Железо и углерод (Fe–C) — основа любой стали: железо задаёт пластичность и свариваемость, углерод — прочность и твёрдость.
Суть
Чистое железо — мягкий и пластичный металл (σв около 250 МПа, δ до 50 %), непригодный для нагруженных конструкций. Углерод, растворяясь в решётке железа и образуя карбид Fe₃C (цементит), резко поднимает прочность и твёрдость. Поэтому любая сталь — это прежде всего сплав железа с углеродом, а остальные элементы лишь корректируют то, что задано парой Fe–C.
Железо полиморфно: до 911 °C оно существует как α-железо с объёмно-центрированной кубической решёткой (феррит), выше — как γ-железо с гранецентрированной решёткой (аустенит). Феррит растворяет ничтожно мало углерода (≈ 0,02 % при 727 °C), аустенит — до 2,14 %. Из этой разницы растворимости вытекают все превращения в стали при нагреве и охлаждении, а значит и вся термообработка.
Граница между сталью и чугуном — 2,14 % C, максимальная растворимость углерода в аустените. До этой точки сплав можно нагреть до однофазного аустенита и деформировать в горячем состоянии — катать, прошивать, ковать. Выше неё в структуре при кристаллизации появляется хрупкая эвтектика (ледебурит), и сплав годится только для литья.
Как читать диаграмму Fe–C
Диаграмма состояния железо — цементит показывает, какие фазы устойчивы при данной температуре и содержании углерода. Для сталей важны три ориентира: линия PSK (727 °C) — температура эвтектоидного превращения аустенита в перлит; точка S (0,8 % C) — эвтектоидный состав; линия GS (A₃) — начало выделения феррита из аустенита при охлаждении.
- Доэвтектоидные стали (до 0,8 % C) — структура феррит + перлит; чем больше углерода, тем больше доля перлита и выше прочность. Сюда относятся все трубные стали: Ст3, сталь 20, 09Г2С, 17Г1С.
- Эвтектоидная сталь (0,8 % C) — целиком перлит, смесь пластин феррита и цементита.
- Заэвтектоидные стали (0,8–2,14 % C) — перлит + вторичный цементит по границам зёрен; твёрдые инструментальные стали.
- Чугуны (более 2,14 % C) — содержат ледебурит или графит; см. чугун.
Практический вывод для трубной стали: каждые 0,1 % C добавляют примерно 60–80 МПа временного сопротивления, но одновременно снижают относительное удлинение, ударную вязкость и свариваемость. Поэтому конструкционные трубные марки держат углерод в узком окне 0,1–0,25 %, а прочность добирают марганцем, кремнием и микролегированием, что учитывает эквивалент углерода.
Ключевые числа
| Полиморфное превращение α → γ (чистое Fe) | 911 °C |
|---|---|
| Эвтектоидная точка (аустенит → перлит) | 0,8 % C при 727 °C |
| Граница сталь / чугун | 2,14 % C (предел растворимости C в аустените при 1147 °C) |
| Содержание C в цементите Fe₃C | 6,67 % |
| Ст3сп (ГОСТ 380) | C 0,14–0,22 % |
| Сталь 10 / 20 / 45 (ГОСТ 1050) | C 0,07–0,14 / 0,17–0,24 / 0,42–0,50 % |
| σв стали 10 / 20 / 45 (ГОСТ 1050, нормализация) | ≥ 330 / 410 / 600 МПа |
| δ5 стали 10 / 20 / 45 (ГОСТ 1050) | ≥ 31 / 25 / 16 % |
| 09Г2С (ГОСТ 19281) | C ≤ 0,12 % |
Где встречается в трубах
Содержание углерода — первое, на что смотрят в химическом составе трубной стали: оно определяет, можно ли варить трубу без подогрева, как она поведёт себя на морозе и какой класс прочности получится после нормализации. Марка стали в сертификате прямо кодирует углерод: «20» — 0,20 % C, «09» в 09Г2С — 0,09 % C.
- Бесшовные трубы из стали 20 (0,17–0,24 % C) — базовый вариант для горячедеформированных труб по ГОСТ 8732.
- Электросварные трубы из Ст3сп и низкоуглеродистой 09Г2С — там, где важна свариваемость и хладостойкость.
- Как выбор марки связан с содержанием углерода — в статье стали для труб; о структурных фазах — феррит, перлит, аустенит.
- Влияние углерода на технологию сварки — в статье сварка труб.
- Нормы химического состава по маркам — в библиотеке стандартов: ГОСТ 380, ГОСТ 1050, ГОСТ 19281.
Связанные термины
- СтальСплав железа с углеродом (до 2,14 % C) и другими элементами; основной конструкционный материал для труб.
- ЧугунСплав железа с углеродом более 2,14 % C; хрупкий, но литейный и стойкий к износу — из него льют фитинги, задвижки, канализационные трубы.
- Феррит, перлит, аустенит, мартенситСтруктурные составляющие стали: мягкий феррит, прочный слоистый перлит, высокотемпературный аустенит и твёрдый закалочный мартенсит.
- Эквивалент углерода (Cэкв)Расчётная величина, приводящая влияние легирующих к «условному углероду»; при Cэкв ≤ 0,45 сталь сваривается без подогрева.