Микроструктура стали 45: феррит, перлит и что меняет термообработка

Микроструктура стали 45 в равновесном состоянии — это феррит и перлит. Соотношение между ними, размер зерна, полосчатость и наличие видманштеттовой структуры показывают, как металл прокатывали, отжигали и калили. Разбираем, что именно видно на шлифе стали 45 при разных увеличениях, как структура меняется после каждого вида термообработки и какие дефекты ищет лаборатория.

Сталь 45: состав и почему он даёт феррит с перлитом

Сталь 45 — углеродистая качественная конструкционная сталь по ГОСТ 1050-2013. Содержание углерода около 0,45 % относит её к доэвтектоидным сталям: углерода меньше, чем в эвтектоиде (0,8 %), поэтому при медленном охлаждении наряду с перлитом всегда выделяется избыточный феррит.

Элемент	Массовая доля, %	Что даёт структуре
Углерод (C)	0,42–0,50	Определяет долю перлита, прокаливаемость, твёрдость после закалки
Кремний (Si)	0,17–0,37	Раскислитель, упрочняет феррит
Марганец (Mn)	0,50–0,80	Повышает прокаливаемость, связывает серу
Хром (Cr)	до 0,25	Примесь, слабо влияет на прокаливаемость
Сера (S), фосфор (P)	ограничены стандартом	Сульфиды и ликвация — источник полосчатости и строчечных включений

Долю структурных составляющих оценивают по правилу отрезков на диаграмме железо–углерод. Для 0,45 % C перлита получается примерно 55 %, остальное — избыточный феррит. Именно это соотношение — «примерно половина светлого, половина тёмного» — и видит металлограф на правильно приготовленном шлифе нормализованной стали 45.

Что видно на шлифе: феррит и перлит при разных увеличениях

После травления 3–5 % ниталем контраст распределяется так: феррит остаётся светлым, перлит темнеет. Причина — перлит представляет собой смесь феррита и цементита пластинчатого строения, реактив протравливает границы пластин, и участок рассеивает свет.

• ×100 — видно общее строение: соотношение светлых и тёмных участков, полосчатость, строчки включений, неоднородность по сечению. Это увеличение используют для оценки полосчатости и балла зерна.
• ×200–×500 — различимы отдельные зёрна феррита и колонии перлита, видна форма границ.
• ×500–×1000 — разрешается пластинчатое строение перлита, видно, что он не однородно-тёмный, а состоит из чередующихся пластин феррита и цементита. По расстоянию между пластинами отличают перлит, сорбит и троостит.

Подробно о том, чем отличаются задачи макро- и микроанализа, — в материале «Макрошлиф и микрошлиф: что это и чем они отличаются».

Как термообработка меняет структуру стали 45

Одна и та же марка в зависимости от режима даёт структуры с разницей по твёрдости в несколько раз. На этом и построена диагностика: по структуре металлограф восстанавливает, что с деталью делали.

Состояние	Структура на шлифе	Ориентировочная твёрдость
Отжиг	Крупные зёрна феррита + пластинчатый перлит, равновесное строение	170–190 HB
Нормализация	Тот же феррит с перлитом, но мельче и однороднее	170–210 HB
Закалка в воде от 840–860 °C	Игольчатый мартенсит, возможен остаточный аустенит	56–62 HRC
Закалка + низкий отпуск (180–250 °C)	Мартенсит отпуска, игольчатость сохраняется	50–55 HRC
Закалка + средний отпуск (350–450 °C)	Троостит отпуска, структура мелкодисперсная, тёмная	40–45 HRC
Улучшение: закалка + высокий отпуск (550–620 °C)	Сорбит отпуска, зернистые карбиды в феррите	20–28 HRC (≈230–260 HB)
Закалка ТВЧ	Мартенситный слой на поверхности, феррито-перлитная сердцевина, видна граница слоя	48–55 HRC на поверхности

Практический вывод для приёмки: если в детали после улучшения металлограф видит крупнопластинчатый перлит вместо сорбита отпуска, режим термообработки не выдержан, и заявленной прочности у детали не будет — даже если твёрдость случайно попала в допуск. Поэтому металлографию и измерение твёрдости обычно заказывают в паре.

Дефекты структуры, которые ищут в стали 45

Это основная часть заключения лаборатории — то, ради чего шлиф и готовят.

