Закалка

Зака́лка

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, кристаллической 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 определённом технологическом процессе многие вещества, (металлы, их сплавы, стекло и пр.).

Закалка стали. Наиболее широкая группа материалов, подвергаемых З., — стали. В соответствии с диаграммой состояния (См. Диаграмма состояния) железо-углеродистых сплавов (рис. 1) термодинамически устойчивым состоянием стали при температурах, расположенных выше линии GSE диаграммы состояния, является Аустенит — раствор углерода в γ-железе (см. Железоуглеродистые сплавы); ниже линии PSK — смесь феррита (раствора углерода в α-железе) и цементита (карбида (См. Карбиды) железа Fe₃C). При медленном охлаждении от температур, расположенных выше линии PSK, 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 твёрдости, прочности, магнитного 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 (См. Термическая обработка) 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 её 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 PSK; 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 PSK (неполная З.), затем быстро охлаждают до температур ниже линии PSK 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: твёрдость 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.

Закалённая сталь отличается большой хрупкостью, поэтому после З. её обычно подвергают Отпуску. При одной и той же твёрдости 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 её не только для получения стали с высокой твёрдостью, но и для получения (после соответствующего отпуска) стали со средней и низкой твёрдостью, но обладающей хорошими конструкционными свойствами.

Закалка стареющих сплавов. Если равновесная концентрация твёрдого 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 твёрдого 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 (магнитные 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 магнитов и др.

Закалка 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.

Закалка 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 (См. Внутреннее трение). 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.

Закалка жидкости. З. может задерживать кристаллизацию жидкостей. Результат З. в этом случае — переход жидкости в стекловидное состояние. Скорость кристаллизации металлов слишком велика, поэтому получить их в стекловидном аморфном состоянии обычно не удаётся.

Закалка из жидкого состояния. Для некоторых систем, имеющих определенный вид диаграммы состояния, возможна З. из жидкого состояния. Такая З. позволяет устранить ликвацию (См. Ликвация), возникающую при кристаллизации с обычной скоростью охлаждения; получить пересыщенный твёрдый раствор, содержащий значительно большее количество второго компонента, чем это возможно по диаграмме состояния; получить метастабильные фазы, не возникающие при медленной кристаллизации 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.

Рис. 1. Часть диаграммы состояния системы железо-углерод, соответствующая сталям.

Рис. 2. Часть диаграммы состояния системы алюминий — медь, примыкающая к алюминию. При закалке из α-области фиксируется твердый раствор, оказывающийся при низких температурах сильно пересыщенным медью.