Холоднокатаная сталь (преимущественно низкоуглеродистая) в виде тонкой ленты или листов.

Способность расплав. металла заполнять литейную форму; одно из важнейших технолог. свойств литейных сплавов. При высокой Ж. отливка более точно повторяет конфигурацию формы, что особенно важно при изготовлении тонкостенных изделий. Ж. измеряют с помощью спец. литейной формы, имеющей спиралевидный канал, в который заливают испытуемый сплав. Чем выше Ж., тем более длинный участок спирали заполняется металлом. С повышением температуры заливки Ж.сплава возрастает.

Сплавы железа с углеродом на основе железа. Варьируя состав и структуру, получают Ж. с. с разнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами. Различают чистые Ж. с. (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей, и технические Ж. с. - стали (до 2%С) и чугуны (св. 2% С), мировое производство которых измеряется сотнями млн. т. Технические Ж. с. содержат примеси. Их делят на обычные (фосфор Р, сера S, марганец Mn, кремний Si, водород Н, азот N, кислород О), легирующие (хром Cr, никель Ni, молибден Mo, вольфрам W, ванадий V, титан Ti, кобальт Со, медь Cu и др.) и модифицирующие (магний Mg, церий Ce, кальций Ca и др.). В большинстве случаев основой, определяющей строение и свойства сталей и чугунов, является система Fe - С. Начало научному изучению этой системы положили русские металлурги П. П. Аносов (1831) и Д. К. Чернов (1868). Аносов впервые применил микроскоп при исследовании Ж. с., а Чернов установил их кристаллическую природу, обнаружил дендритную кристаллизацию и открыл в них превращения в твёрдом состоянии. Из зарубежных учёных, способствовавших созданию диаграммы состояния Fe - С сплавов, следует отметить Ф. Осмонда (Франция), У. Ч. Робертса-Остена (Англия), Б. Розебома (Голландия) и П. Геренса (Германия).

Фазовые состояния Ж. с. при разных составах и температурах описываются диаграммами стабильного (см. рис. 1, 2) и метастабильного равновесий. В стабильном состоянии в Ж. с. встречаются жидкий раствор углерода в железе (Ж), три твёрдых раствора углерода в полиморфных модификациях железа (табл. 1)

Рис. 1 Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: состояние стабильных равновесий

Рис. 2 Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: Состояние метастабильных равновесий

Таблица 1

Кристаллические фазы железоуглеродистых сплавов

a-раствор (a-феррит), g-раствор (аустенит) и d-раствор (d-феррит), и графит (Г). В метастабильном состоянии в Ж. с. встречаются Ж, a-, g-, d-растворы и карбид железа Fe₃C - цементит (Ц). Области устойчивости Ж. с. в однофазных и двухфазных состояниях указаны на диаграммах. При некоторых условиях в Ж. с. могут существовать в равновесии и три фазы. При температурах НВ возможно перитектич. равновесие d + g + Ж, E-C-F- - эвтектическое стабильное равновесие g + Ж + Г; при ECF - эвтектическое метастабильное равновесие g + Ж + Ц; при P'S'K' - эвтектоидное стабильное равновесие a + g + Г', при PSK - эвтектоидное метастабильное равновесие a + g + Ц. Диаграммы а и б вычерчиваю и в одной координатной системе . Такая сдвоенная диаграмма наглядно характеризует относительное смещение однотипных линий равновесия и облегчает анализ Ж. с., содержащих стабильные и метастабильные фазы одновременно.

Основной причиной появления в Ж. с. высокоуглеродистой метастабильной фазы в виде цементита являются трудности формирования графита. Образование графита в жидком растворе Ж и твёрдых растворах a и g связано с практически полным удалением атомов железа из участков сплава, где зарождается и растет графит. Оно требует значительных атомных передвижений. Если Ж. с. охлаждаются медленно или длительно выдерживаются при повышенных температурах, атомы железа успевают удалиться из мест, где формируется графит, и тогда возникают стабильные состояния. При ускоренном охлаждении и недостаточных выдержках удаление малоподвижных атомов железа задерживается, почти все они остаются на месте, и тогда в жидких и твёрдых растворах зарождается и растет цементит. Необходимая для этого диффузия легкоподвижных при повышенных температурах атомов углерода, не требующая больших выдержек, успевает происходить и при ускоренном охлаждении. Помимо основных фаз, указанных на диаграммах, в технических Ж. с. встречаются небольшие количества и др. фаз, появление которых обусловлено наличием примесей. Часто встречаются сульфиды (FeS, MnS), фосфиды (Fe₃P), окислы железа и примесей (FeO, MnO, Al₂O₃, Cr₂O₃, TiO₂ и др.), нитриды (FeN, AlN) и др. неметаллические фазы. Точечными линиями на диаграммах отмечены точки Кюри, наблюдающиеся в Ж. с. в связи с магнитными превращениями феррита (768°С) и цементита (210°С).

