Методы исследования фазового состава и свойств углеродистой стали

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

Министерство образования и науки российской Федерации

уральский Федеральный университет  

иМени первого президента россии б. н. ельцина

в. а. катаев

Методы исследования
Фазового состава и свойств
углеродистой стали

рекомендовано методическим советом урФу
в качестве учебно-методического пособия для студентов,
обучающихся по программе бакалавриата по направлениям  
подготовки 27.03.01 «стандартизация и метрология»,  
03.03.02 «Физика»

© уральский федеральный университет, 2016
ISBN 978-5-7996-1664-9

р е ц е н з е н т ы :
с. М. з а д в о р к и н , кандидат физико-математических наук,  
старший научный сотрудник, заведующий лабораторией  
технической диагностики института машиноведения уро ран;
М. б. р и г м а н т, кандидат физико-математических наук,  
старший научный сотрудник института физики металлов уро ран

н ау ч н ы й  р е д а к т о р
в. о. в а с ь ко в с к и й, доктор физико-математических наук, профессор

удк 620.22(07)
ббк 30.3я7
      к29

Катаев, В. А.
Методы исследования фазового состава и свойств углеродистой 
стали : [учеб.-метод. пособие] / в. а. катаев ; [науч. ред. в. о. вась-
ковский] ; М-во образования и науки рос. Федерации, урал. федер. 
ун-т. — екатеринбург : изд-во урал. ун-та, 2016. — 84 с.
ISBN 978-5-7996-1664-9

в учебно-методическом пособии рассмотрены физические и методические 
основы изучения структурно-фазового состояния конструкционных сталей. содержатся 
задания для изучения взаимосвязи структурного состояния и магнитных 
и электрических свойств образцов стали, закаленных от разных температур. 
для студентов, изучающих курсы «Материаловедение», «Методы неразрушающего 
контроля».

к29

удк 620.22(07)
ббк 30.3я7

углеродистая сталь (сплав железа с углеродом) является наиболее 
распространенным в применении конструкционным материалом. 
Физические свойства стали определяются ее структурным 
и фазовым состоянием, которое регулируется с помощью термообработки. 
при медленном охлаждении стали от высоких температур, 
где равновесной фазой является аустенит, до комнатной температуры 
в равновесном состоянии формируются только фазы феррит и цементит. 
для улучшения механических свойств стали ее подвергают 
специальной термообработке, сопровождающейся быстрым охлаждением, 
называемой закалкой. при этом в результате распада 
аустенита в условиях ограничения диффузионной подвижности 
атомов формируется фаза мартенсит, обеспечивающая высокие ме-
ханические свойства стали. подвергнутое закалке стальное изделие 
приобретает высокую твердость и прочность. однако возможное 
частичное сохранение переохлажденного аустенита может оказы-
вать существенное влияние на уровень свойств закаленной стали, 
диктуя необходимость контроля ее фазового состава. дальнейшее 
регулирование свойств стали путем воздействия на ее фазовый 
состав и морфологическое строение осуществляют с помощью до-
полнительной термообработки — отпуска.
структурно-фазовое состояние стали после закалки определяет 
не только ее механические, но и магнитные и электрические свой-
ства. изучение связи между температурой закалки и физическими 
свойствами стали позволяет разрабатывать методы и средства 
неразрушающего контроля структурного состояния стальных 

Предисловие

изделий, обеспечивая необходимый уровень их эксплуатационных 
характеристик.
семейство сталей чрезвычайно разнообразно, что соответству-
ет требованиям, предъявляемым к сталям в различных условиях 
и режимах эксплуатации. для удовлетворения этих требований 
сплав железо-углерод, который является основой, модифицируют 
различными добавками других элементов — легируют, обеспечивая 
такие свойства как жаропрочность, коррозионная стойкость, соче-
тание повышенной упругости и твердости и пр. в зависимости от 
вводимых элементов стали принято называть уже не углеродистыми, 
а легированными и, соответственно, марганцовистыми, хромонике-
левыми, азотистыми и т. п. в целом все эти стали определяют как 
конструкционные.
представленное учебно-методическое пособие можно разделить 
на три логические части. первая посвящена изложению теоретиче-
ских представлений о фазовом и структурном состоянии сплавов 
Fe-C, обзору методов исследования структуры и классификации 
сталей. вторая часть представляет собой задания для выполнения 
четырех конкретных практических работ, при этом каждое задание 
снабжено подробным анализом методики проведения измерений 
и описанием измерительной установки. третья часть — приложе-
ния, она включает технические и метрологические характеристики 
используемых при выполнении заданий приборов. такая структура 
пособия направлена на создание условий, в которых студенты могли 
бы полностью самостоятельно выполнить работу и подготовить 
содержательный отчет.
практические задания построены как единое небольшое исследование, 
замысел которого был предложен старейшим преподавателем 
кафедры и. а. кузнецовым (1919–2010). пособие подготовлено 
к печати при содействии сотрудников е. а. Михалицыной 
и н. в. баева, которым автор выражает свою признательность.

