Феррит, цементит, аустенит, мартенсит

Феррит (от лат. ferrum – железо), структурная составляющая сплавов железа, представляющая собой твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в a-железе. Кристаллическая решётка – объёмноцентрированный куб (ОЦК). Растворимость углерода в Феррит 0,02–0,03% (по массе) при 723 °С, а при комнатной температуре 10-6–10-7%. Растворимость легирующих элементов может быть весьма значительной или неограниченной. Легирование Феррит в большинстве случаев приводит к его упрочнению. Нелегированный Феррит относительно мягок, пластичен, сильно ферромагнитен до 768–770 °С. Микростроение, размеры зерна и субструктура Феррит зависят от условий его образования при полиморфном g ® a-превращении. При небольшом переохлаждении образуются приблизительно равноосные, полиэдрические зёрна; при больших переохлаждениях и наличии легирующих элементов (Cr, Mn, Ni) Феррит возникает по мартенситному механизму и вследствие этого упрочняется. Укрупнение зёрен аустенита часто приводит к образованию при охлаждении видманштеттова Феррит (см. Видманштеттова структура), особенно в литых и перегретых сталях. Выделение доэвтектоидного Феррит происходит преимущественно на границах аустенитных зёрен. При температурах выше 1390 °С в железоуглеродистых сплавах образуется твёрдый раствор углерода в d-железе, имеющий также кристаллическую решётку (ОЦК); растворимость углерода в d-железе 0,1%. Эту фазу можно рассматривать как высокотемпературный Феррит См. также Железоуглеродистые сплавы.

Цементит, карбид железа Fe3C, фазовая и структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, очень твёрд и хрупок, слабо магнитен до 210 °С. Цементит — метастабильная фаза; образование стабильной фазы — графита во многих случаях затруднено. Цементит выделяется из расплава, из аустенита и феррита. В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки Цементит может иметь различную форму — равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру. Цементит — составная часть структурных составляющих стали и чугуна — ледебурита, перлита, бейнита, сорбита отпуска.

Аустенит, одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, твёрдый раствор углерода (до 2%)и легирующих элементов в железе (см. Железо). Аустенит получил название по имени английского учёного У. Робертса-Остена (W. Roberts-Austen, 1843—1902). Кристаллическая решётка — куб с центрированными гранями. Аустенит немагнитен, плотность его больше, чем других структурных составляющих стали. В углеродистых сталях и чугунах Аустенит устойчив выше 723°C. В процессе охлаждения стали Аустенит превращается в другие структурные составляющие. В железоуглеродистых сплавах, содержащих никель, марганец, хром в значительных количествах, Аустенит может полностью сохраниться после охлаждения до комнатной температуры (например, нержавеющие хромоникелевые стали). В зависимости от состава стали и условий охлаждения Аустенит может сохраниться частично в углеродистых или легированных сталях (т. н. остаточный Аустенит).

Мартенсит, структура кристаллических твёрдых тел, возникающая в результате сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения при охлаждении (см. Мартенситное превращение). Назван по имени немецкого металловеда А. Мартенса (A. Martens; 1850-1914). В результате деформации решётки при этом превращении (так называемого кооперативного сдвига) на поверхности металла появляется рельеф; в объёме же возникают внутренние напряжения и происходит пластическая деформация, которые и ограничивают рост кристалла. Скорость роста достигает 103 м/сек и не зависит от температуры, поэтому скорость образования Мартенсит обычно лимитирует зарождение кристаллов. Противодействие внутренних напряжений смещает зарождение кристаллов много ниже точки термодинамического равновесия фаз и может остановить превращение при постоянной температуре; в связи с этим количество возникшего Мартенсит обычно растет с увеличением переохлаждения. Поскольку упругая энергия должна быть минимальной, кристаллы Мартенсит принимают форму пластин (на шлифе - иголок), правильно ориентированных относительно исходной решётки. Внутренние напряжения снимаются также пластической деформацией, поэтому кристалл содержит много дислокаций (до 1012 см-2) либо разбит на двойники толщиной 10-100 нм (100-1000). Внутризёренные границы и дислокации упрочняют мартенсит. Мартенсит - типичный продукт низкотемпературных полиморфных превращений в чистых металлах (Fe, Со, Ti, Zr, Li и др.), в твёрдых растворах на их основе, в интерметаллидах (например, CuZn, Cu3Al, NiTi, V3Si, AuCd).

Мартенсит в стали - пересыщенный раствор Fe-C, получающийся при закалке из аустенита. Упорядоченное размещение атомов углерода (в результате мартенситного сдвига) превращает объёмноцентрированную решётку a-железа из кубической в тетрагональную. Её искажения около внедрённых атомов вызывают упрочнение. Тетрагональность и упрочнение растут с концентрацией углерода (твёрдость - до 1000 HV). Углеродистый Мартенсит - основная структурная составляющая большинства высокопрочных сталей. Концентрация углерода в твёрдом растворе и субзёренная структура Мартенсит изменяются при отпуске, используемом для повышения пластичности стали. Углерод - важнейший фактор прочности Мартенсит в стали; прочность безуглеродистой мартенситно-стареющей стали обусловлена выделениями интерметаллидов при старении (см. Старение металлов). Физическая природа Мартенсит Fe-С как раствора внедрения, происхождение его высокой прочности, сущность механизма и закономерности кинетики образования Мартенсит установлены Г. В. Курдюмовым.