Структуры стали: феррит, перлит, мартенсит

Урок связывает скорость охлаждения с получаемой структурой стали и объясняет природу твёрдого мартенсита.

Мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в железе, образующийся при быстром охлаждении (закалке); очень твёрдый и хрупкий.

Одна и та же сталь после нагрева до аустенита даёт разные структуры в зависимости от того, как её охлаждать. Это и есть рычаг термообработки: химия неизменна, а свойства меняются в разы.

Зачем это инженеру

Закалённая деталь твёрдая, отожжённая — мягкая, хотя это одна марка. Управляя скоростью охлаждения, технолог получает нужную структуру. Без понимания структур термообработка невозможна.

Структуры по скорости охлаждения

Мартенсит образуется бездиффузионно: углерод не успевает выйти из решётки, и ГЦК-аустенит мгновенно перестраивается в искажённую тетрагональную решётку. Искажение и удерживаемый углерод дают огромную твёрдость.

Как работает под капотом

Твёрдость мартенсита резко растёт с углеродом. Грубую модель твёрдости закалённой стали можно записать как растущую с углеродом функцию с насыщением. Промоделируем зависимость твёрдости от содержания углерода.

import math

# Учебная аппроксимация твёрдости мартенсита по углероду
def hardness_HRC(C):
    # насыщение около 65 HRC при высоком углероде
    return 65 * (1 - math.exp(-4.0 * C))

for C in (0.10, 0.30, 0.45, 0.60):
    print("C =", C, "%  ->  твёрдость мартенсита ~",
          round(hardness_HRC(C), 1), "HRC")

Вывод:

C = 0.1 %  ->  твёрдость мартенсита ~ 21.5 HRC
C = 0.3 %  ->  твёрдость мартенсита ~ 45.4 HRC
C = 0.45 %  ->  твёрдость мартенсита ~ 54.3 HRC
C = 0.6 %  ->  твёрдость мартенсита ~ 59.1 HRC
C = 0.1 %  ->  твёрдость мартенсита ~ 21.5 HRC

Видно, почему закаливают именно средне- и высокоуглеродистые стали: при 0,1 % C мартенсит почти не твёрже перлита, а при 0,45 % C даёт уже 54 HRC. Малоуглеродистые стали закалкой почти не упрочняются.

Между равновесными структурами и мартенситом лежит бейнит — продукт промежуточных скоростей охлаждения. Бейнит сочетает неплохую прочность с заметной вязкостью и получается при изотермической выдержке в среднем интервале температур. Современные стали часто проектируют именно на бейнитную или смешанную структуру, чтобы уйти от хрупкости чистого мартенсита без потери прочности. Кроме того, при закалке не весь аустенит превращается: часть остаётся как остаточный аустенит, особенно в высокоуглеродистых и легированных сталях. Он мягок и нестабилен, поэтому его стремятся перевести в мартенсит обработкой холодом или последующим отпуском — иначе размеры детали поплывут со временем.

Частые ошибки

• Думать, что мартенсит образуется диффузионно — он бездиффузионный, отсюда и скорость, и искажение решётки.
• Закаливать малоуглеродистую сталь, ожидая высокой твёрдости — углерода не хватит.
• Использовать хрупкий мартенсит без отпуска — деталь растрескается.

Итоги

• Скорость охлаждения определяет структуру стали.
• Феррит+перлит — мягкие, мартенсит — твёрдый и хрупкий.
• Мартенсит образуется бездиффузионно при закалке.
• Твёрдость мартенсита растёт с углеродом; малоуглеродистые стали почти не закаливаются.