ЗАКАлКА углеродистой стАли

основой для изучения любого способа термической обработки 
стали, в том числе и закалки, является диаграмма железо-углерод 
(с концентрацией до 2,14 % с) (рис. 1).

рис. 1. «стальной» участок диаграммы Fe-C

влияние темПературы закалки  
на фазовый состав, электрические  
и магнитные свойства стали

t, °C

1100

1000

911

900

800

Феррит

700

Q

E

R

Acm

A3

A1
P

G

аустенит

аустенит
+ феррит
аустенит + цементит II

Феррит + цементит III
с, мас.%

Феррит + перлит
перлит + цементит

0,2     0,4     0,6     08,     1,0      1,2       1,4      1,6        1,8       2,0  2,14   2,2

727
S

1147

нижняя критическая точка А1 лежит на линии PSK и соответ-
ствует превращению аустенит ↔ перлит (Ас1 при нагреве и Аr1 при 
охлаждении). верхняя критическая точка А3 лежит на линии GSE 
и соответствует началу растворения (Ас3) или концу выпадения (Аr3) 
феррита в доэвтектоидных сталях или цементита в заэвтектоидных 
сталях.
при нагреве до температур выше Ас3 сталь приобретает аустенитное 
строение, при котором находится в наиболее мягком 
и пластичном состоянии. в условиях медленного охлаждения 
при температуре Аr1 аустенит распадается на феррит + цементит. 
с увеличением скорости охлаждения превращение происходит при 
более низких температурах. Феррито-цементитная смесь по мере 
снижения Аr1 становится все более мелкодисперсной и твердой. 
если же скорость охлаждения так велика, а переохлаждение настолько 
значительно, что выделение феррита и цементита не произошло, 
то и распада твердого раствора не происходит, и аустенит 
(γ-твердый раствор) превращается в мартенсит – пересыщенный 
твердый раствор углерода в α-железе. Мартенситное превращение 
носит бездиффузионный характер, происходит лишь перестройка 
гцк решетки аустенита в оцк решетку α-железа за счет сме-
щения атомов на расстояния, меньшие параметра решетки. при 
этом углерод не выделяется из твердого раствора, что приводит 
к искажению кубической решетки до тетрагональной. Чем больше 
было углерода в аустените, тем большую степень тетрагональности 
имеет кристаллическая решетка мартенсита, тем выше твердость 
закаленной стали.

закалкой называется нагрев стали выше критической точки Ас3, вы-
держка при температуре нагрева и охлаждение со скоростью больше 
критической.

образующийся при закалке мартенсит имеет ориентированную 
игольчатую структуру и обладает высокой твердостью и упругостью. 
твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания 
углерода. так, в стали с содержанием 0,6–0,7 % с твердость мартен-
сита составляет HRC 60 (HV 960), это в шесть раз больше твердости 
феррита. при этом предел прочности достигает 260 кгс/мм2. 

закалку стали производят с целью повышения ее твердости и проч-
ности. при закалке наряду с изменением механических свойств из-
меняются также электрические и магнитные свойства стали.

результат закалки во многом зависит от правильного выбора тем-
пературы нагрева. если температура нагрева доэвтектоидной стали 
будет ниже Ас1, то ее твердость не повысится, так как отсутствуют 
фазовые превращения, и структура будет представлять собой сово-
купность фаз феррит + перлит. при нагреве стали незначительно 
выше Ас1 сталь имеет структуру феррит + аустенит. в результате 
быстрого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, и сталь 
будет иметь структуру феррит + мартенсит. более высокий нагрев 
в этой же области приводит к увеличению доли аустенита, а после 
быстрого охлаждения — к увеличению доли мартенсита, что сопро-
вождается соответствующим увеличением твердости стали. 

