Превращения в стали при нагреве

Большинство углеродистых и низколегированных сталей содержат менее 0,8 % углерода, то есть являются доэвтектоидными сталями. Поэтому их микроструктура является двухфазной смесью, которая состоит из α-железа (феррита) и перлита. Феррит – это фаза железа с объемноцентрированной кубической атомной решеткой. Перлит – смесь феррита и цементита (Fe3C), которые образуют чередующиеся пластины. Если такую доэвтектоидную сталь нагревать до умеренной температуры в пределах от 425 до 650 ºС, то это может привести только к снижению остаточных напряжений в стали, но без каких-либо изменений микроструктуры или физических свойств.

Диаграмма состояния железо-углерод

На рисунке показано стальной фрагмент упрощенной диаграммы состояния железо-углерод. Диаграмма состояния железо-углерод представляет фазовый состав стали — присутствие в стали одной или нескольких фаз железа — как функцию от содержания в ней углерода и температуры. При концентрации углерода в стали выше 0,83 % и температуре ниже ее эвтектоидной величины, около 720 ºС, стабильными фазами в стали являются перлит и цементит.

diagramma-sostojanija-zhelezo-uglerodРисунок — Упрощенная диаграмма состояния железо-углерод

Нагрев доэвтектоидной стали

Если сталь с содержанием углерода ниже эвтектоидной концентрации нагревать до температуры немного выше эвтектоидной температуры, то перлит распадается с образованием аустенита — фазы железа с  гранецентрированной атомной решеткой (γ-железа). Это приводит к образованию в стали смеси ферритной и аустенитной фаз. Если продолжать нагрев до более высокой температуры, то феррит будет продолжать распадаться с образованием дополнительного аустенита. При достаточно высокой температуре весь феррит и весь цементит полностью распадутся с образованием гомогенной аустенитной микроструктуры. Такой нагрева обычно называют нагревром под закалку, хотя он же применяется и при других видах термической обработки стали — отжиге и нормализцации. В англоязычной технической литературе этот нагрев называют обработкой на твердый раствор (solution treatment) или аустенитзацией (austenitizing). Верхняя критическая температура для стали с содержанием углерода до 0,83 % представлена на диаграмме железо-углерод линией G-S. Теоретически при нагреве выше этой линии стуктура стали представляет собой однородный аустенит.

На практике для получения в стали гомогенного аустенита требуется некоторый перегрев относительно верхней критической температуры и определенная длительность выдержки при температуре нагрева для завершения диффузионных процессов распада аустенита. Оптимальный интервал нагрева под закалку изображен на диаграмме состояния заштрихованной областью.

Нагрев заэвтектоидной стали

Нагрев углеродистой стали с содержанием углерода выше 0,83 % до температуры выше эвтектоидной также приводит к распаду перлита с образованием аустенита. Микроструктура стали будет представлять собой смесь аустенита и цементита. При дальнейшем повышении температуры цементит будет постепенно растворятся и при достаточно высокой температуре структура стали будет гомогенным аустенитом. Верхняя критическая температура для стали с содержанием углерода выше 0,83 % показана на диаграмме состояния линией S-D, а оптимальный интервал для нагрева под закалку – заштрихованной областью. Нижнюю критическую температуру на диаграмме состояния, как для доэвтектоидной, так и для заэвтектоидной сталей, представляет линия P-S-K.

Источник: George E. Totten et al, Handbook of Quenchants and Quenching Technology, 1993