Більшість металів у промисловості, проходять термічну обробку. Термічна обробка включає нагрівання до певної температури, витримку та подальше охолодження металу або сплаву для зміни його структури та отримання потрібних фізичних, механічних та інших властивостей.
У процесі термічної обробки метал піддається трансформації, яка покращує його характеристики міцності і зносостійкість, а також надає необхідну твердість і полегшує обробку інструментами на металорізальних верстатах.
Перетворення в сталі при нагріванні
Нагрів сталі при термічній обробці зазвичай слугує для отримання аустенітної структури. Сталь із вмістом вуглецю менше 0,8% при нагріванні до температури AC1 складається із зерен перліту та фериту. У точці AC1 починається перекристалізація перліту в дрібнозернистий аустеніт. При подальшому нагріванні до температур AC1-AC3 надлишковий ферит розчиняється в аустеніті, і при досягненні температури ACm (лінія GSE на діаграмі залізо-вуглець) перетворення завершуються. Вище точки AC3 сталь складається виключно з аустеніту.
У заевтектоїдної сталі вище температури AC1 починає розчинятися надлишковий цементит, і структура вище точки ACm складається тільки з аустеніту.
Після завершення перетворень, коли весь перліт переходить в аустеніт, сталь набуває дрібнозернистої аустенітної структури. Швидкість утворення аустеніту та вирівнювання його концентрації залежать від різних факторів, включаючи температуру та наявність легуючих елементів (хром, вольфрам, молібден та ін.), які уповільнюють процес.
Аустеніт неоднорідний за хімічним складом: у місцях колишніх пластинок цементиту він багатший вуглецем, а місцях пластинок фериту – бідніше. Для вирівнювання хімічного складу зерен аустеніту сталь нагрівають трохи вище верхньої критичної точки AC3 і витримують за цієї температури. При подальшому підвищенні температури дрібні зерна аустеніту починають зростатися, і чим вища температура, тим інтенсивніше ростуть зерна.
Види зерен аустеніту
Зерна аустеніту діляться на початкові, дійсні та природні. Початкове зерно – розмір зерна на момент завершення перетворення перліту в аустеніт. Справжнє зерно – це зерно, отримане за конкретних умов нагріву, і його розмір залежить від методу виплавки сталі та виду останнього нагріву. Величину дійсного зерна можна регулювати режимами термічної обробки.
Природне (спадкове) зерно характеризується здатністю до зростання аустеніту. У сталях однакового хімічного складу збіжжя аустеніту можуть рости з різною швидкістю, що залежить від властивостей сталі даної плавки. Сталі діляться на дрібнозернисті та крупнозернисті. Дрібнозернисті сталі зберігають дрібне зерно при температурі 950-1000°С, тоді як у крупнозернистих сталей зерно починає швидко рости при нагріванні трохи вище 800°С.
Перетворення сталі при охолодженні (розпад аустеніту)
Аустеніт стабільний тільки при температурі вище 723°C (точка АГ1). При охолодженні сталі, нагрітої до аустенітного стану, нижче за точку Ar1, аустеніт втрачає стабільність і починається його перетворення.
Коли евтектоїдну вуглецеву сталь з 0,8% вуглецю повільно охолоджують, при температурі лінії PSK аустеніт перетворюється на перліт – механічну суміш фериту та цементиту. Цей процес підпорядковується законам кристалізації.
Вивчення перетворення аустеніту на перліт проводять експериментально в ізотермічних умовах, а не при безперервному охолодженні. Зразки стали нагрівають до температури вище АС3 і після витримки, що забезпечує повне нагрівання, швидко переносять у ванну з температурою нижче AC1. Таким чином, перетворення аустеніту на перліт відбувається у ванні.
При повільному охолодженні аустеніт перетворюється на перліт. При високій швидкості охолодження переохолоджений аустеніт перетворюється на сорбіт. При ще більш високій швидкості охолодження сталь стає мартенситною, що призводить до загартування.
Критична швидкість гарту — це мінімальна швидкість охолодження, коли аустеніт повністю перетворюється на мартенсит. Ця величина має важливе значення у термічній обробці. Для гарту стали її потрібно охолоджувати зі швидкістю, не меншою за критичну.
Продуктами розпаду аустеніту є мартенсит, троостит та сорбіт.
Продукти розпаду аустеніту
Мартенсит – це твердий розчин вуглецю в решітці -заліза з об’ємно-центрованої тетрагональної кристалічної структурою, де вуглець знаходиться в центрі грані. Мартенсит характеризується голчастою мікроструктурою, високою твердістю (HRC 64-65), високою міцністю, значною крихкістю та магнітними властивостями. Це метастабільна структура, з якої при відпустці виділяється вуглець, утворюючи цементні зерна. Таким чином, при відпустці мартенсит перетворюється на троостит або сорбіт відпустки.
Троостит – суміш цементиту та фериту, менш тендітна та тверда, ніж мартенсит (HRC 40-45). Тростит відпустки цінний для деталей, що працюють при змінних навантаженнях, таких як пружини та ресори.
Сорбіт – це суміш фериту та дрібних зерен цементиту. Сорбіт відпустки має твердість HRC 30-40 і відрізняється високою межею пружності при достатній в’язкості ударної. Тому сорбіт використовують для деталей, що піддаються змінним навантаженням.