Как же получить сталь с содержанием углерода до 1,7% и чугун с содержанием до 4,3 %? Это возможно благодаря двум факторам:

1) В ГЦК γ – железа при Т от 911 до 1392^оС может раствориться до 2% углерода (твёрдый раствор внедрения). Необходимо не дать возможности углероду уйти из кристаллической решетки при остывании и перестроении из ГЦК в ОЦК. Это достигается быстрым охлаждением, при котором образуется деформированная ОЦК решётка α- железа с внедрёнными в неё атомами углерода.

2) Углерод образует с железом не только твёрдый раствор, но и химическое соединение Fe₃C – карбид железа или цементит – очень твёрдое вещество, режет стекло, но хрупкое.

Для изготовления деталей машин металл непосредственно из стальной отливки и проката не используют (плохая структура и внутренние напряжения). Для улучшения свойств сплава его термически обрабатывают.

Термическая обработка стали – это нагрев до определённой температуры, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью. Основные виды термообработки: закалка, отпуск, нормализация, отжиг.

Нагреем сталь до Т ≈ 950^оС. Образуется решетка ГЦК γ – железа, в котором может раствориться до 2% углерода. Резко охладим деталь, опустив её в воду или минеральное масло. Охлаждение со скоростью несколько сот ^оС в секунду. Атомы углерода не успевают уйти из образующейся решетки α - железа. В центр куба встаёт атом железа, а в рёбрах решетки задерживаются отдельные атомы углерода. Получается перенасыщенный твёрдый раствор углерода в α- железе (мартенсит). Его решетка сильно искажена и напряжена. Такая термообработка называется закалкой, а закалённая деталь отличается большой твёрдостью и хрупкостью.

Для изготовления деталей машин такие стали не годятся из-за хрупкости. Для улучшения упругих свойств при некоторой потере твёрдости сталь подвергают еще одной термической процедуре – отпуску. Для этого деталь нагревают до 150 … 600 ^оС, выдерживают некоторое время при этой температуре, затем охлаждают на воздухе. В итоге часть атомов углерода покинет решетку α- железа, образуется некоторое количество карбида железа Fe₃C. Зёрна α- железа и карбида Fe₃C получаются мелкие. Такая сталь менее твёрдая, менее хрупкая, у неё меньше прочность, но она не боится ударов.

При медленном охлаждении от температуры 950^оС идут процессы нормализации и отжига. При нормализации – охлаждение детали на воздухе, при отжиге – вместе с печью. Улучшаются пластические, но заметно снижаются прочностные характеристики стали.

Легированные стали

Для улучшения свойств в сталь при плавке вводят другие металлы – никель, хром, марганец и др., а также некоторые неметаллы – бор, кремний и др. Эти элементы называют лигирующими. Они изменяют кристаллическую структуру сплава и температуры перехода из ОЦК в ГЦК и обратно.

При введении определённых количеств марганца и никеля можно получить стали, у которых при любых температурах от комнатной до температуры плавления устойчива решетка ГЦК. Так получают жаропрочные и нержавеющие стали.

Из легированных сталей делают резцы и фрезы, нержавеющие детали, детали с повышенной упругостью, стойкостью к ударам и абразивному износу.