Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Критические точки стали Ac1 и Ac3 — это температуры фазовых превращений при нагреве, определяющие начало и конец аустенитизации. Ac1 фиксирует момент, когда перлит начинает превращаться в аустенит, а Ac3 — когда весь избыточный феррит полностью в нём растворяется. Знание точных значений Ac1 и Ac3 необходимо для корректного назначения температур закалки, нормализации и отжига: ошибка в 20–30 °C приводит к неполной аустенитизации и браку по механическим свойствам.
При нагреве стали кристаллическая решётка претерпевает фазовые превращения в строго определённых температурных интервалах. Эти температуры носят название критических точек. Обозначение происходит от французского слова «arrêt» — остановка, поскольку на кривой нагрева в этих точках фиксируются тепловые эффекты, связанные с перестройкой структуры.
Буква «c» в обозначении Ac1 и Ac3 указывает на нагрев (от французского «chauffage»). Соответственно, точки при охлаждении обозначаются Ar1 и Ar3 (от «refroidissement»). Разница между Ac и Ar одного уровня обусловлена термическим гистерезисом — смещением температур превращения в зависимости от направления изменения температуры. Для конструкционных углеродистых и низколегированных сталей при печном нагреве и охлаждении этот гистерезис составляет типично от 20 до 80 °C.
Ac1 — температура начала аустенитизации при нагреве. При достижении этой точки перлит начинает распадаться и образовывается первый аустенит. Для большинства конструкционных сталей Ac1 лежит в диапазоне 720–780 °C.
Ac3 — температура конца аустенитизации. Выше этой точки весь избыточный феррит растворяется, и сталь переходит в однофазное аустенитное состояние. Для доэвтектоидных сталей Ac3 находится в диапазоне 740–880 °C в зависимости от содержания углерода и легирующих элементов.
Для заэвтектоидных сталей (содержание углерода выше 0,8%) вместо Ac3 используют обозначение Acm. Эта точка соответствует полному растворению вторичного цементита в аустените. При нагреве заэвтектоидной стали выше Acm структура становится однородным аустенитом без карбидных включений. Линия SE на диаграмме Fe-C обозначает именно Acm.
Диаграмма состояния железо-углерод является основным теоретическим инструментом для понимания природы критических точек. На диаграмме Fe-C горизонтальная линия PSK при температуре 727 °C соответствует Ac1 для всех сталей вне зависимости от содержания углерода. Это температура эвтектоидного превращения — перлитной реакции.
Линия GS определяет Ac3 для доэвтектоидных сталей. По мере увеличения содержания углерода от 0 до 0,8% значение Ac3 снижается приблизительно с 910 °C (для чистого железа, точнее 911 °C) до 727 °C (для эвтектоидной стали, где Ac1 и Ac3 совпадают). Линия SE соответствует Acm для заэвтектоидных сталей: с ростом содержания углерода от 0,8% до 2% значение Acm повышается от 727 °C до ~1147 °C.
Диаграмма Fe-C описывает равновесные условия. При реальных производственных скоростях нагрева критические точки смещаются в сторону более высоких температур. Чем быстрее нагрев — тем выше фактические значения Ac1 и Ac3 по сравнению со справочными.
На практике критические точки определяют методом дилатометрии — измерением изменения длины образца при нагреве. В момент фазового превращения линейное расширение прерывается или меняет знак, что фиксируется прибором. Дополнительно применяют дифференциальный термический анализ (ДТА) и дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК). Точность современных промышленных дилатометров при правильно организованном испытании достигает ±5 °C.
Легирующие элементы существенно смещают значения Ac1 и Ac3 относительно диаграммы Fe-C. Понимание направления этого влияния критически важно при расчёте режимов термообработки легированных сталей и объясняет, почему нельзя использовать значения чистой системы Fe-C для практических расчётов.
Ниже приведены критические точки для основных марок конструкционной стали по данным Марочника стали и сплавов, соответствующего справочным изданиям по металловедению и термической обработке. Значения соответствуют условиям медленного нагрева, близким к квазиравновесным. Актуальность марок подтверждена действующими стандартами ГОСТ 4543-2016 и ГОСТ 1050-2013.
