Микроструктура стали 20: феррит, перлит, цементованный слой и сварка

Микроструктура стали 20 — феррит с небольшой долей перлита. Углерода в марке втрое меньше, чем в эвтектоиде, поэтому шлиф выглядит преимущественно светлым: тёмные перлитные участки занимают примерно четверть поля зрения. Разбираем, что означает такая структура, как она меняется после цементации и нормализации и какие отклонения чаще всего находит лаборатория в трубах и сварных соединениях из стали 20.

Состав и доля перлита

Сталь 20 — углеродистая качественная конструкционная сталь по ГОСТ 1050-2013, низкоуглеродистая и хорошо свариваемая. Именно из-за низкого углерода её массово применяют в трубах, котельных элементах и сварных конструкциях.

Элемент	Массовая доля, %	Влияние на структуру
Углерод (C)	0,17–0,24	Задаёт долю перлита — около 20–25 %
Кремний (Si)	0,17–0,37	Раскислитель, упрочняет феррит
Марганец (Mn)	0,35–0,65	Связывает серу, немного повышает прокаливаемость
Сера (S), фосфор (P)	ограничены стандартом	Сульфидные строчки, ликвационная полосчатость

По правилу отрезков на диаграмме железо–углерод при 0,20 % C доля перлита составляет примерно 23 %. Практическое следствие: если на шлифе стали 20 тёмного перлита заметно больше трети площади, это повод проверить марку — возможно, перед вами не сталь 20, а более углеродистая сталь. Такое несоответствие выявляют, сопоставляя металлографию с определением химического состава.

Что видно на шлифе

После травления 3–4 % ниталем структура читается так:

• Светлые равноосные зёрна — феррит, основа структуры. Границы зёрен проявляются тонкой сеткой.
• Тёмные островки — перлитные колонии, расположенные преимущественно по границам ферритных зёрен.
• Строчки и вытянутые включения — сульфиды и оксиды, видимые до травления на полированном шлифе.

При ×500–×1000 в перлите различимо пластинчатое строение. У низкоуглеродистых сталей перлитные участки мелкие, поэтому для их оценки требуется хорошо отполированная поверхность без завалов и царапин — чем и определяется качество пробоподготовки шлифа.

Как меняется структура после обработки

Состояние	Структура	Ориентировочная твёрдость
Горячекатаный прокат	Феррит + перлит, часто с полосчатостью вдоль проката	120–160 HB
Нормализация	Равноосный мелкозернистый феррит + перлит, полосчатость ослабляется	130–160 HB
Отжиг	Крупнее зерно, структура максимально равновесная	110–150 HB
Цементация + закалка + низкий отпуск	Поверхность: мартенсит с карбидами; сердцевина: феррит + перлит. Граница слоя видна на шлифе	Поверхность 56–62 HRC, сердцевина — как у нормализованной
Зона термического влияния сварного шва	Укрупнённое зерно, возможна видманштеттова структура	Локально выше основного металла

Цементованный слой — отдельная задача контроля. Его глубину определяют металлографически по структуре и подтверждают распределением микротвёрдости от поверхности вглубь. Одновременно проверяют, нет ли под слоем обезуглероживания и не оказался ли слой заэвтектоидным с карбидной сеткой.

Типичные отклонения в стали 20

Отклонение	Как выглядит на шлифе	Причина и последствия
Видманштеттова структура	Игольчатые выделения феррита внутри крупных зёрен	Перегрев при прокатке, ковке или сварке. Падает ударная вязкость — проверяется испытанием на ударный изгиб
Полосчатость	Чередование ферритных и перлитных полос вдоль направления деформации	Ликвация и прокатка; анизотропия свойств поперёк проката
Крупное зерно в ЗТВ	Резкий рост зерна у линии сплавления	Избыточное тепловложение при сварке
Обезуглероженный слой	Светлая ферритная кайма по кромке образца	Нагрев без защитной атмосферы; поверхность мягче расчётной
Сульфидные строчки	Вытянутые серые включения, видны до травления	Металлургическое качество; провоцируют расслоения
Сфероидизация перлита	Пластины цементита превратились в округлые частицы	Длительная работа при повышенной температуре — важный признак при экспертизе котельных труб

Последний пункт — ключевой для энергетики и трубопроводов. По степени сфероидизации перлита оценивают, сколько ресурса выработал металл, проработавший при повышенной температуре. Такой анализ выполняют и по вырезке, и репликой с действующего оборудования — для этого нужны расходные материалы для портативной металлографии.

Сварные соединения из стали 20

Сталь 20 — материал труб и сосудов, поэтому чаще всего её микроструктуру смотрят именно на сварном соединении. На макро- и микрошлифе оценивают три зоны: основной металл, зону термического влияния и металл шва. Ищут укрупнение зерна, видманштеттову структуру, несплавления, поры и трещины.

Подробнее о наборе испытаний сварного шва — в материале «Испытания сварных соединений по ГОСТ 6996-66», а сами работы собраны в разделе механические испытания сварных соединений.

Как готовят шлиф стали 20

Низкоуглеродистая сталь мягкая и вязкая, поэтому при пробоподготовке важны два момента: не «завалить» край образца и не затянуть поверхность деформированным слоем.

1. Отрезка — абразивным кругом с подачей СОЖ, без перегрева кромки.
2. Запрессовка — при контроле слоя обязательно, чтобы сохранить край; используют смолы для горячего прессования.
3. Шлифование — водостойкая бумага от P180 до P1200–P2500.
4. Полирование — алмазные суспензии 3 и 1 мкм на сукнах, финиш коллоидным кремнием: у мягкого феррита он снимает наклёпанный слой.
5. Травление — ниталь 3–4 %, короткими выдержками с контролем под микроскопом.

Где сделать анализ структуры стали 20

Испытательная лаборатория SPECTR-LAB выполняет металлографический анализ микроструктуры: описание структуры, балл зерна, глубину обезуглероженного слоя, неметаллические включения. Стоимость — от 2 890 ₽, срок — 1–3 рабочих дня, результат — протокол с фотографиями структуры и заключением. Лаборатория в Москве, образцы из регионов принимаются транспортной компанией.

Читайте также: Микроструктура стали 45: феррит, перлит и что меняет термообработка, Величина зерна стали по ГОСТ 5639-82 и Макрошлиф и микрошлиф: что это и чем они отличаются.

Нормативные документы

• ГОСТ 1050-2013 «Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия»
• ГОСТ 8233-56 «Сталь. Эталоны микроструктуры»
• ГОСТ 5639-82 «Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна»
• ГОСТ 5640 «Сталь. Металлографический метод оценки микроструктуры» (полосчатость, видманштеттова структура)
• ГОСТ 1763-68 «Сталь. Методы определения глубины обезуглероженного слоя»
• ГОСТ 6996-66 «Сварные соединения. Методы определения механических свойств»

---