1.2. Закалка

Рисунок 7. Зависимость твердости стали в зависимости от содержания углерода и температуры закалки: 1- нагрев выше Ас3, 2- нагрев выше Ас1, 3- твердость мартенситной структуры (по А.П.Гуляеву)

Закалкой с полиморфным превращением сталей называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше критической точки Ac₃ (доэвтектоидные и эвтектоидные), выдержке при заданной температуре с последующим быстрым охлаждением, обеспечивающим получение неравновесной структуры. Основная цель закалки стали – получение высокой твердости, прочности и износостойкости. Высокая твердость в стали достигается переохлаждением аустенита до температуры ниже мартенситного превращения. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с тетрагональной кристаллической решеткой, называемой мартенситом. Содержание углерода в мартенсите вследствие отсутствия диффузионных процессов такое же, как и в исходном аустените. Мартенсит является продуктом бездиффузионного распада аустенита. Характерным признаком мартенситного превращения сталей является полиморфное превращение, при котором происходит изменение элементарной ячейки аустенита в элементарную ячейку мартенсита. Свойства мартенсита различаются при изменении содержания углерода в стали (рисунок 7).

При выборе условий закалки стараются обеспечить возможно более полное получение мартенситной структуры. Излишний нагрев заэвтектоидных сталей выше Аc₁ нецелесообразен, поскольку твердость получающейся структуры снижается, а деформация возрастает. При нагреве под закалку заэвтектоидных сталей необходимо обеспечить получение зернистой структуры цементита. Поэтому перед закалкой сталь подвергают нормализации или сфероидизирующему отжигу.

1.3. Отпуск

Отпуском стали называется операция термической обработки, при которой сталь нагревается ниже Ac₁, выдерживается при этой температуре и затем охлаждается. Отпуск является заключительной операцией термической обработки сталей, отпуск проводится сразу после закалки сталей с целью уменьшения внутренних напряжений, возникших при закалке, повышения пластичности и получение необходимых физико-механических свойств изделий.

Структура закаленной стали, состоящей из мартенсита и остаточного аустенита, а в заэвтектоидной стали, кроме того, вторичного цементита, является неустойчивой. Нагрев стали при отпуске облегчает переход из метастабильного состояния пересыщенного α-твердого раствора в более устойчивое. При отпуске с повышением температуры в закаленной стали происходит выделение углерода из мартенсита, что сопровождается уменьшением тетрагональности кристаллической решетки, образование и коагуляция частиц цементита. При низких температурах отпуска образуется метастабильный карбид, отличный от цементита. В технической литературе он обозначается как ε-карбид и имеет формулу, близкую Fe₂C. При температурах 300 – 400 ºС происходит превращение ε → Fe₃C. В зависимости от температуры нагрева формируются следующие структуры: мартенсит, троостит и сорбит отпуска, при этом соответственно изменяются механические свойства стали (рисунок 8).

Рисунок 8. Механические свойства стали марки 40 от температуры отпуска

Как видно из этого рисунка с повышением температуры отпуска предел прочности (σ_в) и твердость (HB) понижаются, а пластичность (δ) и ударная вязкость (KCU) повышаются. В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к изделиям, на практике применяют следующие виды отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск (150 – 250°C) применяется для изделий, где требуется высокая твердость (НRС 56 – 64) и износостойкость. При низком отпуске сохраняется вы­сокая твердость, снижаются внутренние напряжения и несколько повышается вязкость стали. Свойства стали после отпуска зависят не только от температуры нагрева, но и от продолжительности выдержки. Низкий отпуск применяется для калибров, шаблонов, метчиков, зубил, клейм, штампов холодного деформирования, волочиль­ных колец, изделий из цементуемых сталей.

Структура стали после отпуска – отпущенный мар­тенсит чаще всего игольчатого строения.

Средний отпуск (300 – 400°C) обеспечивает в изделиях относительно высокую твердость (НRС 40 – 54) и максимальный предел упругости при достаточном пределе прочности. Этот вид отпуска чаще всего приме­няют при изготовлении рессор и пружин.

Структура изделий после такого отпуска – троостит зернистого строения.

Высокий отпуск (500 – 650°C) применяется для деталей, от которых требуется определенное сочетание прочности (σ_в = 80 – 100 кг/мм²), ударной вязкости и твердости. Этот отпуск применяют при изготовлении ша­тунов, ответственных крепежных изделий и деталей ма­шин, изготовляемых из конструкционных сталей.

Термическую операцию – закалку с высоким отпус­ком – называют улучшением. Структура стали в терми­чески улучшенном состоянии – сорбит зернистого строения.