5.1. Общие сведения

Приступая к изучению термической обработки стали, следует помнить основное положение металловедения: свойства металлов и сплавов зависят от их строения.

Термическая (тепловая) обработка металлов и сплавов – это технологи­ческий процесс, связанный с нагревом, выдержкой и охлаждением, вызывающий изменение структуры сплава и, как следствие этого, изменение его свойств.

При нагреве стали выше критической точки А₁ (727°С) перлит переходит в аустенит. В каждом зерне перлита образуется несколько зерен аустенита. Следовательно, при переходе через критическую точку Ас₁ происходит измельчение зерна стали.

В процессе охлаждения, когда аустенит переходит в перлит, размеры зерна не изменяются. Какими были зерна аустенита, такими будут и зерна пер­лита. Зерно стали, полученное в результате той или иной обработки, называется действительным зерном. Все свойства стали зависят только от размера действитель­ного зерна.

Стали с мелкозернистой структурой имеют более высокую динамическую и усталостную прочность, низкий порог хладноломкости. Укрупнение зерна в результате высокотемпературного нагрева (перегрев стали) в два – три раза снижает ударную вязкость и предел выносливости и повышает порог хладноломкости.

Видманштеттова структура образуется вследствие охлаждения крупнозернистой стали из аустенитного состояния. При перекристаллизации в доэвтектоидной стали феррит, а в заэвтектоидной стали цементит вторичный выделяются не только на границах, но и внутри зерен аустенита (по плоскостям кристаллической решетки в местах различных кристаллических дефектов).

Видманштеттова структура имеет два характерных признака: крупнозернистость и определенную направленность пластин феррита в доэвтектоидных или цементита в заэвтектоидных сталях. Это признак перегрева стали, но перегретая сталь не всегда имеет видманштеттову структуру. Эта структура встречается в сложных по форме стальных отливках (корпус автосцепки), сварных швах и других перегретых деталях при термообработке. Такая структура – дефектная и в ответственных деталях недопустима, она должна быть устранена полным отжигом или нормализацией.

В большинстве случаев при термической обработке решающая роль в получении заданной структуры и свойств стали принадлежит охлаждению. Переохлаждение аустенита до тем­пературы 700 – 550°С приводит к образованию эвтектоидной смеси феррита и цементита различной дисперсности (размеров фаз). При малой степени переохлаждения (700 – 650°С) образуется крупнопластинчатая смесь феррита и цементита – перлит с твердостью НВ180 – 250. С увеличением ско­рости охлаждения и степени переохлаждения количество ферритоцементитных пластинок увеличивается, а их размеры и расстояния между ними уменьшают­ся. При переохлаждении до 650 – 600°С образуется дисперсная (мелкая) структура – сор­бит (твердость – НВ250 – 350), а до 600 – 550°С – мелкодисперсная (очень мелкая) структура – троостит (НВ350 – 450).

Если нагретую до аустенитного состояния сталь переохладить до 250 – 150°С (в каком-либо охладителе), то произойдет перестройка решетки гамма-железа в алфа-железо. Весь углерод, растворенный в аустените, остается в альфа-железе и твердый раствор становится пересыщенным. Такой твердый раствор называется мартенситом. Мартенсит – основная структура закаленной стали, его твердость – HRC62 – 64 (HB600 – 660).

Избыточное количество углерода искажает решетку альфа-железа, и она становится тетрагональной. Этим объясняется увеличение твердости. Степень искаженности (тетрагональности) и твердость тем выше, чем больше углерода в стали. Образование мартенсита происходит при температуре от М_н до М_к.