В твердом состоянии сталь является поликристаллическим телом, состоящим из множества кристаллов – зерен.
При содержании углерода до 0,8% сталь, называемая доэвтектоидной, состоит из феррита и перлита.
Феррит – почти чистое железо, углерода в нем ~0,01%, мягкий, пластичный.
Перлит – механическая смесь феррита и цементита.
Цементит – карбид железа Fe2C с содержанием углерода до 6,67%, твердый, хрупкий.
Перлит имеет промежуточные свойства. Чем в стали меньше углерода, тем меньше перлита. В связи с этим, стали с содержанием углерода меньше 0,3% считают мягкими.
Если содержание углерода в пределах от 0,3 до 0,6% – средней твердости.
При содержании углерода более 0,6% – твердыми.
При содержании углерода в стали 0,88%, сталь представляет собой очень мелкую и равномерную дисперсную смесь кристаллов, образовавшихся при постоянной и самой низкой температуре кристаллизации. Сталь с такой структурой называется эвтектоидной или перлитной.
Температура плавления стали как сплава ниже температуры плавления чистого железа и тем ниже, чем больше углерода.
Температура кристаллизации стали с содержанием углерода меньше 0,8% или больше 0,8% в меньшей или большей степени выше, чем для стали с содержанием углерода 0,8%. Соответственно имеют место разные структуры, а потому каждой марке стали соответствует своя температура термообработки, которую строго надо выдерживать.
При нагревании стали от 723°Сдо 910°С перлит превращается в крупнозернистый аустенит и, чем выше нагрев, тем крупнее зерна аустенита, при этом из него выделяется цементит.
При быстром охлаждении нагретой стали в воде получается твердая, но хрупкая структура мартенсита, которая при отпуске после закалки переходит в менее твердые, но прочные и упругие структуры тростита или более вязкого и пластичного сорбита, в зависимости от степени нагрева.
Каждой марке стали соответствует определенная скорость закалки. Чем меньше в стали углерода и легирующих элементов, тем выше должна быть скорость охлаждения, поэтому закалку проводят в холодной воде. Наоборот, чем выше содержание углерода и легирующих элементов, тем скорость охлаждения должна быть ниже. Поэтому охлаждают сталь в масле или, даже, на воздухе. Стали с содержанием углерода менее 0,2% закалку не принимают.
Излишне высокая температура нагрева при термической обработке (отжиге, нормализации, закалке) может привести к получению крупного зерна аустенита. Крупнозернистой такая сталь окажется и после ее охлаждения.
Такая крупнозернистая сталь называется перегретой, а излишне высокая температура – перегревом.
Перегретая сталь обладает пониженными механическими свойствами, особенно снижается при этом ударная вязкость.
Если при более высоких температурах имеет место доступ кислорода, то происходит пережог, а сталь становится пережженной.
Пережог, в отличие от перегрева стали, порок неустранимый, во избежание пережога наибольший нагрев стали должен быть на 150-200°С ниже температуры плавления. которая, например, для стали Ст15 – 1485°C, нержавеющей стали 12Х18Н9Т – 1400°С, железа – 1536°C, а серого чугуна – 1200°С, т. е. очень зависит от содержания углерода и легирующих элементов. Следовательно, не зная химического состава и не имея прибора для замера температуры, нельзя заниматься термообработкой стали.
Термическая обработка стали
Термическую обработку производят для изменения структуры и получения необходимых свойств и механических характеристик.
Отжиг – термическая обработка для получения мелкозернистой перлитной структуры, повышения пластичности, устранения наклепа и внутренних напряжений.
Нагрев СтЗ-Ст5 до 860-900°С, Ст6-Ст7 до 800-840°С, далее выдержка и медленное (вместе с печью) охлаждение.
Зернистый перлит может быть получен длительным нагревом стали при 680-700°С с последующим медленным охлаждением.
Нормализация – нагрев стали до температуры отжига и охлаждение на воздухе для получения более высокой прочности и твердости, чем при отжиге на мелкое зерно.
Закалка – нагрев до 780-950°С, выдержка с последующим охлаждением в воде или в масле для повышения прочности, твердости, износостойкости. Следом за закалкой, как правило, производят отпуск.
Каждый тип и марка стали имеют свою температуру закалки и охлаждающую жидкость. Некоторые легированные стали закаливают даже на воздухе.
От времени выдержки стали при высокой температуре и от ее прокаливаемости зависит глубина закаленного слоя.
Дефекты закалки такие как недостаточная твердость, мягкие места, перегрев, коробление, трещины, обезуглероживание в результате окисления в печи – результат неверных технологий и отступления от регламента.
Отпуск – нагрев закаленной стали до температуры не выше 723°С с медленным охлаждением для уменьшения внутренних закалочных напряжений, придания пластичности и вязкости.
Низкий отпуск – при температуре 150-250°С с медленным охлаждением. Повышает вязкость без снижения твердости.
Средний отпуск – при температуре 350-450°С для обеспечения высоких упругих свойств при достаточной вязкости, например, для пружин.
Высокий отпуск – при температуре 450-650°С снижает закалочные напряжения, дает прочность, вязкость после закалки с высоким отпуском. Высокий отпуск улучшает сталь, повышает ударную вязкость.