Руководство: Как оценить свойства стали исходя из состава / SLD-Magic

Во время термической обработки сталь нагревают до высокой температуры, называемой температурой аустенизации, при которой образуется фаза аустенит. После выдержки при температуре аустенизации сталь быстро охлаждают, что превращает аустенит в фазу, называемую мартенситом, которая имеет высокую твердость. С повышением температуры аустенизации твердость стали после закалки увеличивается. Это связано с тем, что при более высокой температуре растворяется больше карбидов (соединения углерода), что приводит к увеличению твердости.

Как мы видим, зависимость твердости мартенсита от растворенного углерода - нелинейная. Если мы растворим в аустените около 0,3% С, то твердость будет ~55 HRc, при 0,4% C ~60 HRc, при 0,5% C ~63 HRc, а при 0,6% С всего лишь ~64,5 HRc. Однако при росте температуры аустенизации после определенной температуры твердость стали начинает снижаться. Дело в том, что аустенит переходит в мартенсит только в определенном интервале температур. Между начальной (Ms) и конечной (Mf) точками мартенситного превращения. Температуры Ms и Mf зависят от количества элементов, которые находятся в аустените перед закалкой. Углерод является самым сильным элементом для снижения температуры Ms, но другие элементы также снижают Ms. В формулу подставляется весовая доля элементов, растворенных в аустените.

Фактически, температура окончания мартенситного превращения Mf может быть ниже комнатной температуры. Это причина, по которой аустенит сохраняется после закалки при охлаждении до комнатных температур. Превращение аустенита в мартенсит происходит неполным, и в стали может присутствовать остаточный аустенит. Поэтому и появилась 'обработка холодом' (криообработка) - охлаждение стали до температур ниже комнатной, для того чтобы происходило более полное превращение аустенита в мартенсит.
Аустенит - это мягкая фаза, намного мягче, чем мартенсит. Конечная твердость стали будет некой суммой твердости всех фаз = (доля мартенсита)(твердость мартенсита) + (доля аустенита)(твердость аустенита).

На примере D2 видно, что при максимально возможной твердости (hardness) 65 HRC при 1030°C содержание остаточного аустенита (retained austenite) около 15%. Обычно при содержании остаточного аустенита до 15% он не сильно понижает итоговую твердость, всего на 0,5-1 HRC. Но при содержании остаточного аустенита больше 15% твердость стали начинает сильно падать.

Практическая часть
Для оценки твердости стали надо рассчитать количество углерода, растворенного в аустените при заданной температуре аустенизации, и посчитать температуры начала мартенситного превращения.
К D2 и ZDP-189 добавим еще 4 стали:

В сталях 440А, Sandvik 13c26 и Caldie одинаковое общее количество углерода, равное 0,7%, но разное количество хрома. Интересно будет посмотреть, в каком соотношении хром и углерод растворятся в аустените для каждой стали и какая максимальная возможная твердость?

Значения точки начала мартенситного превращения Ms рассчитываются по формуле:
Сравнивая между собой количество углерода в аустените в разных сталях, можно оценить примерную твердость. Например, 440С при температуре аустенизации 1050°C будет иметь такую же твердость, как и Sandvik 13c26, закаленный с температуры 1040°C, так как имеют равное количество углерода в аустените, при 0.42% С можно ожидать твердость стали после закалки ~60-61 HRc.
Теперь попробуем оценить максимальную возможную температуру аустенизации, а соответственно и максимально возможную концентрацию углерода (твердости) и прочих элементов в аустените для конкретной стали. Для этого мы рассчитали температуру начала мартенситного превращения Ms. Если соотнести значения температур, при которых в сталях получается максимальная твердость (например, см. график D2 выше, максимум при 1030°C) с температурами наших расчетов, то получается, что максимально возможная твердость достигается при значениях Ms в диапазоне 180-220°C. Более точные значения температур аустенизации для конкретных сталей мы можем взять как раз из анализа даташитов сталей, но не всегда в них есть нужные графики. Так что мы будем сравнивать состав аустенита при Ms~200°C. Можно, конечно, рассматривать состав аустенита и при более низких температурах Ms, но в таком случае есть риск того, что аустенит при закалке не перейдет в мартенсит.
Для удобства анализа, значения для близких Ms (199-205°C) скомпилируем в одну таблицу. Напомню, что тот углерод, который не находится в аустените, останется в карбидах.

Примеры оценок твердости, которые можно сделать из анализа таблицы: