Аустенит

Интересно то, что перекристаллизация происходит в твердом состоянии: кусок стали не расплавляется, лежит в печи неподвижно, а в это время в нем энергично идет растворение углерода железом. В результате получается однородный, «усредненный» раствор — твердый раствор,— называемый аустенитом. Свое название он получил в честь английского металлурга  В.  Робертса-Аустена.

Полное насыщение аустенита углеродом происходит лишь при введении в сталь 2% углерода. Но при температуре 723°С аустенит «имеет право» содержать в себе лишь 0,83% углерода. Следовательно, полученный в результате термообработки стали «хороший» однородный раствор при охлаждении начнет неизбежно «портиться», перестраиваться. Перекристаллизация— обратимый процесс: если температуру стали медленно понижать, из твердых кристаллов аустенита будет выбрасываться чистое железо и углерод в виде карбида железа. В результате перекристаллизации произойдет распад аустенита, и в структуре стали мы найдем несколько видов кристаллов.

Спрашивается, стоит ли из-за этого волноваться? Какая нам разница, из чего состоит наша стальная деталь — из карбида железа или кристаллов аустенита, ведь все равно деталь до нагрева и после него твердая, прочная, стальная? Оказывается, причина для волнений имеется, и немалая. Сталь при обычной температуре, не прошедшая термообработку, состоит из смеси кристаллов железа и карбида железа. У карбида железа твердость в десять раз выше, чем у кристаллов чистого железа, да и вообще обе эти составные части стали имеют совершенно противоположные свойства. Такое механическое сочетание разнородных составляющих ничего хорошего не сулит. Представьте себе крепость, сложенную из чередующихся кирпичей: одни кирпичи — глиняные, необожженные, другие — из камня. Первый же выстрел неприятельской пушки вдребезги разнесет такую стенку. Да она и сама может развалиться под собственной тяжестью.

Аустенит сочетает в себе все лучшее, что есть у железа и карбида железа: он пластичен и прочен, а твердость у него лишь вдвое-втрое ниже твердости карбида. Все «кирпичи» в нем одинакового размера, уложены «по стенке» аккуратно и сцеплены друг с другом тоненькой «глиняной» обмазкой. Значит, есть прямой смысл добиваться такой структурной перестройки стали, чтобы она состояла целиком из аустени-тных кристаллов.

Аустенит возникает при нагреве выше 723°С в каждой стали независимо от нашего желания. Точно так же при охлаждении стали он распадается.

Неужели здесь заколдованный круг и его никак не разорвать? Оказывается, не все так безнадежно. Да, при медленном, спокойном охлаждении аустенит распадается. Но почему бы нам от волнения не поторопиться и не сунуть кусок разогретой стали в какую-нибудь холодную жидкость? Ведь при этом одного преимущества мы добьемся наверняка: охладим сталь быстрее, чем на воздухе, в спокойной атмосфере.

При быстром охлаждении (внимание, вот и второе огромное преимущество!), пока температура металла падает с 820 до 723°С, перекристаллизация стали произойти не успевает. Аустенитная структура попадает в область низких температур (600, 500, 400°С и ниже), хотя в этой температурной зоне она существовать не «имеет права». Но ведь распад аустенитных зерен возможен лишь при температуре выше 723°С. Аустениту ничего не остается, как «существовать» при нормальной температуре. Но именно этого мы и добивались!

Процесс нагрева стали с целью перекристаллизации ее структуры на аустенит с последующим быстрым охлаждением называется в технике закалкой.

Температура нагрева при закалке стали (температура закалки) зависит от марки стали, то есть от содержания углерода, и различна для разных сталей. Чтобы добиться большей однородности зерен аустенита, сталь при закалке либо нагревают еще на 30—50°С выше, либо выдерживают при температуре закалки более длительное время. Зерна аустенита при этом растут и становятся однородными. Но сталь с крупным зерном кристаллов хуже, чем с мелким. Поэтому при термической обработке всегда стремятся к тому, чтобы получить мелкое зерно стали.

Рост зерна в углеродистых сталях зависит не только от температуры и времени нагрева, но и от содержания углерода и примесей. Введение в сталь легирующих элементов — титана, ванадия, вольфрама, молибдена и хрома (но не марганца) — тормозит рост зерна аустенита при нагреве. Легирующие элементы расширяют интервал закалочных температур и облегчают получение качественной структуры; в этом и состоит преимущество легированных сталей перед углеродистыми: они лучше поддаются закалке. Большинство сталей, имеющих при комнатной температуре аустенитную структуру,— легированные стали.