2.1. Превращения в стали при нагреве

Нагрев стали при термической обработке в большинстве случаев осуществляют до аустенитного состояния.

При нагреве стали выше линии А_C1 перлит превращается в аустенит (ПА). Дальнейшее повышение температуры приводит в доэвтектоидных сталях к превращению феррита в аустенит (-железо превращается в-железо), а в заэвтектоидных сталях к растворению вторичного цементита в аустените (А+Ц_ПА). Превращение заканчивается выше линии А_C3, а превращение (А+Ц_ПА) заканчивается выше линии А_CТ следовательно, нагрев выше линии GSE на 30...50 ⁰С обеспечивает аустенитную структуру в стали.

Для выравнивания химического состава аустенита сталь выдерживают определенное время (приблизительно 1,0...1,5 мин на 1 мм толщины детали).

2.2. Превращения в стали при охлаждении

Аустенит устойчив только при температуре выше линии А_r1. При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния, ниже точки А_r1 аустенит становится неустойчивым (начинается его превращение).

В зависимости от скорости охлаждения аустенит может превратиться в перлит, сорбит, троостит или мартенсит.

Медленное охлаждение стали со скоростью V_охл<40 ⁰С/с способствует превращению аустенита в перлит при температуре 727...650 ⁰С.

Большие скорости охлаждение способствуют превращению аустенита в сорбит при V_охл 50⁰С/с и 650...600 ⁰С и в троостит при V_охл 80⁰С/с и 600…500 ⁰С.

Ещё большая скорость охлаждения V_охл > 200 ⁰С/с способствует превращению аустенита в мартенсит.

Перлит, сорбит и троостит представляют собой механическую смесь феррита и цементита разной степени дисперсности.

Перлит является крупнодисперсной структурой - крупные пластинки цементита и прослойки феррита между ними.

Сорбит - структура средне дисперсная, троостит - мелкодисперсная.

Мартенсит же представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в -железе. За счет избыточного растворения углерода (свыше 0,4%) кристаллическая решетка-железа искажается, вытягивается и из кубической переходит в тетрагональную. Это приводит к увеличению твердости и уменьшению пластичности стали.

Твердость мартенсита тем выше, чем больше углерода, растворенного в -железе.

Механизм мартенситного превращения бездиффузионный и заключается в аллотропическом превращении -железа в-железо. Поэтому весь углерод, растворенный в аустените, остается в феррите.

Перлит, сорбит и троостит можно получить не только при охлаждении стали из аустенитного состояния. Эти структуры можно получить и при нагреве мартенсита до определенной температуры: перлит получают при нагреве мартенсита до 650…727 ⁰С, сорбит - 600...650⁰С, троостит – 500...600⁰С. При нагреве до указанных температур мартенсит распадается на механическую смесь цементита и феррита.

2.3.Закалка стали

Закалка - это операция термической обработки, при которой сталь нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре для выравнивания химического состава фаз, а затем охлаждают с высокой скоростью,

Основное назначение закалки - получить сталь с высокими физико-механическими характеристиками: твердостью, прочностью, износостойкостью. Качество закалки зависит от правильного выбора режима: температуры, времени выдержки, скорости охлаждения.

Температуру нагрева стали под закалку определяют по диаграмме состояния сплавов системы железо - углерод (рисунок).

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры выше линии GS на 30...50 ⁰С (А_С3 + 30...50 ⁰С).

Заэвтектоидные стали нагревают до температуры выше линии PSK 30...50 ⁰С (А _С1+30...50 ⁰С). Такой нагрев заэвтектоидных сталей осуществляют с целью предотвращения растворения цементита вторичного в аустените, так как это может привести к растрескиванию стали в процессе закалки.

Скорость нагрева стали под закалку должна обеспечивать равномерный и быстрый нагрев не вызывающий больших напряжений, приводящих к образованию трещин в металле из-за разности термического расширения наружных и внутренних сдоев детали. Скорость нагрева зависит от химического состава стали, формы, размеров, способа нагрева и расположения деталей в нагревательном устройстве. Обычно назначают время нагрева в зависимости от вида нагревательного устройства и толщины детали (табл.13.).

Таблица 13

Время нагрева деталей под завалку в различных средах.

Нагревательное устройство	Температура Т 0С	Время нагрева, с/мм диаметра или толщины деталей с сечением
		круглым	квадратным	прямоугольник
Электрическая печь	800	40…50	50…60	60…75
Пламенная печь	800	35…40	45…50	55…60
То же	1300	15…17	17…19	19…22
Соляная ванна	800	12…15	16…18	18…22
То же	1300	7…8	8…10	10…12
Индуктор	800	2…3	3…4	4…6
То же	1300	1…2	2…3	3…4

Охлаждающие среды выбирают в зависимости от химического состава, т.е. теплопроводности стали. При закалке стали возникают больше внутренние напряжение, которые складываются из термических и структурных (фазовых) напряжений. Чем больше скорость охлаждения и меньше теплопроводность стали, тем больше термические напряжения. Чем больше углерода в стали, тем больше фазовые напряжения.

В качестве охлаждающих сред при закалке применяют: воду, водные растворы солей, кислот, щелочей; минеральные масла; расплавы солей. Самая высокая скорость охлаждения в чистой воде, самая низкая - в расплавах содей.

Закаленные доэвтектоидные и эвтектоидные стали при V_охл > 180...200 ⁰С имеют структуру мартенсита и аустенита остаточного, заэвтектоидные - мартенсита, цементита вторичного и аустенита остаточного. Обычно в углеродистых сталях остается очень мало аустенита, и он исчезает при следующих термических обработках.