Твердость углеродистой стали

Твердость углеродистой стали зависит от многих различных факторов, включая содержание углерода, количество и тип других элементов в сплаве, а также особенности технологии создания стали. Низкоуглеродистые стали, которые содержат от 0,05 до 0,25 % углерода, обычно они являются самыми мягкими. Они могут быть упрочнены с помощью процесса, которые называется цементацией или науглероживанием.

Высокоуглеродистые стали, которые содержат углерода до 2 %, обычно являются самыми твердыми, их конечная твердость зависит от режима их термической обработки. Закалка может увеличить твердость углеродистой стали в четыре раза, а последующий отпуск стали снижают ее твердость до заданного уровня.

Углеродистые стали

Углеродистые стали являются сплавом, который состоит в основном из железа и углерода. Другие элементы также могут присутствовать, но обычно в очень малых количествах. Например, такие элементы как кремний и медь присутствуют в углеродистых сталях в количестве не более 0,6 %. Некоторые углеродистые стали могут содержать до 1,6 % таких элементов как марганец.

Выше углерод – тверже сталь

Главный фактор, которые определяет твердость углеродистой стали – это содержание углерода в стали. Низкоуглеродистые стали обычно мягкие, тогда как высокоуглеродистые стали могут быть очень твердыми и хрупкими. Физические свойства углеродистых сталей можно изменять с помощью различных обработок и, тем самым,  повышать или понижать твердость.

Цементация низкоуглеродистой стали

Хотя низкоуглеродистая сталь является относительно мягкой, с помощью процесса, которые называется цементацией, ее можно сделать значительно тверже. Этот процесс термической обработки буквально заставляет сталь поглощать углерод из твердой, жидкой или газообразной среды богатой углеродом. Обычно углерод поглощается только поверхностным слоем стали. Это дает очень твердый поверхностный слой детали, что полезно, например, для износостойкости. Сердцевина детали остается малоуглеродистой и поэтому пластичной и вязкой. Это весьма благоприятно для надежности и стойкости к хрупкому разрушению для детали в целом

 Твердая цементация стали

При твердой цементации детали укладывают в ящик с карбюрозатором. Карбюрозатор – это науглераживающее вещество, обычно древесный уголь с различными добавками. При температуре 900-950 º кислород воздуха соединяется с углеродом древесного угля с образованием окиси углерода. При соприкосновении с железом оксиь углерода разлагается на углекислый газ и атомарный углерод, который и поглощается поверхностью детали. Твердая цементация применяется в мелкосерийном и единичном производстве, например, в сельских кузницах.

Газовая цементация стали

При массовом производстве основным процессом является газовая цементация. Ее проводят в стационарных или непрерывно действующих (методических) печах. Цементирующими газами являются окись углерода и газообразные углеводороды – метан, этан, пропан, бутан, а также просто природный газ.

Закалка и отпуск высокоуглеродистой стали

Высокоуглеродистые стали обычно обладают высокой твердостью уже как бы сами по себе. Однако процесс закалки может сделать их значительно тверже, хотя при этом они становятся более хрупкими. Поэтому закалку почти всегда совмещают с отпуском. В результате отпуска твердость стали снижается, а пластичность повышается.

После отжига, нормализации или отпуска углеродистая сталь состоит из феррита, свободного и пластинчатого, и включений карбидов (цементита). Феррит обладает низкой прочностью и высокой пластичностью. Цементит же имеет очень высокую твердость (около 800 НВ) и практически нулевую пластичность. При малом количестве цементитных включений пластическая деформация развивается относительно легко и твердость стали поэтому невысока.

Твердость мартенсита

При закалке стали образуется мартенсит. Высокая твердость мартенсита объясняется тем, что элементарные кристаллические ячейки его искажены. Это затрудняет пластическую деформацию и образование сдвигов. Чем больше углерода в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки мартенсита и выше его твердость. Так, мартенсит в стали, содержащей 0,1 % углерода, имеет твердость примерно 30 HRC, а при 0,7 % углерода – 64 HRC.

 Влияние отпуска на твердость стали

Обычно заключительной операцией термической обработки стали является отпуск. Отпуск придает стальному изделию окончательные свойства. Изменения твердости при отпуске происходит за счет изменений в строении структуры стали. При нагреве выше 100 ºС твердость падает вследствие укрупнения карбидных частиц и обеднения углеродом твердого альфа-раствора.

Общая тенденция состоит в том, что твердость с повышением температуры отпуска падает, также как и другие показатели прочности (временное сопротивление и предел текучести), тогда как показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение) возрастают.