РОЗДІЛ IV
ТЕРМІЧНА І Х1МІКО-ТЕРМІЧНА ОБРОБКА СТАЛІ
§ 8. Загальні відомості
Термічною обробкою називається сукупність операцій нагрівання, витримування і наступного охолодження заготовок або готових виробів за певними режимами для зміни їх структури і надання їм потрібних механічних, фізичних або хімічних властивостей. В основі термічної обробки сталей лежать перетворення, що відбуваються в них при нагріванні і охолодженні.
1. Перетворення в сталі при нагріванні. Нагрівання сталі до температур, нижчих від лінії PSK (точки Ас1), не супроводиться якими-небудь фазовими перетвореннями. Вони починаються лише при переході через точку Ас1, тобто коли перліт перетворюється на аустеніт. Це перетворення є процесом кристалізаційного типу. Зародження зерен аустеніту починається по краях феритних і цементитних часточок перліту (рис. 16). У наступні моменти ростуть раніше сформовані і зароджуються нові зерна аустеніту. Процес перетворення закінчується заповненням об'єму, який мав до цього перлітну структуру, безліччю дрібних зерен аустеніту. Тому структура евтектоїдної сталі при нагріванні вище від точки Ас1 складається тільки з аустеніту (рис. 17, 6). У структурі доевтектоїдної сталі при цій температурі поряд з аустенітом буде ще й надлишковий ферит (рис. 17, а), а в структурі заевтектоїдної сталі — цементит (рис. 17, в). При нагріванні до більш високих температур ферит і цементит розчинятимуться в аустеніті.

Вище від точок Ас3 і Аcm структура цих сталей складатиметься також з самого тільки аустеніту.

Дрібні зерна аустеніту, що утворилися при перліто-аустенітному перетворенні, з підвищенням температури зростають, особливо при температурах, вищих за точки Ас3 і Аcm. Явище надмірного укрупнення зерен сталі при нагріванні називають перегрівом.
Нагрівання сталі до температур, близьких до лінії солідус, супроводиться обплавленням і окисленням границь зерен, настає так званий перепал — непоправний дефект сталі. Така сталь характеризується дуже низькою ударною в'язкістю, тому не може бути використана як конструкційний матеріал і звичайно йде на переплавку.
2. Перетворення в сталі при охолодженні. Якщо сталь охолоджувати дуже повільно, то в ній утворюються рівноважні структури відповідно до діаграми залізо — вуглець. Аустеніто-перлітне перетворення при цьому відбувається при температурі 727 °С (точка Аг1). Починається воно формуванням зародків перліту, тобто також належить до процесів кристалізаційного типу.
Оскільки аустеніто-перлітне перетворення розвивається на поверхні зерен, то збільшення її площі приводить до збільшення кількості центрів кристалізації. Загальна поверхня зерен у полікристалічній речовині збільшується із зменшенням розміру самих зерен.

Рис. 18. Зміна розміру зерна перліту
Рис. 19. Залежність положення залежно від температури нагрівання критичних точок евтектоїдної сталі від швидкості охолодження.
Тому чим дрібніші зерна аустеніту в сталі при перетворенні, тим менші розміри утворюваних зерен перліту (рис. 18). І навпаки, з великих зерен аустеніту, зокрема в перегрітій сталі, утворюються великі зерна перліту. Крім того, при охолодженні перегрітої сталі феритні і цементитні виділення відповідно в доевтектоїдній і заевтектоїдній сталях набирають звичайно вигляду голок; таку структуру називають відманштеттовою.
Наявність відманштетової структури свідчить, що сталь була перегріта. Така сталь має погані механічні властивості — малі міцність і ударну в'язкість.
Із збільшенням швидкості охолодження фазові і дифузійні процеси в сталі сповільнюються, тому процес перетворення аустеніту розвивається інакше. В результаті утворюються нерівноважні (метастабільні) структури і сталь набуває інших властивостей.
Розглянемо процес перетворення аустеніту в евтектоїдній сталі при різних швидкостях безперервного охолодження.
При повільному охолодженні аустеніт зберігається до температури 727° С (точка Аг1). Збільшення швидкості охолодження спричинює зниження критичної точки Аг1, тобто переохолодження аустеніту до температур, нижчих за 727° С, які позначають точкою Аг` (рис. 19).
При охолодженні сталі з швидкістю, близькою до 1 град/сек, аустеніт переохолоджується мало і розпадається з утворенням рівноважної перлітної структури твердістю НВ 180—250.
Збільшення швидкості охолодження до 10 град/сек веде до більшого переохолодження аустеніту. У цих умовах він розпадається з утворенням також ферито-цементитної суміші, проте більш дисперсної, ніж перліт. Таку структуру називають сорбітом (С). Середньовуглецева сталь з такою структурою має твердість НВ 250—300 і ударну в'язкість а„ = 0,8—1,2 МДж/м2 (8—12 кГ-м/см2).

