Закалка

Закалка (далее З) термическая обработка материалов, заключающаяся в их нагреве и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературного состояния материала или предотвращения (подавления) нежелательных процессов, происходящих при его медленном охлаждении. З возможна только для тех веществ, равновесное состояние которых при высокой температуре отличается от равновесного состояния при низкой температуре (например, структурой). З эффективна только в том случае, если реально достижимая скорость охлаждения достаточна для того, чтобы не успели развиться процессы, подавление которых является целью З Структуры, возникающие в результате З, лишь относительно устойчивы, при нагреве они переходят в более устойчивое состояние. З могут подвергаться в естественных условиях или в определенном технологическом процессе многие вещества, (металлы, их сплавы, стекло и пр.).   З стали. Наиболее широкая группа материалов, подвергаемых З, - стали. В соответствии с диаграммой состояния сплавов (рис. 1) термодинамически устойчивым состоянием стали при температурах, расположенных выше линии GSE диаграммы состояния, является аустенит - раствор в g- (см. Железоуглеродистые сплавы); ниже линии - смесь феррита (раствора в a- и цементита (карбида 3). При медленном охлаждении от температур, расположенных выше линии , аустенит в соответствии с диаграммой состояния должен распадаться на феррит и цементит. Скорость этого превращения меняется с температурой и при достаточно низкой температуре становится настолько малой, что аустенит практически не распадается. При дальнейшем снижении температуры аустенит превращается в мартенсит, появление которого в структуре стали приводит к резкому увеличению твердости, прочности, насыщения и к снижению пластичности. Цель З стали - получение полностью мартенситной структуры (без продуктов распада аустенита), т. е. подавление при быстром охлаждении распада аустенита и сохранение его вплоть до температур, при которых начинается мартенситное превращение. Минимальная скорость охлаждения, достаточная для предотвращения распада аустенита, носит название критической скорости З стали.   В практике термической обработки металлов для получения металлов, в частности сталей, с определенными свойствами применяют различные виды З В зависимости от условий нагрева различают З полную и неполную. При полной З быстрое охлаждение стали производят после нагрева ее до температур, лежащих выше линии GSE. При этом сталь полностью переводится в аустенитное состояние. При неполной З (главным образом инструментальных сталей) металл нагревают до температур выше линии ; после охлаждения в структуре могут сохраняться нерастворившиеся при нагреве т. н. избыточные фазы (феррит или цементит и более сложные карбиды). В зависимости от условий охлаждения различают З изотермическую, ступенчатую и др. При изотермической З сталь нагревают до температур выше линии GSE (полная З) или выше (неполная З), затем быстро охлаждают до температур ниже линии и дают т. н. изотермическую выдержку, при которой происходит превращение аустенита в др. структуры (перлит, бейнит). В этом случае свойства окончательных продуктов определяются температурой изотермической выдержки: твердость и прочность материала возрастают по мере снижения температуры. При ступенчатой З охлаждение с большой скоростью производят до температуры, несколько превышающей температуру мартенситного превращения, и дают выдержку, необходимую для выравнивания этой температуры по всей толщине изделия (ступень), а затем охлаждение ведут медленно до образования в структуре мартенсита. Внешние факторы, главным образом закалочная среда (вода, масло, расплавленная соль) и давление, также определяют результаты З   Закаленная сталь отличается большой хрупкостью, поэтому после З ее обычно подвергают отпуску. При одной и той же твердости сталь, подвергнутая З с последующим отпуском, более пластична (следовательно, более работоспособна), чем сталь, подвергнутая медленному охлаждению, при котором происходит распад аустенита на феррит и цементит. Это определяет чрезвычайно широкое использование З стали в технике: применение ее не только для получения стали с высокой твердостью, но и для получения (после соответствующего отпуска) стали со средней и низкой твердостью, но обладающей хорошими конструкционными свойствами.   З стареющих сплавов. Если равновесная концентрация твердого раствора существенно изменяется при изменении температуры, то при охлаждении происходит выделение из него избытка одного из компонентов (см. Старение металлов). Этот процесс является диффузионным и может быть подавлен З (рис. 2). Цель З в этом случае - фиксирование пересыщенного твердого раствора при низкой, например комнатной, температуре. Старение сплава может происходить затем при комнатной или более высокой температуре. Сплав со структурой, возникающей при З и старении, обладает высокими прочностными свойствами, большой коэрцитивной силой ( сплавы). Т. н. дисперсионно-твердеющие сплавы, подвергающиеся З с последующим старением, находят широкое применение, например дуралюмин - как конструкционный материал, нимоник - жаропрочный; альнико - для изготовления постоянных и др.       З упорядочивающихся сплавов. Упорядочение сплавов приводит к изменению их физических и механических свойств, например к снижению пластичности. Если упорядочение нежелательно, то сплавы подвергают З, которая приводит к фиксации неупорядоченного состояния при низкой температуре. Это возможно, если скорость процессов, приводящих к упорядочению, не слишком велика.   З чистых металлов и однофазных сплавов. Для изучения вакансий и их влияний на механические и физические свойства веществ применяют З чистых металлов и однофазных сплавов. Цель З в этом случае - фиксирование при низкой температуре концентрации вакансий, равновесной при высокой температуре. Последующий нагрев материалов до температур, при которых вакансии становятся подвижными, приводит к повышению сопротивления пластическому деформированию ("закалочное упрочнение") и снижению внутреннего трения. Изучая зависимость равновесной концентрации вакансий от температуры и скорость удаления зафиксированных при З избыточных вакансий, можно найти энергию образования и энергию активации миграции вакансий, сумма которых (энергий) определяет энергию активации самодиффузии.   З жидкости. З может задерживать жидкостей. Результат З в этом случае - переход жидкости в стекловидное состояние. Скорость металлов слишком велика, поэтому получить их в стекловидном аморфном состоянии обычно не удается.   З из жидкого состояния. Для некоторых систем, имеющих определенный вид диаграммы состояния, возможна З из жидкого состояния. Такая З позволяет устранить ликвацию, возникающую при с обычной скоростью охлаждения; получить пересыщенный твердый раствор, содержащий значительно большее количество второго компонента, чем это возможно по диаграмме состояния; получить метастабильные фазы, не возникающие при медленной и не фигурирующие на диаграмме состояния.   Лит.: Харди Г. К., Хилл Т. Дж., Процесс выделения, в сборнике: Успехи физики металлов, пер. с англ., т. 2, М., 1958; Курдюмов Г. В., Явления закалки и отпуска стали, М., 1960; Физическое металловедение, под ред. Р. Кана, пер. с англ., в. 1-3. М., 1967.