Почему один и тот же кусок стали бывает мягким, как гвоздь, и твердым, как напильник? Нагревай деталь, окунай в воду, масло или оставляй в печи и смотри, какой станет твердость снаружи и в сердцевине.
Нагретая выше 800 °C сталь состоит из аустенита: углерод растворен в железе. Если остужать медленно, вместе с печью, углерод успевает выйти из раствора, и получается мягкий перлит. Это отжиг. Если окунуть в воду, углерод не успевает уйти и остается зажатым в решетке. Получается мартенсит: очень твердый, но хрупкий, как стекло. Это закалка. Чтобы снять хрупкость, закаленную деталь снова греют, но слабее, до 150–650 °C. Это отпуск: твердость немного падает, зато деталь перестает колоться от удара.
Термист решает три вопроса: сколько греть, в чем остужать и при скольких градусах отпускать. Числа в карточках пересчитываются по режиму из опыта.
До скольких градусов греть под закалку?
Сталь надо целиком перевести в аустенит, то есть подняться над линией GS диаграммы железо-углерод, и взять небольшой запас. Сильно выше нельзя: зерно вырастет, и сталь станет хрупкой.
Успеет ли сталь закалиться?
Деталь остывает тем быстрее, чем она горячее среды. Если скорость при 700 °C больше критической, аустенит не успевает распасться на перлит и превращается в мартенсит.
Сколько твердости заберет отпуск?
При отпуске углерод понемногу выходит из мартенсита мелкими частицами карбидов. Чем горячее отпуск, тем больше выходит: твердость падает, а вязкость растет.
В горячем аустените решетка ГЦК, и атому углерода в ней просторно. При охлаждении железо хочет перестроиться в ОЦК, где места для углерода почти нет. Если остужать медленно, углерод уходит из решетки и собирается в пластинки цементита: так получается перлит.
При закалке времени на это нет. Решетка перестраивается рывком, со скоростью звука, а углерод остается внутри. Он распирает кубик в одну сторону, и ячейка становится вытянутой, тетрагональной. Такая напряженная решетка мешает дислокациям скользить, поэтому мартенсит твердый. Но по той же причине он и хрупкий: пластически подстроиться он не может.
Чем больше углерода, тем сильнее распирает решетку и тем выше твердость закаленной стали: около 45 HRC при 0,2 % C и 64–65 HRC при 0,8 % C. Дальше рост прекращается. Как устроены решетки, смотри в теме «Кристаллическая решетка металла».
Их закаливают на высокую твердость, чтобы руда меньше их стачивала, и отпускают при низкой температуре. Сердцевина остается вязкой и держит удар о негабарит.
Сталь 45 или 40Х сначала улучшают (закалка и высокий отпуск) ради вязкости, а поверхность потом закаливают токами высокой частоты на 1–3 мм. Получается твердая кожа на вязком теле.
65Г и 60С2 закаливают в масле и отпускают при 400–480 °C. Так пружина упругая: гнется и возвращается, но не ломается и не садится.
Закаленную деталь резец не берет. Если ее надо переточить, сначала делают отжиг, потом обрабатывают и закаливают заново.
Охлаждение на воздухе выравнивает зерно и снимает напряжения. Это простой и дешевый режим для рам, кронштейнов и поковок.
Зубило и бородок можно закалить в мастерской: нагреть до вишневого цвета, окунуть в воду и отпустить по цветам побежалости. Соломенный цвет около 220 °C, синий около 300 °C.
Охлаждение описано законом Ньютона с одной постоянной времени для поверхности и одной для сердцевины, а на деле у воды есть паровая рубашка и скорость меняется по ходу. Диаграмма превращений нарисована схематично: одна C-кривая начала и одна конца распада, бейнит отдельно не выделен. Критические скорости, температуры Mн и твердость после отпуска взяты типичные для этих марок, реальные значения зависят от плавки и размера зерна. Время выдержки в печи не учитывается: считается, что деталь прогрелась насквозь. Зуб ковша на деле льют из легированной стали вроде 35ХГСЛ, в опыте его заменяет 40Х. Поверхностная закалка токами высокой частоты не моделируется.