Для определения критических точек сталей рассмотрим «стальную часть» диаграммы на рисунке 1. Сечение I здесь соответствует доэвтектоидной стали (С < 0,8 %). Там, где сечение пересекает линии диаграммы и будут критические точки. При нагревании сечение пересекает пунктирную линию, которая проходит через всю диаграмму от линии PQ до правой ординаты, буквенного обозначения она не имеет, ее температура – 210°С – это критическая точка Ас0 – магнитное превращение цементита (цементит теряет магнитные свойства). Затем сечение пересекает линию PSK, температура – 727°С, критическая точка Ас1 – превращение перлита в аустенит (начало перекристаллизации). Далее сечение пересекает линию МО, температура – 768°С (точка Кюри), точка Ас2 – превращение железа-альфа в немагнитное бета-железо, сталь становится немагнитной. Дальнейшее повышение температуры приводит к пересечению линии GS – точка Ас3, сталь переходит в однофазное аустенитное состояние (конец перекристаллизации).
Температура точки Ас3 зависит от содержания углерода в стали, поскольку линия диаграммы GS наклонная.
При охлаждении номера точек не меняются. В точке Аr3 (линия GS) начнется перекристаллизация стали, в точке Аr2 (768°С) бета-железо переходит в магнитное альфа-железо, в точке Аr1 (727°С) аустенит переходит в перлит и заканчивается перекристаллизация стали, а в точке Ar0 цементит становится магнитным. Следовательно, доэвтектоидные стали имеют критические точки А0, А1, А2 и А3.
У заэтектоидных сталей С > 0,8-2.4 % (сечение II на рис. 24). При температуре 210°С в точке Ас0 цементит теряет магнитные свойства. Дальнейший нагрев вызывает превращение перлита в аустенит в точке Ас1, температура – 727°С (начало перекристаллизации). Затем сечение пересекает линию диаграммы ES. На этой линии перекристаллизация заканчивается и происходит переход стали в однофазное аустенитное состояние. Точка на линии ES номера не имеет, она обозначается буквой m (Асm). Температура этой точки зависит от содержания углерода в стали. Следовательно, заэвтектоидные стали имеют три критические точки: А0, А1 и Аm.
Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что эвтектоидные стали (углерода 0,8 %) будут иметь две критические точки: А0 и А1 (см. рис. 1).
Термическая обработка металлов и сплавов – это технологический процесс, связанный с нагревом и охлаждением, вызывающий изменение структуры сплава и, как следствие этого, изменение его свойств.
При нагреве стали выше критической точки PSK (727оС) перлит переходит в аустенит. В каждом зерне перлита образуется несколько зерен аустенита. Следовательно, при переходе через точку Ас1 происходит измельчение зерна стали.
В процессе охлаждения, когда аустенит переходит в перлит, размеры зерна не изменяются. Какими были зерна аустенита, такими будут и зерна перлита. Зерно стали, полученное в результате той или иной обработки, называется действительным. Все свойства стали зависят только от размеров действительного зерна.
Стали с мелкозернистой структурой имеют более высокую динамическую и усталостную прочность, низкий порог хладноломкости. Укрупнение зерна в результате высокотемпературного нагрева (перегрев стали) в 2 – 3 раза снижает ударную вязкость и предел выносливости, повышает порог хладноломкости.
В большинстве случаев решающая роль в получении заданной структуры и свойств стали принадлежит охлаждению. Переохлаждение аустенита до температуры 700 – 550оС приводит к образованию эвтектоидной смеси феррита и цементита различной дисперсности.
При малой степени переохлаждения (700 – 650оС) образуется перлит с твердостью 180 – 250 НВ. С увеличением скорости охлаждения и степени переохлаждения количество ферритоцементитных пластинок увеличивается, а их размеры и расстояния между ними уменьшаются. При переохлаждении до 650 – 600оС образуется дисперсная структура – сорбит (твердость 250 – 350 НВ), а до 600 – 550оС – мелкодисперсная структура – троостит (350 – 450 НВ).
Если нагретую до аустенитного состояния сталь переохладить до 250 – 150оС (в каком-либо охладителе), то произойдет перестройка решетки гамма-железа в альфа-железо. Решетка альфа-железа будет искажена углеродом и станет тетрагональной. Такой пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе называется мартенсит – основная структура закаленной стали. Его твердость – 62 – 64 HRC (600 – 660 НВ).
Термическую обработку разделяют на предварительную и окончательную. Предварительной обработке – отжигу или нормализации – подвергают в основном заготовки (поковки, отливки) для улучшения их обрабатываемости, снижения твердости, исправления структуры и т. д. Окончательной обработке – закалке с отпуском – подвергают готовые детали для получения свойств, необходимых в эксплуатации.