Содержание углерода стали. Термическая обработка

В зависимости от содержания углерода стали по назначению разделяются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали содержат до 0,65% углерода. Из них изготавливают детали машин: валы, шестерни, шпиндели станков, шарикоподшипники, пружины и другие изделия машиностроения. Из инструментальных сталей (0,7—1,3% углерода), имеющих более высокую твердость, делают всевозможные инструменты: режущий (резцы, сверла, метчики, фрезы), мерительный (скобы, калибры, микрометры) и штамповый для штампов горячей и холодной обработки, пресс-форм литья под давлением, другой инструментальной оснастки для обработки металлов.

Однако как конструкционные, так и инструментальные стали в «сыром» виде, т. е. в качестве продукции, поставляемой металлургическими предприятиями-заготовителями, еще не имеют достаточно высоких характеристик прочности и пластичности. Высокий уровень механических свойств стальных изделий достигается лишь в результате различных видов термической обработки, главным из которых является закалка стали с последующим отпуском.

Термическая обработка – могучее средство управления структурой, а следовательно, и свойствами стали. Она основана на изменениях в строении сплавов при их нагреве и охлаждении, фазовых и структурных превращениях, которые протекают в твердом состоянии металлического сплава. Дело в том, что некоторые вещества обладают особым свойством — изменять свое кристаллическое строение, переходить из одной конструкции расположения атомов (кристаллической решетки) в другую при определенных температурах и давлениях.

Показательным в этом отношении является неметалл — углерод. Он может быть и алмазом (самым твердым из всех веществ), и обычным мягким грифельным графитом. Способность металла существовать в различных кристаллографических формах называют полиморфизмом, или аллотропией. Это металлы-«хамелеоны». Например, хорошо известное обычное белое олово на морозе превращается серый порошок, не обладающий никакими признаками металла. В этом случае полиморфизм олова — вредное явление. Но для ряда металлов (титана, кобальта, марганца, железа) полиморфные превращения весьма полезны. Они дают возможность управлять структурой металлов и сплавов на их основе в нужном направлении при помощи термообработки. Именно полиморфизм железа позволяет изменять структуру чугуна и стали для получения комплекса необходимых свойств.

Железо выступает в двух кристаллических формах: высокотемпературной — гамма-железо (γ-Fe) и низкотемпературной — альфа-железо (α-Fe). Температурная точка перехода из одной модификации в другую — 910 °С. Высокотемпературная модификация железа способна растворять углерод в зависимости от температуры от 0,8 (при 727 °С) до 2% (при 1147°С). Твердый раствор углерода в гамма-железе называется аустенитом. Растворимость же углерода в альфа-железе ничтожно мала (от 0,006% при комнатной температуре до 0,025% при 727 °С). Это и есть феррит — почти чистое железо. Сочетания особенностей железа (полиморфизм и способность по-разному растворять углерод при различных температурах) позволяют управлять структурой, а следовательно, и свойствами стали при помощи термообработки.