Структурно-свободный цементит является результатом распада феррита и выделяется в виде округлых включений или сетки по границам ферритных зерен. О распаде феррита на этом сайте уже немного написано в статье «Цементит».

Свойства феррита при комнатной температуре могут быть не стабильными, если последняя термическая обработка состояла в быстром охлаждении от высоких температур. Сведения об этом приведены в известной книге А.П.Гуляева «Термическая обработка стали». Если после нагрева до температур α- или -области было проведено медленное охлаждение, то свойства феррита не изменяются при старении (рис. 1). После быстрого охлаждения при старении происходит упрочнение с приростом твердости на 15-20 HB (рис. 2). Закалка из области α- области с последующим старением ведет к повышению твердости примерно в 1,5 раза по сравнению с исходным состоянием. Результатом старения являются выделения свободного цементита.

Рисунок 1. Влияние времени старения на твердость феррита после его нагрева в - (975^оС) и α- области (650^оС) и охлаждения в воде или с печью

Рисунок 2. Влияние способа охлаждения на твердость феррита после его нагрева в - (975^оС) и α- области (650^оС)

Сталь со свободным цементитом необходимо подвергать нормализации при 900-930^оС или браковать.
Структурно свободный цементит ослабляет границы зерен, и механические свойства стали изменяются. Пластичность стали снижается, и образуются надрывы в процессе глубокой вытяжки в свободном состоянии. Трещины, образовавшиеся при холодной деформации стали 20, показаны на рис.3.

Рисунок 3. Трещины в  изделии после холодной деформации

Металлографический анализ структуры при небольшом увеличении (200^х) не выявляет каких-либо дефектов (рис. 4). При повышении увеличения до 1000^х по границам зерен видна сетка цементита (рис.5). Остатки такой сетки сохраняются в зоне трещины (рис. 6).

а	б

Рисунок 4. Структура стали в наиболее широкой части изделия (а) и полосчатость в средней части изделия (б).

а	б

Рисунок 5. Цементит в границах ферритных (а) и перлитных зерен (б).

а	б

Рисунок 6. Цементит в местах разрушения.

При горячей деформации стали, содержащей структурно-свободный цементит, на поверхности образуется рельеф (рис. 7,а). Глубину рельефа можно оценить на поперечном шлифе (рис.7,б). Для многих изделий, в том числе труб в газовой и нефтяной отрасли, такое явление недопустимо. При микроструктурном анализе установлено, что цементит в структуре присутствует в виде плотной сетки по границам зерен. В некоторых участках цементит располагается компактно в виде крупных включений.

а	б

Рисунок 7. Рельеф на поверхности трубы: а – поверхность, б –поперечный шлиф

а	б

Рисунок 8. Цементит в структуре стали: а – сетка, б – отдельные включения

Формирование структурно свободного цементита при нагреве иллюстрирует следующий пример. В исходном состоянии сталь имела полосчатую структуру: полосы перлита с ферритной сеткой и полосы, состоящие из верхнего бейнита и феррита (рис.9). В некоторых границах ферритных зерен присутствуют карбиды (рис.10,а). Также присутствуют множественные участки игольчатого феррита (рис.10,б).

а	б

Рисунок 9. Структура стали: а – полосчатость, б – структура ферритной полосы

а	б

Рисунок 10. Участки перлита с ферритной сеткой и игольчатым ферритом.

В результате нагрева при операции азотировании до 490^оС и выдержки при этой температуре произошел распад бейнита. В результате бейнитная полоса трансформировалась в феррит с выделениями третичного цементита по границам зерен (рис. 11, а). На рис.11,б показана зона излома. Видно, что разрушение образца произошло по границам зерен, по границам которых располагаются включения свободного цементита.

а	б

Рисунок 11. Выделения третичного цементита (а) и трещина по границе зерна (б).