* Сталь 12Х18Н10Т относится к аустенитному классу: высокое содержание никеля (~10%) и хрома (~18%) обеспечивает устойчивую ГЦК-решётку аустенита при комнатной температуре и при эксплуатационном нагреве. Фазовые превращения типа феррит-аустенит, описываемые точками Ac1 и Ac3, для этой стали не характерны. Стандартная операция — высокотемпературная аустенизация при 1050–1100 °C с закалкой в воду: она обеспечивает растворение карбидов хрома по границам зёрен и максимальную коррозионную стойкость.
Сталь 65Г содержит около 0,65% углерода и 0,9–1,2% марганца. Её состав близок к эвтектоидному, поэтому Ac3 = 745 °C находится значительно ниже, чем у малоуглеродистых сталей. Несмотря на это, закалку 65Г проводят при 800–820 °C — то есть с превышением Ac3 на 55–75 °C — для обеспечения полной гомогенизации аустенита перед охлаждением в масло.
ШХ15 является заэвтектоидной сталью (~1% C, ~1,5% Cr). Её критическая точка Acm = 900 °C значительно выше Ac1 = 724 °C. Промышленная закалка выполняется при 830–850 °C — то есть выше Ac1, но ниже Acm. При этом нерастворённые карбиды остаются в структуре, повышая контактную прочность и износостойкость подшипниковых элементов. Нагрев выше Acm привёл бы к огрублению зерна и увеличению количества остаточного аустенита после закалки.
Знание Ac1 и Ac3 является отправной точкой для проектирования технологии любого вида термической обработки стали. Каждый вид обработки строго привязан к положению критических точек.
Температуру нагрева под закалку для доэвтектоидных сталей назначают выше Ac3 на 30–50 °C. Такой нагрев необходим для полной аустенитизации — растворения феррита и гомогенизации состава по объёму зерна аустенита путём диффузии углерода. Нагрев ниже Ac3 даёт неполную закалку: в структуре сохраняется феррит, существенно снижающий итоговую твёрдость.
Справочные значения Ac1 и Ac3 соответствуют квазиравновесным условиям нагрева — скоростям порядка 0,5–5 °C/мин. При промышленном нагреве в камерных или шахтных печах скорости составляют 50–300 °C/ч. При индукционном нагреве (ТВЧ-закалка) скорости нагрева поверхности достигают 100–1000 °C/с и более.
Чем быстрее нагрев, тем выше требуемая температура для завершения диффузионных процессов аустенитизации. При скорости нагрева 500–1000 °C/с, характерной для индукционной поверхностной закалки, фактические Ac1 и Ac3 могут превышать справочные на 50–150 °C. Поэтому температуру нагрева при ТВЧ-обработке принято назначать выше справочного Ac3 на 80–120 °C относительно табличных значений.
При разработке режимов поверхностной индукционной закалки температуру нагрева следует принимать с учётом фактической скорости нагрева, а не ориентироваться только на справочные значения Ac3. Применение табличных значений критических точек без поправки на скорость нагрева — типичная причина брака по недокалке при ТВЧ-обработке.
Критические точки стали Ac1 и Ac3 — фундаментальные параметры для проектирования любого процесса термической обработки. Ac1 определяет начало аустенитизации при нагреве, Ac3 — её завершение в однофазный аустенит. Для доэвтектоидных конструкционных сталей температура закалки назначается выше Ac3 на 30–50 °C. Точные значения: сталь 45 (Ac1 = 730, Ac3 = 755 °C), 40Х (Ac1 = 743, Ac3 = 782 °C), 30ХГСА (Ac1 = 760, Ac3 = 830 °C), сталь 20 (Ac1 = 724, Ac3 = 845 °C), 65Г (Ac1 = 721, Ac3 = 745 °C), ШХ15 (Ac1 = 724, Acm = 900 °C).
Легирующие элементы существенно смещают критические точки: ферритообразующие (Cr, Si, Mo) их повышают, аустенитообразующие (Ni, Mn) — снижают. Для легированных марок обязательно использование справочных данных конкретной марки, а не диаграммы Fe-C. При индукционном нагреве фактические Ac1 и Ac3 превышают табличные на 50–150 °C — это необходимо учитывать при разработке технологии ТВЧ-закалки.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.