Строение Ж. с. определяется составом, условиями затвердевания и структурными изменениями в твёрдом состоянии. В зависимости от содержания углерода Ж. с. делят на стали и чугуны. Стали с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектоидная S' и S (табл. 2), называют доэвтектоидными, а более высокоуглеродистые - заэвтектоидными. Чугуны с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектическая C¹ и С, называют доэвтектическими, а более высокоуглеродистые - заэвтектическими.

Таблица 2.

Координаты точек диаграмм Fe - С

Строение затвердевших Ж. с. существенно изменяется при дальнейшем охлаждении. Эти изменения обусловлены полиморфными превращениями железа, уменьшением растворимости в нём углерода, графитизацией цементита. Структура может изменяться в твёрдом состоянии в результате процессов рекристаллизации твёрдых растворов, сфероидизации кристаллов (из неравноосных становятся равноосными), коалесценции (одни кристаллы цементита укрупняются за счёт других) высокоуглеродистых фаз.

Полиморфные превращения Ж. с. связаны с перестройками гранецентрированной кубической (ГЦК) решётки g-Fe и объёмноцентрированной решётки (ОЦК) a- и d-Fe

(ГЦКОЦК)

В зависимости от условий охлаждения и нагревания полиморфные превращения твёрдых растворов происходят разными путями. При небольших переохлаждениях (и перегревах) имеет место т. н. нормальная перестройка решёток железа, осуществляющаяся в результате неупорядоченных индивидуальных переходов атомов от исходной фазы к образующейся; она сопровождается диффузионным перераспределением углерода между фазами. При больших скоростях охлаждения или нагревания полиморфные превращения твёрдых растворов происходят бездиффузионным (мартенситным) путём. Решётка железа перестраивается быстрым сдвиговым механизмом в результате упорядоченных коллективных смещений атомов без диффузионного перераспределения углерода между фазами. Например, при закалке Ж. с. в воде g- раствор переходит в a- раствор того же состава. Этот пересыщенный углеродом a- раствор называют мартенситом (см. рис. 2, е). Превращения при промежуточных условиях могут совмещать в себе сдвиговую перестройку решётки железа с диффузионным перераспределением углерода (бейнитное превращение). Формирующиеся при этом структуры существенно различны. В первом случае образуются равноосные с малым числом дефектов кристаллы твёрдого раствора (см. рис. 2, а.). Во втором и третьем - игольчатые и пластинчатые кристаллы (см. рис. 2, е) с многочисленными двойниками и линиями скольжения. Структура Ж. с. изменяется также и в связи с изменением растворимости углерода в a- и g-железе при охлаждении и нагревании. При охлаждении растворы пересыщаются углеродом и выделяются кристаллы высокоуглеродистых фаз (цементита и графита). При нагревании имеющиеся высокоуглеродистые фазы растворяются в a- и g-фазах.

Рис. 2а Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 0,15% С: зёрна феррита (светлые) и участки перлита (тёмные). Увеличено в 150 раз

Рис. 2б Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 0,65% С (сетка феррита и перлит). Увеличено в 150 раз

