Какая сталь не поддается термообработке? Понимание критической роли содержания углерода

В основе способности стали к упрочнению термообработкой лежит содержание в ней углерода. Стали с недостаточным содержанием углерода или те, чьи кристаллические структуры стабилизированы другими легирующими элементами, не могут быть существенно упрочнены с помощью обычного процесса закалки и отпуска. Основные категории неупрочняемых сталей — это низкоуглеродистые стали, аустенитные нержавеющие стали и ферритные нержавеющие стали.

Способность стали к упрочнению не является неотъемлемым свойством всей стали; это прямой результат наличия достаточного количества углерода для образования твердой, хрупкой микроструктуры, называемой мартенситом, при быстром охлаждении. Без достаточного количества углерода это превращение невозможно.

Принцип: почему углерод определяет прокаливаемость

Чтобы понять, почему некоторые стали не поддаются термообработке, мы должны сначала понять, как происходит упрочнение. Упрочняет сталь не само тепло, а структурное преобразование, которое оно позволяет осуществить.

Роль образования мартенсита

Обычный процесс упрочнения включает нагрев стали до тех пор, пока ее кристаллическая структура не изменится на фазу, называемую аустенитом. В этом состоянии атомы углерода растворяются в железной решетке.

Если сталь затем быстро охладить (закалить), атомы углерода оказываются в ловушке. Это заставляет железную решетку принять новую, сильно напряженную и очень твердую структуру, известную как мартенсит.

Минимальный порог углерода

Это превращение в мартенсит просто не может произойти без критического количества углерода. Как правило, сталь должна содержать не менее 0,30% углерода, чтобы демонстрировать значительное упрочнение.

Стали ниже этого порога не имеют достаточного количества растворенного углерода для создания внутреннего напряжения, необходимого для образования значительного количества мартенсита.

Категории неупрочняемых сталей

Исходя из этого принципа, мы можем выделить несколько основных классов стали, которые не подходят для обычного упрочнения.

Низкоуглеродистые (мягкие) стали

Это самая распространенная категория. Низкоуглеродистые стали, часто называемые мягкими сталями, определяются низким содержанием углерода, обычно ниже 0,30%.

Такие примеры, как конструкционная сталь A36, 1018 и 1020, ценятся за их пластичность, свариваемость и низкую стоимость, но им не хватает углерода, необходимого для сквозной закалки. Закалка их оказывает незначительное влияние на их твердость.

Аустенитные нержавеющие стали

Эта группа, которая включает чрезвычайно распространенные марки 304 и 316, имеет другую причину того, что они не поддаются упрочнению. Их химический состав, богатый никелем и хромом, делает их кристаллическую структуру аустенитной при всех температурах, от криогенных до точки плавления.

Поскольку они никогда не покидают аустенитную фазу, превращение в мартенсит не может быть вызвано закалкой. Эти стали немагнитны и упрочняются механическими средствами (наклеп), а не термообработкой.

Ферритные нержавеющие стали

Подобно аустенитным маркам, ферритные нержавеющие стали, такие как марка 430, имеют стабильную кристаллическую структуру. Их структура называется ферритом, которая является той же фазой, в которой существует чистое железо при комнатной температуре.

Эти стали имеют очень низкое содержание углерода и не претерпевают необходимого фазового превращения при нагреве, что делает их неупрочняемыми термообработкой.

Понимание нюансов и исключений

Утверждение «не поддается термообработке» имеет важные оговорки. Хотя эти стали не могут быть сквозным образом упрочнены закалкой, другие термические процессы могут изменять их свойства.

Поверхностное упрочнение: изменение поверхности, а не сердцевины

Даже низкоуглеродистой стали можно придать твердую, износостойкую поверхность. Такие процессы, как цементация или азотирование, представляют собой термохимические обработки, которые диффундируют атомы углерода или азота в поверхность стали.

Это создает тонкий, высокоуглеродистый (или высокоазотистый) «слой» на детали. Затем этот слой может быть закален для образования мартенсита, что приводит к твердой внешней поверхности, в то время как пластичная, низкоуглеродистая сердцевина остается мягкой и вязкой.

Наклеп: механическая альтернатива

Как упоминалось в случае аустенитных нержавеющих сталей, наклеп (или деформационное упрочнение) является основным методом увеличения твердости и прочности неупрочняемых сплавов.

Изгиб, прокатка или волочение металла при низкой температуре вводят дислокации в кристаллическую структуру, делая ее более устойчивой к дальнейшей деформации. Именно так мягкий лист нержавеющей стали становится прочной пружиной или долговечной кухонной раковиной.

Дисперсионное твердение: другой термический процесс

Некоторые специальные нержавеющие стали, такие как 17-4 PH, упрочняются совершенно другим механизмом. Это двухступенчатая термообработка. Сначала обработка раствором растворяет легирующие элементы, а затем низкотемпературная обработка «старением» вызывает выделение микроскопических твердых частиц в матрице металла.

Хотя это и является формой термообработки, она отличается от мартенситного превращения, которое обычно имеют в виду, когда обсуждают упрочнение углеродистых и легированных сталей.

Правильный выбор для вашей цели

Выбор правильного материала требует понимания этих различий и соответствия свойств стали требованиям вашего применения.

• Если ваш основной акцент делается на обрабатываемости и свариваемости при низкой стоимости: Низкоуглеродистая сталь является выбором по умолчанию, но учтите, что она не будет держать кромку или сопротивляться износу без вторичной обработки поверхности.
• Если ваш основной акцент делается на коррозионной стойкости и формуемости: Аустенитная нержавеющая сталь идеальна, но знайте, что ее окончательная твердость определяется механической обработкой, а не термическим упрочнением.
• Если ваш основной акцент делается на высокой прочности и износостойкости: Вы должны выбрать средне- или высокоуглеродистую сталь или инструментальную сталь, специально разработанную для упрочнения путем закалки и отпуска.

Понимание взаимосвязи между углеродом, кристаллической структурой и термообработкой позволяет вам выбрать именно тот материал, который требуется для вашего применения.

Сводная таблица:

Категория стали	Примеры	Основная причина неупрочняемости
Низкоуглеродистые (мягкие) стали	A36, 1018, 1020	Содержание углерода ниже ~0,30%, недостаточно для образования мартенсита
Аустенитные нержавеющие стали	304, 316	Стабильная аустенитная кристаллическая структура при всех температурах
Ферритные нержавеющие стали	430	Стабильная ферритная кристаллическая структура, очень низкое содержание углерода

Нужна помощь в выборе подходящей стали для вашего применения?

Выбор правильного материала имеет решающее значение для успеха вашего проекта. Независимо от того, нужна ли вам упрочняемая инструментальная сталь для износостойкости или неупрочняемая нержавеющая сталь для превосходной коррозионной стойкости, KINTEK — ваш надежный партнер.

Мы специализируемся на поставках высококачественного лабораторного оборудования и расходных материалов, включая печи и инструменты, необходимые для процессов термообработки. Наши эксперты помогут вам выбрать идеальную сталь для ваших конкретных нужд, обеспечивая оптимальную производительность и экономичность.

Позвольте нам помочь вам достичь ваших материальных целей. Свяжитесь с нашими специалистами сегодня для получения индивидуальных консультаций и решений, адаптированных к требованиям вашей лаборатории.

Визуальное руководство