Заэвтектоидная сталь: структура и расчёт фаз

Заэвтектоидная сталь - это углеродистая сталь с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 процента, то есть правее эвтектоидной точки на диаграмме железо-углерод. Её структура при комнатной температуре всегда состоит из двух составляющих: перлита и вторичного цементита, который выделяется по границам зёрен в виде сетки. Именно эта цементитная сетка определяет, почему заэвтектоидная сталь твёрдая, но хрупкая, и почему её нельзя оставлять в литом состоянии. Ниже разберём, как формируется структура при охлаждении, откуда берётся вторичный цементит, как по правилу отрезков посчитать долю каждой фазы и где студенты чаще всего ошибаются. Чтобы сразу почувствовать связь между процентом углерода и количеством фаз, покрути калькулятор ниже: он строит участок диаграммы и пересчитывает доли перлита, феррита и цементита под выбранный состав.

Что такое заэвтектоидная сталь

Эвтектоидная точка на диаграмме железо-углерод лежит при содержании углерода 0,8 процента и температуре 727 градусов Цельсия. Стали делят по отношению к ней:

• доэвтектоидные - от 0,02 до 0,8 процента углерода (структура: феррит плюс перлит);
• эвтектоидная - ровно 0,8 процента (чистый перлит);
• заэвтектоидные - от 0,8 до 2,14 процента (структура: перлит плюс вторичный цементит).

Граница 2,14 процента - это предельная растворимость углерода в аустените. Правее уже идут чугуны, у которых появляется ледебурит и кристаллизация идёт по-другому. Поэтому заэвтектоидная сталь - это всегда узкий диапазон 0,8 до 2,14 процента, и её ключевая особенность в том, что избыточной фазой выступает не феррит, а цементит.

Как формируется структура при охлаждении

При температуре выше линии $SE$ заэвтектоидная сталь представляет собой однородный аустенит - твёрдый раствор углерода в гамма-железе. При медленном охлаждении превращения идут в два этапа.

Рассчитать для своей задачи

Сначала, при пересечении линии $SE$ (линия предельной растворимости углерода в аустените), из аустенита начинает выделяться вторичный цементит $Fe_3C_{II}$. Он зарождается и растёт по границам аустенитных зёрен, образуя характерную сетку. По мере охлаждения от линии $SE$ до 727 градусов аустенит обедняется углеродом: его состав скользит вдоль линии $SE$ к эвтектоидной точке 0,8 процента.

Когда температура доходит до 727 градусов, оставшийся аустенит имеет ровно эвтектоидный состав 0,8 процента и испытывает эвтектоидное превращение - распадается на перлит (механическую смесь феррита и цементита). В итоге при комнатной температуре получаем перлитные зёрна, окружённые сеткой вторичного цементита.

Правило отрезков для долей фаз

Чтобы посчитать, сколько в стали перлита и вторичного цементита, применяют правило отрезков (правило рычага) на участке чуть ниже 727 градусов. Здесь система двухфазная: перлит (состав 0,8 процента) и вторичный цементит (состав 6,67 процента - это химическое соединение $Fe_3C$). Для стали с содержанием углерода $C$ доли структурных составляющих равны:

$P = \frac{6{,}67 - C}{6{,}67 - 0{,}8}, \qquad Fe_3C_{II} = \frac{C - 0{,}8}{6{,}67 - 0{,}8}.$

Здесь $P$ - массовая доля перлита, $Fe_3C_{II}$ - доля вторичного цементита, а числа 0,8 и 6,67 - содержание углерода в перлите и в цементите соответственно. Знаменатель $6{,}67 - 0{,}8 = 5{,}87$ - это длина всего отрезка между двумя фазами.

Рассчитать для своей задачи

Например, для стали У12 с содержанием углерода 1,2 процента доля вторичного цементита равна $(1{,}2 - 0{,}8)/5{,}87 = 0{,}068$, то есть около 6,8 процента, а остальные 93,2 процента приходятся на перлит. Несмотря на малую долю, цементитная сетка сильно влияет на свойства, потому что располагается сплошным каркасом по границам зёрен.