Коли швидкість охолодження близька до 100 град/сек, аустеніт розпадається при глибшому переохолодженні з утворенням дуже дрібних, невидимих в оптичний мікроскоп часток фериту і цементиту. Таку структуру називають трооститом (Т). Твердість її досягає НВ 350—400, а ударна в'язкість знижується до 0,2—0,3 МДж/м2 (2—З кГ-м/см2).
З дальшим збільшенням швидкості охолодження до 200 град/сек частина аустеніту в точці Аг` перетворюється на троостит, а частина переохолоджується до нижчої температури Аг`` (Мп) і потім перетворюється на мартенсит (М). Тому структура сталі (рис. 20, а) після охолодження з такою швидкістю складається з трооститу (темні, ділянки) і мартенситу (світлі ділянки з характерною голчастою будовою).
При швидкості охолодження, більшій за 200 град/сєк, аустеніт переохолоджується до точки Аг`` (Мп) і потім повністю перетворюється на мартенсит (рис. 20,6). Температура ж мартенситного перетворення (рис. 19) Аг`` (Мп) не залежить від швидкості охолодження. Для евтектоїдної вуглецевої сталі вона становить 240° С.
Аустеніто-мартенситне перетворення супроводиться тільки перегрупуванням атомів з ?– в ?–гратку. При цьому весь вуглець залишається в ?–гратці, утворюючи пересичений твердий розчин в ?–залізі — мартенсит. Внаслідок великого спотворення кристалічної гратки твердість мартенситу досягає НВ 600—650, а ударна в'язкість знижується приблизно до 0,1 МДж/м2 (1 кГ-м/см2). Твердість мартенситу спочатку різко зростає із збільшенням вмісту вуглецю до 0,5%, а потім підвищується мало.
Мінімальна швидкість охолодження, при якій у сталі відбувається тільки мартенситне перетворення, називається критичною швидкістю охолодження vкр. У розглядуваному випадку vкр =200 град/сек.
Повніше уявлення про кінетику розпаду аустеніту дає так звана діаграма ізотермічного перетворення аустеніту, тобто перетворення при сталій температурі (рис. 21).
Рис. 21. Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту в евтектоїдній сталі.
Для її побудови серію зразків з досліджуваної сталі (наприклад, евтектоїдної) нагрівають вище від точки Аcm, щоб мати однорідний аустеніт. Потім по два–три зразки з серії охолоджують до заданих температур у розплавлених солях і за допомогою спеціальних методів визначають при цих температурах початок і кінець розпаду аустеніту в кожному з них. Позначивши результати цього перетворення на полі діаграми і сполучивши плавними кривими точки початку і закінчення перетворень, дістають дві С–подібні криві, які відображають початок і кінець ізотермічного перетворення аустеніту при різних температурах, тобто залежно від ступеня його переохолодження. Ізотермічне перетворення аустеніту починається через деякий проміжок часу, який визначається мірою його переохолодження. Спочатку цей період зменшується до деякої критичної величини т, а потім знову збільшується.
Криві охолодження будують у тих самих координатах, що й діаграму ізотермічного перетворення аустеніту. Якщо припустити, що зниження температури при охолодженні пропорційне часу, то криві охолодження стають прямими і в такому вигляді можуть бути нанесені на діаграму ізотермічного перетворення аустеніту. Зрозуміло, що кут нахилу цих прямих до осі абсцис із збільшенням швидкості охолодження також збільшується. Отже, при швидкостях охолодження v1 < v2 < v3, коли відповідні прямі перетинають верхні відрізки кривих початку і кінця аустенітного перетворення, у сталі утворюються ферито-цементитні суміші (перліт, сорбіт, троостит).
При швидкості охолодження v6 аустеніт переохолоджується без змін до температури Мп і потім перетворюється на мартенсит. Те саме відбувається і при меншій швидкості v5. Мінімальною швидкістю охолодження, яка забезпечує утворення в сталі тільки мартенситу, є швидкість v4. Отже, швидкість охолодження v4 — критична. З цього випливає, що чим далі праворуч від осі ординат лежить на діаграмі крива початку розпадання аустеніту в сталі певного складу (чим більше ?), тим стійкіший аустеніт, тим при меншій швидкості охолодження можна дістати мартенситну структуру.
Перетворення аустеніту на мартенсит відбувається не при сталій температурі, а в інтервалі температур: починається в точці Мп і закінчується в точці Мк. Для евтєктоїдної вуглецевої сталі точка Мк відповідає температурі мінус 50° С. Тому при охолодженні до кімнатної температури аустеніто-мартенситне перетворення в цій сталі повністю не закінчується і в її структурі поряд з ма