Спросите металлурга:что такое закаленная сталь?

Насколько важен отпуск для функциональной стали.

Металлические сплавы состоят из точной комбинации элементов, как ингредиенты в рецепте. То, как эти элементы соединяются под воздействием тепла, меняет свойства сплава, точно так же, как различные методы приготовления изменяют вкус продуктов.

Закаленная сталь изменяет механические свойства металла, делая его более прочным и устойчивым. Это делает его хорошим материалом для инструментов, пружин, конструкционной стали и даже мечей.

Давайте рассмотрим основы закаленной стали... и узнаем, почему сталь с отпуском более гибкая и податливая, чем сталь без отпуска.

Металлургия 101

Металлургия — это и наука (применительно к производству металлов), и технология металлов. Это относится к химическому составу металлов и их физическим и механическим свойствам.

Вот несколько общих терминов, которые вы можете услышать в отношении металлургии и закалки стали:

• Сила :насколько хорошо сталь будет сопротивляться остаточной деформации или разрыву.
• Прочность :насколько хорошо сталь будет сопротивляться разрушению (часто с увеличением прочности повышается и ударная вязкость).
• Твердость :насколько хорошо металл устойчив к царапинам или вмятинам.
• Ударопрочность :насколько хорошо сталь будет противостоять ударным нагрузкам с минимальной деформацией (часто также известна как высокопрочная ударная вязкость).
• Износостойкость :насколько хорошо сталь выдерживает эрозию, абляцию, растрескивание и истирание (часто также называется ее твердостью).
• Структурная целостность :насколько хорошо сталь выдержит нагрузку без разрушения

Сталь – популярный материал для строительства. Двумя необходимыми элементами стали являются железо и углерод, а сплавы также часто содержат небольшое количество других металлов. Сталь содержит менее 2,14% углерода:сплавы с более высоким содержанием углерода обычно представляют собой форму чугуна. Сплавы часто могут содержать марганец и следовые количества кремния, фосфора, серы и кислорода. Сталь настолько долговечна и прочна, что ее можно использовать десятилетиями и более, после чего ее можно перерабатывать снова и снова, не теряя своих свойств. Большая часть нового производства стали включает переработанную сталь.

Микроструктуры из стали

Прежде чем мы сможем узнать, как изменить свойства стали, мы должны сначала понять ее микроструктуру. Точный нагрев и охлаждение стали изменят ее микроструктуру:

Феррит - объемно-центрированная кубическая (ОЦК) кристаллическая структура

Это чистое железо при комнатной температуре. Он также может описывать сталь с очень низким содержанием углерода.

Представьте себе куб с одной молекулой в каждом углу и одной в центре куба. Молекулы неплотно упакованы и содержат меньше молекул внутри каждого куба. При комнатной температуре в структуру можно добавить только 0,006% углерода.

Аустенит - гранецентрированная кубическая (ГЦК) кристаллическая структура

Эта форма возникает, когда сплавы на основе железа нагреваются между 1500 и 1800°F.

Представьте куб с молекулой в каждом углу и молекулой в центре каждой стороны куба. Эти молекулы более плотно упакованы, чем феррит, и могут содержать до 2 % углерода.

Цементит

Когда углеродистая сталь нагревается до аустенитного диапазона, а затем охлаждается без присутствия какого-либо сплава, она снова превращается в ферритную форму. Цементит образуется, когда содержание углерода превышает 0,006%, а атомы углерода соединяются с железом с образованием карбида железа (Fe3C). Вы никогда не получите кусок металла, состоящий из чистого цементита, потому что часть материала останется в форме феррита.

Перлит

Чередующиеся слои феррита и цементита образуют новую структуру, называемую перлитом. Это происходит, когда сталь медленно охлаждается, образуя эвтектическую смесь (в которой одновременно кристаллизуются два расплавленных материала). Он формирует феррит и цементит одновременно, попеременно.

Мартенсит - объемно-центрированная тетрагональная (ОЦТ) кристаллическая структура

Эта стальная микроструктура формируется при очень быстром охлаждении стали, что заставляет атомы углерода захватывать железную решетку. В результате получается очень твердая игольчатая структура из железа и стали.

Эти микроструктуры важны для понимания механических свойств стали. Содержание углерода, концентрация сплава и методы отделки влияют на микроструктуру стали. Зная это, вы сможете научиться управлять его свойствами с помощью точной термообработки, такой как закалка стали.

Обзор термической обработки

Термическая обработка металлов изменяет их физические свойства. Это может повысить его прочность, пластичность, ударную вязкость, твердость и устойчивость к коррозии.

Существует 3 распространенных способа термообработки:

• Отжиг :Металл нагревают до мягкости, затем медленно охлаждают. Медленное замораживание микроструктуры приводит к образованию крупных круглых зерен металла. Это избавляет металл от внутреннего напряжения и делает его более вероятным только вмятину или изгиб при ударе.
• Тушение :в этом процессе металл быстро охлаждается (часто в водяной или масляной ванне). Это быстро замораживает молекулы. В результате резкого снижения температуры на поверхности образуется множество мелких зубчатых зерен. Зазубренные края зерен переплетаются, что делает металл менее склонным к изгибу при ударе:поверхность тверже.
• Закалка :Чтобы уменьшить любую избыточную твердость, возникающую в результате производства или закалки, металл можно закалить путем нагревания металла до определенной температуры в течение определенного времени в зависимости от свойств, которые вы пытаетесь изменить.

