Роль углерода в упрочнении стали

Содержание углерода в стали является главным «ключом» при упрочнении стали путем ее нагрева и быстрого охлаждения – закалки. Именно содержание углерода определяет максимальный уровень твердости, которые может быть достигнут в стали. Влияние содержания углерода на достижимую твердость показано на рисунке 1.

tverdost-stali-uglerodaРисунок 1 – Зависимость максимальной твердости стали в зависимости от содержания в ней углерода

Максимальная твердость в стали

Максимальная твердость требует только 0,60 %% углерода, что может показаться странным. Из диаграммы состояния железо-цементит было бы логично предположить, что твердость должна возрастать, пока содержание углерода не достигнет                  0,77 %.Однако, как мы видим на рисунке 1, существенного увеличения твердости после содержания углерода 0,60 % не наблюдается. Не смотря не эту странность, эти данные совершенно надежны и легко воспроизводятся на очень тонких образцах углеродистой стали.

Эти данные на рисунке 1 настолько точные, что часто применяются для обратной задачи, а именно – быстрого определения содержания углерода в неизвестной стали. Для этого отрезают тонкие образцы этой стали, нагревают до температуры выше температуры превращения в стали, закаливают их в воде и по уровню твердости оценивают содержание углерода в стали.

Если уровень твердости в образце около 50 HRC, то содержание углерода в стали составляет около 0,20 %, при твердости около 60 HRC – 0,40 %. Очевидно, что этот метод не работает при твердости выше 60 HRC, так как твердость там уже почти не зависит от содержания углерода.

Для обычной практики термической обработки сталей надо помнить, что данные на рисунке 1 основаны на термической обработке очень тонких образцов, которые охлаждались с их температуры аустенитизации до комнатной температуры в течение нескольких секунд с образованием мартенсита по всей их толщине. Поэтому идеальные условия, показанные на рисунке 1, редко встречаются на практике.

Влияние размера изделия на твердость стали

В условиях промышленной практики величины твердости стали, указанные на рисунке 1 достигаются редко. Наиболее важным фактором, который влияет на максимальную твердость, достигаемую при термическом упрочнении стали, является масса металла, который подвергается закалке. Из малых образцов тепло «извлекается» очень быстро и критическая скорость охлаждения для 100 %-ного образования мартенсита превышается значительно. Критическая скорость охлаждения – это такая скорость охлаждения, которая предотвращает образование в тсали немартенситных продуктов распада аустенита. С увеличением размеров сечения изделия становится трудно «извлечь» из него тепло достаточно быстро, чтобы избежать образования в стали немартенситных структур.