Короткі теоретичні відомості

При нагріванні або охолодженні в металах і сплавах відбуваються структурно-фазові перетворення. Температури, за яких відбуваються ці перетворення, прийнято називати критичними температурами або критичними точками. Знання критичних точок потрібне не тільки для характеристики перетворень, але і для виконання теплової обробки і, зокрема, встановлення режимів термічної обробки (температури нагрівання для відпалювання, нормалізації, гартування і високого відпускання). Положення критичних точок у сталях залежить від їхнього хімічного складу, зокрема від кон­центрації вуглецю, а також від наявності легувальних елементів. На діаграмі стану залізо-цементит (див. рис. 10.1) критичні точки сталей характеризуються лініями: лінія PSK – відповідає критичним точкам А_С1, якщо перетворення відбуваються при нагріванні і А_r1 – при охолодженні, лінія GS - А_С3 – при нагріванні і А_r3 – при охолодженні (для доевтектоїдних сталей), лінія SE - А_сm (для заевтектоїдних сталей). Температури гартування і відпалювання вибирають звичайно на 30…60°С вище А_С3 для доевтектоїдної і на 30…50°С вище А_С1 для заевтектоїдної вуглецевої сталі.

Однак діаграма залізо-цементит характеризує стан лише чистих залізо-вуглецевих сплавів, але в промислових сплавах перебувають, крім того, Mn, Si, P і S (а також у незначній кількості Cr, Ni і ін.). У вуглецевих сталях вплив цих домішок на положення критичних точок незначний, що і дозволяє з деяким наближенням визначати температури для проведення термічної обробки за діаграмою залізо-цементит. Зі збільшенням у них вмісту марганцю (більше 0,7…0,8 %) або кремнію (більше 0,5…0,6 %) або при введенні до їхнього складу інших легувальних елементів (Cr, Ni і ін.) положення критичних точок³ значно змінюється і визначення їх за діаграмою залізо-цементит або за потрійною діаграмою залізо-цементит-легувальний елемент для сталі, що містить декілька легувальних елементів, стає неможливим.

Унаслідок відсутності діаграм ряду багатокомпонентних систем для призначення режимів термічної обробки потрібне експериментальне визначення критичних точок – областей перетворень⁴. Для широкого застосування сталей критичні точки визначені і вказані в технічній літературі і довідниках. Однак критичні точки різних плавок можуть дещо відрізнятися, особливо для складнолегованої сталі при відхиленні у вмісті окремих елементів від середнього складу. На заводах, для визначення режиму термічної обробки легованої сталі різних плавок, попередньо визначають критичні точки. Вони особливо необхідні для сталей з новим хімічним складом. Для їхнього визначення застосовують дилатометричний і диференціально-термічний методи, метод пробних гартувань, а також метод вимірювання електроопору. Застосування дилатометричного і диференціально-термічного методів забезпечує високу точність. Найбільш простим, але менш точним є метод пробних гартувань. Суть його в тому, що із досліджуваної сталі виготовляють зразки у вигляді шайб діаметром 15…20 мм і висотою 12…15 мм. Один зразок нагрівають нижче передбачуваної температури А_С1, швидко охолоджують у воді і вимірюють його твердість; другий зразок нагрівають на 10…15°С вище, також охолоджують і вимірюють його твердість. Таким же чином нагрівають до все більш високої температури кожний наступний зразок. Припустимо, що потрібно визначити критичні точки А_С1 і А_С3 доевтектоїдної вуглецевої сталі; положення цієї сталі на діаграмі стану залізо-цементит (без урахування впливу домішок) показано вертикальною лінією (рис. 13.1). Очевидно, що нагрівання нижче точки А_С1, наприклад, до т.1, не може змінити структуру й підвищити твердість; остання може навіть трохи понизитися, якщо сталь була попередньо недостатньо відпущена або відпалена.

Рис. 13.1. Стальний кут діаграми залізо-цементит (область перетворень у твердому стані)

Рис. 13.2. Діаграма для визначення критичних точок доевтектоїдної сталі способом пробних гартувань

Однак твердість зростає, якщо сталь нагріти трохи вище А_С1, наприклад, до температури, що відповідає т.2 (рис. 13.1), а потім охолодити у воді. Структура в цьому разі зміниться; сталь одержить структуру ферит + аустеніт. У результаті швидкого охолодження в сталі сформується структура ферит + мартенсит, оскільки аустеніт при охолодженні перетвориться в мартенсит. А ферит, що зберігся при нагріванні до т.2, залишиться при охолодженні без структурних змін. Утворення більш твердої складової мартенситу підвищує твердість.

Після більш високого нагрівання, наприклад, до т.3 (рис. 13.1), твердість ще більше збільшиться, оскільки з підвищенням температури в інтервалі А_С1…А_С3 кількість аустеніту зростає, а кількість фериту зменшується. У зв’язку з цим у загартованій сталі повинна збільшуватися кількість більш твердої складової – мартенситу⁵. Підвищення твердості повинне тривати доти, поки не буде досягнута температура А_С3. Тоді сталь при нагріванні одержує повністю аустенітну структуру, а при охолодженні – структуру мартенситу. Очевидно, що подальше підвищення температури гартування не змінить структуру сталі і її твердість у загартованому стані⁶. Результати вимірювання твердості записують у таблицю, за даними якої будують криву в координатах твердість – температура нагрівання. Вигляд такої кривої для доевтектоїдної сталі зображено на рис. 13.2: температура початку підвищення твердості відповідає точці А_С1, а кінця підйому – точці А_С3.

Криві для евтектоїдної і заевтектоїдної сталі мають інший хід. При нагріванні нижче А_С1 ці сталі, як і доевтектоїдні, не змінюють структуру, але при нагріванні вище точки А_С3 евтектоїдна сталь одержує структуру аустеніту, а заевтектоїдна – аустеніт + цементит. Після загартування евтектоїдна сталь має структуру мартенситу; заевтектоїдна – мартенситу й цементиту. Ці структурні стани визначають високу твердість (> 60 HRC). Ще більш високе нагрівання мало змінює твердість, крива твердості на діаграмі має у зв'язку із цим різкий перелом, що відповідає температурі А_С1 .

Точність способу пробних гартувань залежить від величини інтервалу температур нагрівання кожного наступного зразка. У промисловості для визначення температур загартування досить надійне нагрівання через кожні 10°С, причому до кожної температури нагрівають два – три зразки. Точність визначення критичних точок у цьому разі становить приблизно ±5°С. Така точність є достатньою для практичних цілей, наприклад, при визначенні температур для проведення термічної обробки деталей машин і конструкцій, але не є достатньою при вивченні діаграм стану й для багатьох дослідницьких робіт.