (до 0,25% C, например сталь 20) идут на штамповку, сварные конструкции, листы - там нужна пластичность. Среднеуглеродистые (0,3-0,6%) - на валы, оси, шестерни, где важен баланс прочности и вязкости. Высокоуглеродистые и заэвтектоидные (0,7-1,3%, например У10, У12) - на режущий и измерительный инструмент, где нужна максимальная твёрдость, а хрупкость терпима.

Почему прочность падает за эвтектоидной точкой

Многих сбивает с толку, что прочность ведёт себя немонотонно, а твёрдость - монотонно. Дело в том, что твёрдость измеряет сопротивление локальному вдавливанию, и его повышает любой твёрдый цементит, где бы он ни находился. А предел прочности - это сопротивление разрушению образца целиком, и здесь решает не только количество цементита, но и его форма и расположение.

В перлите цементит раздроблен на пластинки внутри зёрен и упрочняет металл равномерно. Но как только углерода становится больше 0,76%, избыточный цементит выделяется уже по границам зёрен в виде хрупкой непрерывной оболочки. Эта сетка не несёт нагрузку, зато служит готовой трассой для трещины: при растяжении разрушение идёт по ней, и общая прочность снижается, хотя твёрдость продолжает расти. Поэтому заэвтектоидные стали перед использованием подвергают сфероидизирующему отжигу - чтобы превратить цементитную сетку в зернистые включения и вернуть вязкость.

Частые ошибки

• Считают долю фаз без правила рычага. Содержание углерода и доля перлита - не одно и то же. Долю перлита надо считать как $P = (C - 0{,}022)/(0{,}76 - 0{,}022)$, а не приравнивать к $C$.
• Путают доли фаз и доли структурных составляющих. Доля цементита как фазы и доля перлита как структуры считаются по разным конодам - не смешивайте их в одном расчёте.
• Думают, что прочность растёт с углеродом бесконечно. Предел прочности максимален у эвтектоидной стали и падает дальше из-за сетки цементита, тогда как твёрдость продолжает расти.
• Забывают про пластичность. Высокий углерод - это всегда низкая пластичность и ударная вязкость. Нельзя получить одновременно очень твёрдую и очень вязкую углеродистую сталь без термообработки.
• Считают сталью сплав с углеродом выше 2,14%. Это уже чугун - у него другая структура (ледебурит) и принципиально иные свойства.

FAQ

Как содержание углерода влияет на твёрдость стали? Твёрдость растёт с углеродом почти линейно: чем больше углерода, тем выше доля твёрдого цементита (в составе перлита, а затем и в виде сетки) и меньше мягкого феррита. От 80 HB у чистого феррита твёрдость доходит до 230 HB у перлитной стали и выше у заэвтектоидной.

Почему сталь с большим содержанием углерода хрупкая? Углерод связывается в цементит $Fe_3C$ - очень твёрдую, но хрупкую фазу. При содержании выше 0,76% цементит образует сплошную сетку по границам зёрен, которая не выдерживает деформации и становится готовым путём для трещины, поэтому ударная вязкость и пластичность резко падают.

Чем отличается доэвтектоидная сталь от заэвтектоидной? Доэвтектоидная сталь (меньше 0,76% C) состоит из избыточного феррита и перлита и более пластична. Заэвтектоидная (больше 0,76% C) состоит из перлита и вторичного цементита по границам зёрен, она твёрже, но хрупче. Граница между ними - эвтектоидная точка 0,76% углерода, где структура чисто перлитная.

Коротко

Содержание углерода - главный рычаг управления свойствами углеродистой стали. С его ростом увеличивается доля твёрдого цементита и уменьшается доля мягкого феррита: твёрдость и прочность растут, а пластичность падает. Доли фаз считают по правилу рычага на диаграмме железо-цементит ($P = (C - 0{,}022)/(0{,}76 - 0{,}022)$ для перлита). Прочность максимальна у эвтектоидной стали (около 0,76% C) и снижается дальше из-за хрупкой сетки цементита, тогда как твёрдость продолжает расти. Поэтому под пластичные детали берут низкоуглеродистую сталь, а под инструмент - высокоуглеродистую.