Дефект	Как выглядит	О чём говорит
Полосчатость феррито-перлитной структуры	Чередование светлых ферритных и тёмных перлитных полос вдоль направления прокатки	Ликвация в слитке, наследие прокатки; даёт анизотропию свойств
Видманштеттова структура	Игольчатые, ориентированные выделения феррита внутри зёрен	Перегрев при ковке, прокатке или сварке; снижает ударную вязкость
Крупное зерно	Зёрна крупнее эталона соответствующего балла	Перегрев или выдержка при высокой температуре
Обезуглероженный слой	Светлая, почти чисто ферритная кайма по краю образца	Выгорание углерода при нагреве без защитной атмосферы; поверхность мягче расчётной
Неметаллические включения	Строчки сульфидов, оксидов, силикатов — видны до травления	Металлургическое качество плавки
Трещины и надрывы	Разрывы структуры, часто по границам зёрен	Дефект деформации, закалочные напряжения

Неметаллические включения оценивают до травления, на полированном шлифе — подробности в статье «Неметаллические включения в стали: виды и методы определения по ГОСТ 1778-2022». Величина зерна — отдельный показатель со своей методикой: «Величина зерна стали по ГОСТ 5639-82».

Травители для стали 45

Углеродистая сталь травится просто — сложности начинаются при выявлении отдельных составляющих.

Реактив	Состав	Режим	Что выявляет
Ниталь	3–5 % азотной кислоты в этиловом спирте	Погружение или протирка, 3–15 с	Универсальный: границы зёрен феррита, перлит, мартенсит
Пикраль	4 % пикриновой кислоты в этиловом спирте	10–60 с	Контрастнее показывает карбидную составляющую перлита
Ниталь и пикраль последовательно	—	По состоянию поверхности	Разделение границ зёрен и карбидов в спорных случаях

Перетравленный шлиф «съедает» тонкие детали: пластины перлита сливаются в чёрное пятно, и отличить сорбит от троостита становится невозможно. Недотравленный не даёт контраста границ. Поэтому травление ведут ступенчато, контролируя результат под микроскопом после каждого шага.

Пробоподготовка шлифа стали 45

Структура, которую видит металлограф, на четверть определяется качеством шлифа. Стандартный маршрут:

1. Отрезка. Образец вырезают абразивным отрезным кругом с обильной подачей СОЖ. Отрезка «на сухую» или болгаркой даёт зону термического влияния — структура в ней уже не та, что в детали.
2. Запрессовка. Для мелких образцов и для сохранения края (важно при замере обезуглероженного слоя) применяют горячую запрессовку в термореактивные смолы.
3. Шлифование. Последовательно на водостойкой шлифовальной бумаге от P180 до P1200–P2500, с поворотом образца на 90° при смене зерна.
4. Полирование. Алмазные суспензии 9 → 3 → 1 мкм на соответствующих полировальных сукнах, финиш — коллоидный кремний.
5. Травление и просмотр. Ниталь, затем изучение на металлографическом микроскопе.

Весь маршрут по шагам — в материале «Подготовка металлографического шлифа: от резки до финиша». Оборудование для этих операций — в разделах отрезные станки, оборудование для заливки и запрессовки и шлифовально-полировальные станки.

Как результат попадает в протокол

Металлографическое заключение по стали 45 обычно содержит:

• описание структуры («феррито-перлитная, равномерная» или «сорбит отпуска»);
• балл величины зерна по ГОСТ 5639-82;
• балл полосчатости и наличие видманштеттовой структуры по шкалам ГОСТ 5640;
• глубину обезуглероженного слоя по ГОСТ 1763-68, если она нормирована;
• загрязнённость неметаллическими включениями по ГОСТ 1778;
• фотографии структуры с указанием увеличения и травителя.

Отдельные позиции заказывают и по одной: определение балла зерна, определение глубины обезуглероженного слоя, описание структур.

Где сделать металлографический анализ стали 45

Испытательная лаборатория SPECTR-LAB выполняет металлографический анализ микроструктуры: описание структуры, балл зерна, обезуглероженный слой, неметаллические включения. Стоимость — от 2 890 ₽, срок — 1–3 рабочих дня, результат — протокол установленной формы с фотографиями структуры и заключением. Лаборатория в Москве, образцы из регионов принимаются транспортной компанией. Если по той же детали нужны прочность и вязкость, в одном протоколе объединяются испытание на растяжение и испытание на ударный изгиб.

Читайте также: Подготовка металлографического шлифа: от резки до финиша, Величина зерна стали по ГОСТ 5639-82: номер зерна и методы определения и Твёрдость металла: методы Бринелля, Роквелла и Виккерса.

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» (шкалы полосчатости и видманштеттовой структуры)
• ГОСТ 1763-68 «Сталь. Методы определения глубины обезуглероженного слоя»
• ГОСТ 1778-2022 «Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений»

---