3. Основные положения

1. Структурные превращения при термообработке сталей.

В стали основными являются следующие три структуры: аустенит (A) – твердый раствор углерода в  -железе; мартенсит (М) – твердый раствор углерода в -железе; перлит (П) – эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида Fe + Fe₃C. Переход из одной структуры в другую характеризует основные превращения в сталях.

Для понимания процессов, происходящих в сталях при закалке и отпуске, необходимо рассмотреть так называемый «стальной» участок диаграммы состояний сплава железо-углерод, представленный на рис. 2. 1.

Рис. 2. 1. «Стальной» участок диаграммы состояний сплава Fe-C

Нижняя критическая точка лежит на линии PSK и соответствует превращению аустенит-перлит. Верхняя критическая точкалежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных (содержание углерода C < 0,8 %) или цементита в заэвтектоидных (0,8 % < C < 2,14 %) сталях. Чтобы отличить критические точки при нагреве и охлаждении рядом с буквойА ставят букву с или r соответственно (например, точка превращения аустенита в перлит при охлаждении обозначается , а точка превращения перлита в аустенит при нагреве обозначается).

Основными видами термической обработки сталей являются отжиг, закалка и отпуск.

Отжиг – фазовая перекристаллизация, заключающаяся в нагреве выше с последующим медленным охлаждением. Состояние приближается к равновесному. Структура стали после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит.

Закалка – нагрев выше с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит распадается на феррит + цементит. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при все более низких температурах. Если скорость охлаждения достаточно высока и переохлаждение достаточно велико, то выделения цементита и феррита не происходит и аустенит превращается в мартенсит. При аустенитно-мартенситном превращении происходит только перестройка решетки без изменения концентрации реагирующих фаз. Углерод из раствора не выделяется, а атомы железа из решетки гранецентрированного куба перестраиваются в о. ц. к. решетку. Для кристаллической решетки мартенсита характерна тетрагональность (соотношение осей не равно единице вследствие наличия в растворе углерода), что обуславливает высокие внутренние напряжения. Кристаллы мартенсита представляют собой пластины, расположенные параллельно или пересекающиеся под определенными углами, поскольку мартенсит образуется лишь по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям в аустените. Размер кристаллов мартенсита тем больше, чем более однородна и совершенна структура аустенита. Превращение аустенита в мартенсит происходит в определенном температурном интервале, ограниченном точками(начало превращения) и(конец превращения). Положение точекине зависит от скорости охлаждения и определяется химическим составом аустенита. Если точкалежит ниже нормальной температуры, то не весь аустенит превращается в мартенсит. Количество оставшегося (называемого остаточным) аустенита зависит от химического состава и условий закалки стали. Полученная в результате закалки мартенситная структура придает стали высокую твердость, хрупкость. В сравнении с отожженным состоянием существенно повышаются электросопротивление, коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость, намагниченность насыщения и остаточная индукция.

Отпуск – нагрев закаленной стали ниже с последующим медленным или быстрым охлаждением. Исходной является структура закаленной стали, состоящая из мартенсита и аустенита. При повышении температуры отпуска до 200С происходит так называемое первое превращение  при отпуске. Рентгеновский анализ показывает, что в этом диапазоне температур уменьшается степень тетрагональности решетки мартенсита, то есть соотношение параметров решетки с/а стремится к единице, что связано с выделением углерода из раствора. При этом образуются тонкие (несколько атомных слоев) пластинки карбида, когерентно связанные с твердым раствором. Получившаяся структура носит название отпущенного мартенсита. Второе превращение при отпуске захватывает интервал температур (200 – 300)С. В этом интервале остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит. Повышение температуры более 300С приводит к полному выделению углерода из раствора и снятию внутренних напряжений. Карбиды обособляются и превращаются в цементит (Fe₃C). Сумма этих изменений характеризует третье превращение  при отпуске. При 400С третье превращение заканчивается, и сталь состоит из феррита и цементита. Дальнейшее повышение температуры приводит к коагуляции (т. е. укрупнению и сфероидизации) частиц феррита и цементита.