Cementite and ferrite in pearlitic steels

Carbon steels 0,77 % form a unique microstructure, which is called "perlite". Such steels are called eutectoid steels..
Cm. also Доэвтектоидные стали and Hypereutectoid steels.

On the picture 1 показана фазовая диаграмма железо-углерод, на которой область ниже температуры 727 ºС выкрашена темным цветом. Эта область является двухфазной. Any steel, которую медленно охладили до температуры ниже 727 ºС должна состоять из смеси двух фаз – феррита и цементита. Типы микроструктуры сталей в этой двухфазной области отличаются большим многообразием. Перлит является одним из таких типов.

fazovaya-diagramma-perlitPicture 1 - Part of the iron-carbon phase diagram.
Образование перлитной микроструктуры при охлаждении стали
с содержанием углерода 0,77 % ниже температуры 727 ºS.

Pearlite structure in steel

To understand перлитную структуру рассмотрим сталь с содержанием углерода 0,77 %, eg, сталь У8. Если нагреть ее до температуры 800 ºС и выдержать при этой температуре 1-2 minutes, то в высокотемпературном микроскопе она бы выглядела так, как показано вверху рисунка 1 – структура полностью аустенитных зерен.

После охлаждения до температуры ниже А1 – ниже 727 ºС – и выдержки при ней в течение 5-10 минут аустенитные зерна будут полностью заменены совершенно новыми зернами – перлитными, как это показано внизу рисунка 1.

В отличие от аустенитных или ферритных зерен перлитные зерна не являются единой фазой. Moreover, они состоят из смеси двух фаз – феррита и цементита, образуя уникальную микроструктуру. Чтобы увидеть все детали этой микроструктуры маленькую область внутри перлитного зерна надо рассматривать при очень высоком увеличении, как это показано справа нижней части рисунка 1.

Цементит и феррит в перлите

Перлитная структура состоит из перемежающихся пластин феррита и цементита. Ферритные пластины являются намного толще, than cementite plates. Они занимают 90 % всего объема зерна, по сравнению с оставшимися 10 % cementite.

На границах перлитных зерен происходит резкое изменение ориентации пластин, как это видно на микроструктуре реального стального образца под электронным микроскопом при увеличении х11000 (picture 2).

perlitePicture 2 – Вид перлита под электронным микроскопом.
Исходное увеличение х11000

На этой фотографии цементитные пластины – это светлая фаза, а ферритные – темная. Цементитные пластины имеют толщину всего 0,1 мкм – слишком мало, чтобы их можно было увидеть в световой микроскоп. Despite, что цементит является хрупким, а перлит – не отличается хрупкостью. Это объясняется малым размером пластин цементита и большой объемной долей пластичного феррита.

Перлит при комнатной температуре

Если теперь нашу сталь У8 с содержанием углерода 0,77 % охладить от 700 ºС до комнатной температуры, as it shown on the picture 1, то микроструктура значительно не изменится – не важно как медленно или как быстро ее охлаждать. Феррит будет оставаться почти чистым железом, а цементит – оставаться с содержанием углерода 6,7 % и с той же кристаллической структурой.

Согласно фазовой диаграмме, когда аустенит охлаждается ниже температуры А1 и выдерживается при ней короткое время, аустенит будет полностью заменятся смесью фаз феррит+цементит в том или другом виде. Дальнейшее охлаждение этой двухфазной смеси до комнатной температуры не дает никаких изменений в итоговой микроструктуре феррит+цементит.

Source: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007