Фазовый и структурный состав - в чём разница

Часто путают две вещи: структурные составляющие и фазы. Структурных составляющих в заэвтектоидной стали две - перлит и вторичный цементит. А фаз тоже две, но это феррит и цементит, потому что сам перлит состоит из феррита и цементита. Чтобы найти фазовый состав, правило отрезков применяют между чистым ферритом (примем 0 процентов углерода) и цементитом 6,67 процента:

$Ф = \frac{6{,}67 - C}{6{,}67 - 0}, \qquad Fe_3C_{общ} = \frac{C - 0}{6{,}67 - 0} = \frac{C}{6{,}67}.$

То есть общая доля цементита в стали равна $C/6{,}67$ и включает в себя как цементит внутри перлита, так и вторичный цементит по границам. Калькулятор выше показывает обе разбивки - и структурную, и фазовую, - чтобы было видно, что вторичный цементит это лишь часть всего цементита.

Почему цементитная сетка вредна и как её убрать

Вторичный цементит - самая твёрдая и хрупкая фаза в стали. Когда он образует сплошную сетку по границам зёрен, трещина легко проходит по этому хрупкому каркасу, и сталь разрушается без заметной пластической деформации. Поэтому литую заэвтектоидную сталь почти всегда подвергают термообработке.

Чтобы разрушить сетку, применяют сфероидизирующий отжиг (отжиг на зернистый перлит): сталь выдерживают чуть выше 727 градусов и медленно охлаждают, при этом цементит собирается в округлые глобули вместо сетки. Такая структура мягче, лучше обрабатывается резанием и хорошо подходит под последующую закалку. Именно поэтому инструментальные заэвтектоидные стали (У10, У12) в поставке имеют структуру зернистого перлита, а не пластинчатого с сеткой.

Частые ошибки

• Путают избыточную фазу. В доэвтектоидной стали избыточен феррит, в заэвтектоидной - цементит. Если в расчёте по заэвтектоидной стали появился избыточный феррит, это ошибка.
• Берут не ту опорную точку. Для долей перлита и вторичного цементита правило отрезков строят от точки 0,8 процента, а не от нуля. От нуля считают только общий фазовый состав феррит плюс цементит.
• Считают вторичный цементит главной составляющей. Его доля обычно мала (единицы процентов), основную массу даёт перлит. Опасна не доля, а форма сетки.
• Забывают перевести в проценты. Правило отрезков даёт долю в виде дроби от 0 до 1, её нужно умножить на 100, чтобы получить проценты.
• Путают линию SE и линию PSK. По линии $SE$ выделяется вторичный цементит, а эвтектоидное превращение идёт по линии $PSK$ при 727 градусах.

FAQ

Какая структура у заэвтектоидной стали при комнатной температуре? Перлит и вторичный цементит в виде сетки по границам зёрен. Чем выше содержание углерода, тем толще сетка и больше доля цементита, но перлит всегда остаётся основной составляющей.

Чем отличается заэвтектоидная сталь от доэвтектоидной? Содержанием углерода и избыточной фазой. У доэвтектоидной (0,02 до 0,8 процента) избыточен феррит, у заэвтектоидной (0,8 до 2,14 процента) - вторичный цементит. Эвтектоидная точка 0,8 процента разделяет эти два типа.

Как посчитать долю вторичного цементита? По правилу отрезков ниже 727 градусов: долю считают как $(C - 0{,}8)/(6{,}67 - 0{,}8)$, где $C$ - содержание углерода в процентах. Для стали с 1,2 процента углерода это около 6,8 процента.

Коротко

Заэвтектоидная сталь содержит от 0,8 до 2,14 процента углерода, и её структура при комнатной температуре - это перлит плюс вторичный цементит в виде сетки по границам зёрен. Сетка образуется при охлаждении из аустенита по линии $SE$, а оставшийся аустенит при 727 градусах распадается в перлит. Доли составляющих находят правилом отрезков: перлит $(6{,}67 - C)/5{,}87$, вторичный цементит $(C - 0{,}8)/5{,}87$. Цементитная сетка делает сталь хрупкой, поэтому её разрушают сфероидизирующим отжигом на зернистый перлит.