Методы исследования фазового состава и свойств углеродистой стали

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

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»

2-е издание, стереотипное

© уральский федеральный университет, 2016
ISBN 978-5-9765-3121-5 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1664-9 (Изд-во Урал. ун-та)

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 [Электронный ресурс]: [учеб.-метод. пособие] / в. а. катаев ; 
[науч. ред. в. о. васьковский] ; М-во образования и науки рос. 
Федерации, урал. федер. ун-т. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : 
Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 84 с.

ISBN 978-5-9765-3121-5 (ФЛИНТА)

ISBN 978-5-7996-1664-9 (Изд-во Урал. ун-та)

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 механические свойства стали. подвергнутое закалке стальное изделие 
приобретает высокую твердость и прочность. однако возможное 
частичное сохранение переохлажденного аустенита может оказывать 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 дополнительной термообработки — отпуска.
структурно-фазовое состояние стали после закалки определяет 
не только ее механические, но и магнитные и электрические свойства. 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 соответствует 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, сочетание повышенной упругости и твердости и пр. в зависимости от 
вводимых элементов стали принято называть уже не углеродистыми, 
а легированными и, соответственно, марганцовистыми, хромоникелевыми, 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 теоретических 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 — приложения, 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 соответствует 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 смещения 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, выдержка 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 мартенсита 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 прочности. при закалке наряду с изменением механических свойств изменяются также электрические и магнитные свойства стали.

результат закалки во многом зависит от правильного выбора температуры нагрева. если температура нагрева доэвтектоидной стали 
будет ниже Ас1, то ее твердость не повысится, так как отсутствуют 
фазовые превращения, и структура будет представлять собой совокупность 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 сопровождается 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 охлаждения — к образованию крупноигольчатого мартенсита. одновременно в структуре стали сохраняется некоторое количество остаточного 
аустенита. в результате снижаются твердость и прочность стали.
в эвтектоидной и заэвтектоидной сталях нагрев ниже Ас1 также не вызывает изменения структуры, а следовательно, твердость 
не растет. при нагреве выше Ас1 эвтектоидная сталь получает структуру аустенита, а заэвтектоидная — структуру аустенита и цементита. 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 мартенситными точками MH (начало превращения) и MK (конец превращения), 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 мартенситное 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 прекращается. 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 приведенных 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 составом 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 охлаждения, 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 охлаждением до комнатной температуры сохраняют значительные количества 
остаточного аустенита (до 15–25 %).
легирующие элементы в большинстве случаев (за исключением кобальта и алюминия) понижают точки MH и MK, т. е. способствуют 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 специальное 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