Большинство металлов, используемых в промышленности, проходят термическую обработку. Термическая обработка включает нагрев до определенной температуры, выдержку и последующее охлаждение металла или сплава для изменения его структуры и получения нужных физических, механических и иных свойств.
В процессе термической обработки металл подвергается трансформации, которая улучшает его прочностные характеристики и износостойкость, а также придает необходимую твердость и облегчает обработку инструментами на металлорежущих станках.
Превращения в стали при нагреве
Нагрев стали при термической обработке обычно служит для получения аустенитной структуры. Сталь с содержанием углерода менее 0,8% при нагреве до температуры AC1 состоит из зерен перлита и феррита. В точке AC1 начинается перекристаллизация перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве до температур AC1–AC3 избыточный феррит растворяется в аустените, и при достижении температуры ACm (линия GSE на диаграмме железо-углерод) превращения завершаются. Выше точки AC3 сталь состоит исключительно из аустенита.
В заэвтектоидной стали выше температуры AC1 начинает растворяться избыточный цементит, и структура выше точки ACm состоит только из аустенита.
После завершения превращений, когда весь перлит переходит в аустенит, сталь приобретает мелкозернистую аустенитную структуру. Скорость образования аустенита и выравнивание его концентрации зависят от различных факторов, включая температуру и наличие легирующих элементов (хром, вольфрам, молибден и др.), которые замедляют процесс.
Аустенит неоднороден по химическому составу: в местах бывших пластинок цементита он богаче углеродом, а в местах пластинок феррита – беднее. Для выравнивания химического состава зерен аустенита сталь нагревают немного выше верхней критической точки AC3 и выдерживают при этой температуре. При дальнейшем повышении температуры мелкие зерна аустенита начинают срастаться, и чем выше температура, тем интенсивнее растут зерна.
Виды зерен аустенита
Зерна аустенита делятся на начальные, действительные и природные. Начальное зерно – размер зерна в момент завершения превращения перлита в аустенит. Действительное зерно – это зерно, полученное при конкретных условиях нагрева, и его размер зависит от метода выплавки стали и вида последнего нагрева. Величину действительного зерна можно регулировать режимами термической обработки.
Природное (наследственное) зерно характеризуется способностью к росту аустенита. В сталях одинакового химического состава зерна аустенита могут расти с различной скоростью, что зависит от свойств стали данной плавки. Стали делятся на мелкозернистые и крупнозернистые. Мелкозернистые стали сохраняют мелкое зерно при температуре 950-1000°С, в то время как у крупнозернистых сталей зерно начинает быстро расти при нагреве немного выше 800°С.
Превращения в стали при охлаждении (распад аустенита)
Аустенит стабилен только при температурах выше 723°C (точка АГ1). При охлаждении стали, нагретой до аустенитного состояния, ниже точки Ar1, аустенит теряет стабильность и начинается его превращение.
Когда эвтектоидную углеродистую сталь с 0,8% углерода медленно охлаждают, при температуре линии PSK аустенит превращается в перлит — механическую смесь феррита и цементита. Этот процесс подчиняется законам кристаллизации.
Изучение превращения аустенита в перлит проводят экспериментально в изотермических условиях, а не при непрерывном охлаждении. Образцы стали нагревают до температуры выше АС3 и после выдержки, обеспечивающей полный нагрев, быстро переносят в ванну с температурой ниже AC1. Таким образом, превращение аустенита в перлит происходит в ванне.
При медленном охлаждении аустенит превращается в перлит. При высокой скорости охлаждения переохлажденный аустенит превращается в сорбит. При ещё более высокой скорости охлаждения сталь становится мартенситной, что приводит к закалке.
Критическая скорость закалки — это минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит полностью преобразуется в мартенсит. Эта величина имеет важное значение в термической обработке. Для закалки стали её нужно охлаждать со скоростью, не меньшей критической.
Продуктами распада аустенита являются мартенсит, троостит и сорбит.
Продукты распада аустенита
Мартенсит — это твёрдый раствор углерода в решётке α-железа с объемно-центрированной тетрагональной кристаллической структурой, где углерод находится в центре грани. Мартенсит характеризуется игольчатой микроструктурой, высокой твердостью (HRC 64-65), высокой прочностью, значительной хрупкостью и магнитными свойствами. Это метастабильная структура, из которой при отпуске выделяется углерод, образуя цементитные зерна. Таким образом, при отпуске мартенсит преобразуется в троостит или сорбит отпуска.
Троостит — смесь цементита и феррита, менее хрупкая и твёрдая, чем мартенсит (HRC 40-45). Троостит отпуска ценен для деталей, работающих при переменных нагрузках, таких как пружины и рессоры.
Сорбит — это смесь феррита и мелких зерен цементита. Сорбит отпуска имеет твёрдость HRC 30-40 и отличается высоким пределом упругости при достаточной ударной вязкости. Поэтому сорбит используют для деталей, подвергающихся переменным нагрузкам.