Термическая обработка стали. Термической (тепловой) обработкой стали называется изменение ее структуры, а следовательно, и свойств, достигаемое нагреванием до определенной температуры, выдерживанием при этой тем­пературе и охлаждением с заданной скоростью. Термическая обработка стали — важнейшая операция в технологии стали; она может очень сильно изменить свойства стали. Ей подвергают как готовые изделия, главным образом инстру­менты и детали машин, так и полуфабрикаты, например, отливки, прокат.

Применяются различные виды термической обработки, придающие стали различные свойства. Важнейшими являются закалка и отпуск.

Закалка осуществляется нагреванием стали до температуры, несколько превышающей температуру превращения перлита в аустенит, выдержкой при этой температуре и быстрым охлаждением. Закалка придает стали твердость, прочность, но в то же время делает ее хрупкой. Поэтому закаленную сталь обычно подвергают еще одной операции — отпуску. Он состоит в нагревании стали до температуры, при которой еще не дости­гается превращение в аустенит, выдержке при этой температуре и сравнительно мед­ленном охлаждении. Отпуск — конечная операция термической обработки. В результате закалки и отпуска, проводимых по заданному режиму, сталь получает требуемые механические свойства.

Что представляют собой те процессы, которые протекают в стали при закалке и отпуске? Для ответа на этот вопрос вспомним диаграмму состояния системы Fе—С. приведена часть этой диаграммы, отвечающая содержанию угле­рода до 2,14% и температуре до 1147°С. При нагревании стали эвтектоидного соста­ва (0,8% углерода) перлит при 727 °С пре­вращается в аустенит. При нагревании стали, содержащей меньшие количества углерода, например, 0,4% (структура такой стали состоит из перлита и феррита), при 727 °С перлит превращается в аустенит с

0,8% углерода (точка / на рис. 173), а при дальнейшем нагревании феррит по­степенно растворяется в аустените; содержание углерода в аустените при этом уменьшается в соответствии с линией 50. По достижении точки 2 феррит ис­чезает, а концентрация углерода в аустените становится равной его общему со­держанию в стали.

Аналогично протекают превращения в случае стали, содержащей большие количества углерода, например, 1,4%. Такая сталь состоит из перлита и цемен­тита. При 727 °С перлит превращается в аустенит, содержащий 0,8% углерода (точка 3), а при дальнейшего нагревании цементит растворяется в аустените. По достижении точки 4 цементит исчезает, а содержание углерода в аустените становится равным 1,4%.

Таким образом, первый этап закалки—нагревание сопровождается перехо­дом стали в состояние аустенита. Диффузия атомов даже при высоких темпе­ратурах происходит в твердом теле далеко не мгновенно. Для полноты превра­щения сталь выдерживают некоторое время при температуре, немного превы­шающей соответствующую точку на линии GS или SЕ.

Процессы, протекающие при медленном охлаждении аустенита, обратны только что рассмотренным. Но при быстром его охлаждении эти процессы, свя­занные с диффузией атомов углерода и железа, не успевают происходить. В ре­зультате сталь оказывается в неравновесном состоянии.