2. Основы теории термической обработки

2.1. Превращения в стали при нагревании

Почти все виды термической обработки стали включают в себя нагрев до аустенитного состояния. Условия образования аустенита в углеродистых сталях определяются с помощью диаграммы состояния Fе – Fе_зС (рис. 1).

Однородный аустенит в доэвтектоидных сталях получается при нагреве выше критических то­чек А_с (точка GS), в эвтектоидной - выше критической точки А_с (точка 5), в заэвтектоидных - выше критических точек А_ст (линия SE).

До температуры А_с (727 °С) доэвтектоидная сталь состоит из зерен перлита и феррита. В точке А_с перлит превращается в мелкозернис­тый аустенит. В интервале температур от А_с до А_с феррит растворяется в аустените. При температуре А_с фазовая перекристаллизация заканчивается и весь феррит оказывается растворенным в аустените.

При нагреве эвтектоидной стали перлит при температуре точки А_с превращается в мелкозернистый аустенит.

Превращение заэвтектоидной стали при нагреве также начинается с образования аустенита из перлита при температуре точки А_с . Затем в интервале А_с  – А_ст происходит растворение вторичного цементита в аустените, и последний обогащается углеродом от 0,8 % до концентрации, соответствующей данной заэвтектоидной стали. При температуре выше А_ст превращение заканчивается и вся сталь имеет структуру мелкозернистого аустенита.

2.2. Рост зерна

После образования зерен аустенита начинается их рост, причем с повышением температуры скорость роста зерен резко увеличивается. Рост зерен объясняется стремлением системы к снижению поверхностной энергии (чем крупнее зерна, тем меньше суммарная поверхность, следовательно, тем меньше поверхностная энергия).

При превышении допустимых температур зерно аустенита резко увеличивается; это явление называется перегревом. При более высоких температурах укрупнение зерна аустенита сопровождается окислением границ зерен. Такое явление называется пережогом. От размеров зерен аустенита зависят и размеры ферритных и перлитных зерен после охлаждения стали. Крупное зерно аустенита способствует образованию при охлаждении крупных перлитных зерен и крупных выделений феррита по границам и, как следствие, приводит к снижению механических свойств (падению ударной вязкости). Мелкозернистые стали обладают более высокими механическими свойствами.

С тали бывают наследственно мелкозернистые и на­следственно крупнозернистые. Первые характеризуются малой склонностью к росту зерна при нагреве, вторые - повышенной склонностью. Склонность стали к росту зерна зависит от её состава. Заэвтектоидная сталь, как правило, менее чувствительна к росту зерна, чем эвтектоидная. Ванадий, титан, вольфрам и некоторые другие элементы, вводимые в сталь, уменьшают склонность аустенита к росту зерна. Имеет значение способ производства стали и её раскисления. Сталь, раскисленная только ферромарганцем или ферросилицием, является наследственно крупнозернистой. Сталь, дополнительно раскисленная алюминием, является наследственно мелкозернистой. Последнее обусловлено образованием мельчайших нитридов и оксидов алюминия, устойчивых при высоких температурах. Эти вклю­чения играют роль «барьеров», препятствующих росту зерна. На рис. 2 представлена схема роста зерна при нагревании наследственно крупно- и мелкозернистой стали.

На свойства стали влияет величина действительного зерна, т. е. зерна, полученного в стали в результате данной термиче­ской обработки. Если у наследственно крупнозернистой и на­следственно мелкозернистой стали одной марки в результате различных режимов термической обработки получены одинаковые размеры действительного зерна, то и свойства этих сталей будут одинаковыми.