при нагреве выше температуры Ас3 получают аустенитную структуру, 
а в результате быстрого охлаждения — мартенсит.
закалка от температуры на 30–50 °с выше Ас3 называется полной.

нагрев доэвтектоидной стали перед закалкой на 70–100 °с вреден, 
поскольку приводит к росту зерна аустенита, а после быстрого охлаж-
дения — к образованию крупноигольчатого мартенсита. одновремен-
но в структуре стали сохраняется некоторое количество остаточного 
аустенита. в результате снижаются твердость и прочность стали.
в эвтектоидной и заэвтектоидной сталях нагрев ниже Ас1 так-
же не вызывает изменения структуры, а следовательно, твердость 
не растет. при нагреве выше Ас1 эвтектоидная сталь получает струк-
туру аустенита, а заэвтектоидная — структуру аустенита и цементи-
та. после закалки эвтектоидная сталь имеет структуру мартенсита, 
а заэвтектоидная — структуру мартенсита и цементита. кроме того, 
в структуре этих сталей будет присутствовать некоторое количество 
остаточного аустенита.
если заэвтектоидную сталь для закалки нагреть выше Acm, то 
после закалки в ее структуре будет содержаться крупноигольчатый 
мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита. 

заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, т. е. нагревают 
выше Ас1 на 50–70 °с.

превращение аустенита в мартенсит при закалке происходит 
в определенном температурном интервале, ограниченном мар-
тенситными точками MH (начало превращения) и MK (конец пре-
вращения), и может быть наглядно изображено так называемой 
мартенситной кривой (рис. 2а). при переохлаждении до MH аустенит 
начинает превращаться в мартенсит. скорость роста зародышей 
мартенсита лежит в пределах 1000–7000 м/с. превращение аустенита 
в мартенсит сопровождается увеличением объема. Чтобы мартенсит-
ное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать 
сталь ниже MH. если охлаждение прекратить, то превращение сразу 
останавливается. при достижении определенной для каждой стали 
температуры MK превращение аустенита в мартенсит прекращает-
ся. положение точек MH и MK не зависит от скорости охлаждения 
и определяется химическим составом аустенита. Чем больше в нем 
углерода, тем ниже лежат точки MH и MK (рис. 2б). из приведен-
ных данных видно, что к моменту охлаждения стали до комнатной 
температуры далеко не весь аустенит переходит в мартенсит. Этот 
аустенит обычно называют остаточным.

количество остаточного аустенита определяется химическим со-
ставом и условиями закалки стали.

оба эти фактора изменяются даже для стали одной и той же 
марки — за счет плавочных отклонений в количестве углерода, 
легирующих элементов и примесей, вследствие различной массы 
и формы изделий, не строго одинаковых режимов нагрева и ох-
лаждения, различной исходной структуры и т. п. поэтому нельзя 
заранее точно указать количество остаточного аустенита, которое 
сохранится в той или иной закаленной детали.
средне- и высокоуглеродистые стали после закалки с охлаждени-
ем до комнатной температуры сохраняют значительные количества 
остаточного аустенита (до 15–25 %).
легирующие элементы в большинстве случаев (за исключени-
ем кобальта и алюминия) понижают точки MH и MK, т. е. способ-
ствуют увеличению количества аустенита. в высокохромистых 
сталях, закаленных от высоких температур, сохраняется до 90 % 
аустенита.

присутствие остаточного аустенита в закаленной стали, особенно 
в повышенном количестве, приводит к ряду нежелательных явлений1:
а) понижение твердости и прочности;
б) ухудшение многих физических свойств, особенно тепловых 
и магнитных;
в) изменение с течением времени размеров готового изделия.

1 Это положение не относится к сталям аустенитного класса, имеющим специ-
альное назначение, например, немагнитной, нержавеющей, жаропрочной и др.

рис. 2. Мартенситные кривые для низкоуглеродистой (а)  
и высокоуглеродистой (б) стали

100

80

60

40

20

0

80

60

40

20

0
+ 200
+ 20
– 100

температура, °с

Мк

Мн

Мк

аост

Мн

аост

а

б

0

20

40

60

80

20

40

60

80

100

количество мартенсита, %

количество аустенита, %

аост