Феррит, аустенит и цементит
Феррит, аустенит и цементит различаются кристаллическим строением, химическим составом и условиями существования. Феррит α — твёрдый раствор на основе объёмноцентрированной кубической решётки железа. Аустенит γ имеет гранецентрированную кубическую решётку. Цементит — карбид с номинальной формулой Fe₃C и орторомбической структурой. Эти названия обозначают фазы, а не уровни качества стали и не самостоятельные значения её твёрдости.
Какие различия существенны
| Объект | Состав и строение | Правильная интерпретация |
|---|---|---|
| α-феррит | ОЦК, ограниченный раствор углерода | Растворимость зависит от температуры |
| γ-аустенит | ГЦК, твёрдый раствор | Область устойчивости зависит от состава |
| Цементит θ | Номинально Fe₃C, орторомбическая решётка | Карбидная фаза; возможны небольшие отклонения от идеальной стехиометрии |
| Перлит | Совместная структура α + θ | Двухфазная структурная составляющая |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
В бинарном приближении растворимость углерода в α существенно ниже, чем в γ, но числовой предел всегда относят к определённой температуре и конкретной диаграмме. В легированной стали феррит и аустенит содержат другие растворённые элементы. Марганец, никель, хром и прочие добавки изменяют фазовое равновесие; температура существования аустенита не определяется единственным универсальным числом для всех сталей.
Почему Fe₃C не означает 25 массовых процентов
В идеальной формульной единице цементита три атома Fe и один атом C. Поэтому атомная доля углерода xC = 1/(3 + 1) = 0,25, или 25 атомных процентов. При условно округлённых атомных массах MFe = 55,845 г/моль и MC = 12,011 г/моль массовая доля wC = 12,011/(3 × 55,845 + 12,011) = 0,0668965, или 6,68965%. Часто встречающееся на диаграммах значение 6,67% — традиционное приближение состава цементита. Оно отличается от результата с принятыми здесь атомными массами и не получается как четверть массы.
Для 2 кг идеального Fe₃C расчётная масса углерода равна 0,133793 кг, железа — 1,866207 кг. Молярная масса формульных единиц составляет 179,546 г/моль. Эта арифметика проверяет перевод между атомным и массовым составом; она не утверждает, что весь углерод любой двухфазной стали находится в цементите. Часть может быть растворена в феррите либо аустените, а при ином структурном состоянии присутствует в других карбидах или графите.
Пример баланса двух фаз
Примем для отдельной условной оценки общий состав C0 = 0,60 массового процента, содержание углерода в феррите Cα = 0,010%, в цементите Cθ = 6,67%. Число Cα здесь задаёт выбранное состояние и не объявляется постоянной растворимостью. Если структура состоит только из этих двух фаз и соблюдён баланс, fθ = (0,60 − 0,010)/(6,67 − 0,010) = 0,0885886. В порции 5 кг масса цементита равна 0,442943 кг; феррита — 4,557057 кг. Проверка даёт 0,442943 × 0,0667 + 4,557057 × 0,0001 = 0,030000 кг углерода.
Одинаковое фазовое количество не гарантирует одинаковую прочность: тонкие пластины перлита и округлённые частицы цементита в ферритной матрице имеют различную морфологию. Размер зерна, межпластинчатое расстояние, дефекты и распределение карбида учитывают отдельно. На микрошлифе светлый участок не следует автоматически считать фазой без оценки травления, увеличения и условий подготовки образца.
Для технического заключения нужны сведения о марке, температурной истории, химическом анализе и методе идентификации. Металлография описывает морфологию; дифракционные методы помогают установить фазовый состав, когда оптических признаков недостаточно. При охлаждении могут сохраняться неравновесные состояния, включая остаточный аустенит. Поэтому предположение о полном равновесии проверяют до расчёта долей, а результат не превращают в универсальное назначение температуры закалки или отпуска.