Зачем закалять сталь?

Сталь закаляют, чтобы придать ей нужные свойства материала для ее применения. Это могут быть:

• Уменьшение твердости при одновременном повышении прочности (прочный материал устойчив к сколам при ударе, тогда как твердый материал сопротивляется вдавливанию и разрушается перед изгибом)
• Повышенная пластичность (позволяет изменять форму без разрушения)
• Повышенная устойчивость к износу
• Повышение обрабатываемости стали, если требуется дополнительная обработка стали.

Процесс закалки стали

Прежде чем закалить сталь, вы часто сначала закаляете сталь, чтобы закалить ее. Затем температура отпуска определяет, сколько твердости вы удаляете из металла. Чем выше температура, тем больше твердости удаляется. Например, твердые инструменты закаляются при более низких температурах, а гибкие пружины закаляются при более высоких температурах.

Сталь часто нагревают в газовой печи, печи электрического сопротивления или индукционной печи с вакуумом или инертным газом для предотвращения окисления. Как только сталь нагрета до заданной температуры, вы поддерживаете температуру в течение определенного времени в зависимости от типа стали и механических свойств, которых вы хотите достичь.

Вам не нужен термометр или температурный пистолет, чтобы знать, когда он нагрет до нужной температуры. Закаленная сталь меняет цвет на прозрачный в зависимости от температуры отпуска. Этот цвет формируется за счет оксидного слоя, который образуется на поверхности. Более высокие температуры создают более толстые слои оксида железа, как и более длительные периоды времени, проведенные в этой температурной зоне. Этот слой помогает предотвратить коррозию стали.

На изображении выше показаны различные цвета, которые закаленная сталь придает металлу:

• Слева начинается Normalized Steel. . Это сталь, нагретая выше верхней критической температуры и охлажденная на воздухе.
• 2-й слева — Закаленная сталь . Это сталь, которая быстро охлаждалась.
• Следующие восемь показывают цвета закаленной стали в зависимости от ее температуры:от 130 F (176 C) до 730 F (388 C).

Примеры закаленной стали (по температуре/цвету):

Бледно-желтый	176C / 349F	Граверы, бритвы, скребки
Светло-желтый	205C / 401F	Дрели, развертки, пилы по металлу
Темно-соломенный	226C / 439F	Разметчики, строгальные ножи
Коричневый	260C / 500F	Ленты, штампы, биты, молотки, холодные долота
Фиолетовый	282C / 540F	Хирургические инструменты, пробойники, инструменты для резьбы по камню
Темно-синий	310C / 590F	Отвертки, гаечные ключи
Голубой	337C / 639F	Пружины, шурупы для резки дерева
Серо-голубой	371C / 700F	Конструкционная сталь

В чем разница между отпуском стали и закалкой?

Закаленная сталь и закаленная сталь придают одному и тому же сплаву разные свойства.

Закалка стали делает ее более жесткой и снижает вероятность появления царапин или вмятин. Однако эта более твердая поверхность более хрупкая. При ударе он не вдавится, но если сила удара слишком велика, он сломается или отколется. При отпуске некоторая твердость теряется для повышения прочности. Прочность – это способность противостоять разрушению или сколам, но преимущество заключается в том, что на нем больше шансов поцарапать или оставить вмятины.

Часто вы сначала закаляете сталь, а затем отпускаете сталь, чтобы достичь определенного отношения твердости к ударной вязкости.

Термическая обработка мечей и ножей

Закалка является важной частью кузнечного дела. Некоторые из лучших мечей создаются с помощью процесса, называемого дифференциальной закалкой. С разным характером кузнец может создать лезвие с очень твердой кромкой и более мягким и упругим сердечником в центре лезвия. Это повышает прочность лезвия и предотвращает его поломку.

В Японии катаны часто подвергали дифференциальной закалке или отпуску с использованием глины, чтобы контролировать скорость изменения во время закалки и отпуска. Разная толщина глины может помочь контролировать скорость изменения.

В других процессах дифференциального отпуска тепло применяется только к части лезвия (часто к стержню). Изготовители мечей наблюдали за изменением цвета лезвия по мере того, как оно переходило к острой кромке. Как только он почти достигает светло-соломенного цвета на краю, они снимают тепло.

Термическая обработка и отпуск стали в «современных» приложениях

Закаленная сталь предназначена не только для ножей и мечей. Он имеет реальное применение в современном производстве. Инструменты часто закаляются, чтобы стать очень твердыми:закалка является частью процесса обработки инструментальной стали для создания твердой рабочей кромки, устойчивой к истиранию и вмятинам. Прецизионным инструментам часто необходимо удерживать этот жесткий край, чтобы оставаться в пределах рабочего допуска. Однако впоследствии может потребоваться отпуск для обеспечения целостности всего инструмента, чтобы сделать его менее хрупким. Пружины, конструкционная сталь и другие металлические детали, для которых требуются особые свойства материала, также могут подвергаться термической обработке, создавая либо однородный, либо различный характер в зависимости от потребностей материала в приложении.

Металл, как кристалл с податливой микроструктурой, предлагает материаловеду множество подходов к решению проблемы с разумным сочетанием выбора сплава и термической обработки.