Зарождение и рост кристаллов цементита в пересыщенных растворах происходит обычно с большей скоростью, чем образование графита, и поэтому Ж. с. часто метастабильны. В зависимости от переохлаждения цементит, выделяющийся из твёрдого раствора, может иметь вид равноосных кристаллов, пограничной сетки, пластин и игл (см. рис. 2, г, д.). При высокотемпературных выдержках кристаллы цементита сфероидизируются; может происходить и процесс коалесценции. Если Ж. с., содержащие цементит, длительно выдерживать при повышенных температурах, происходит графитизация - зарождается и растет графит, а цементит растворяется, Этот процесс используется при производстве изделий из графитизированной стали и ковкого чугуна. Важную роль при формировании структуры Ж. с. в твёрдом состоянии играет эвтектоидный распад т-раствора на a-раствор и высокоуглеродистую фазу. При очень малых переохлаждениях образуются феррит и графит, при небольшом увеличении переохлаждения - феррит и сфероидизированный цементит (см. рис. 2, г), затем (см. рис. 2, в) смесь феррита и цементита приобретает пластинчатое строение перлита, тем более тонкое, чем больше переохлаждение. При персохлаждениях, измеряемых сотнями градусов, эвтектоидный распад подавляется, и g- раствор превращается в мартенсит (см. рис. 2, е). Строение Ж. с. можно изменять в широких пределах. Основными методами управления структурой Ж. с. являются изменения химического состава, условий затвердевания, пластической деформации, термической и термомеханической обработок. Меняя фазовый состав, величину, форму, распределение и дефектность кристаллов, можно широко варьировать и свойства Ж. с. Например, важнейшие при эксплуатации Ж. с. механические свойства изменяются в следующих пределах: твёрдость от 60 до 800 HB; предел прочности 2·10⁴-3,5·10⁶ н/см² (2·10³-3,5·10⁵ кгс/см²); относительное удлинение от 0 до 70%.

Рис. 2в Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 0,8% С (пластинчатый перлит). Увеличено в 500 раз

Рис. 2г Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 0,91% С (сфероидизированный цементит в феррите). Увеличено в 500 раз

Рис. 2д Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 1,18% С: сетка и пластины цементита (светлые) в перлите. Увеличено в 150 раз

Рис. 2е Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 0,85% С (пластины мартенсита и остаточный аустенит). Увеличено в 500 раз

Лит.: Д. К. Чернов и наука о металлах, под ред. Н. Т. Гудцова, Л.-М., 1950; Бочвар А. А., Металловедение, 5 изд., М., 1956; Лившиц Б. Г., Металлография, М., 1963; Тыркель Е., История развития диаграммы железо - углерод, пер. с польск., М., 1968; Бунин К. П., Баранов А. А., Металлография, М., 1970.

К. П. Бунин

Машина для завалки (загрузки) в сталеплавильную печь шихты (стального лома, твердого чугуна, руды и флюсов). Различают З. м. напольные и подвесные.

Напольные рельсовые З. м. (рис. 1) устанавливают в мартеновских цехах с крупными печами (ёмкостью 150 т и более). Все узлы машины смонтированы на мосту, который передвигается по рельсам, уложенным на рабочей площадке печного пролёта цеха вдоль фронта печей. Внутри моста перемещается тележка с хоботом, предназначенным для ввода коробки с шихтой (мульды) в завалочное окно печи. Грузоподъёмность таких З. м. от 7 до 15 т. Они просты по конструкции, надёжны в эксплуатации, высокопроизводительны (одна машина может обслуживать 4 печи), но требуют сооружения утяжелённой рабочей площадки. Напольные безрельсовые З. м. предназначены для обслуживания печей малой ёмкости (5—20 т). В отличие от напольных рельсовых З. м., они могут передвигаться в любом направлении и легко разворачиваются даже на небольших площадках.

Рис. 1 Схема напольной рельсовой завалочной машины: 1 — мартеновская печь; 2 — мульда; 3 — мульдовая тележка; 4 — хобот; 5 — тележка завалочной машины; 6 — мост завалочной машины; 7 — токосъёмная конструкция; 8 — габарит подвижного состава

Подвесные З. м. работают, как правило, в цехах с печами средней ёмкости (20—150 т). Машина такого типа состоит из мостового крана с главной и вспомогательной (крановой) тележками (последняя предназначена для ремонтных работ и уборки шлака). Грузоподъёмность подвесных З. м. (в числителе — масса шихты в мульде, в знаменателе — грузоподъёмность вспомогательной тележки): 1,5/20, 3/10, 5/20 и 8/20 т. Достоинство подвесных З. м. заключается в том, что из-за отсутствия рельсовых путей облегчается обслуживание печей. К недостаткам машин такого типа относятся сложность конструкции, сравнительно невысокая производительность (каждая машина обслуживает 2—3 печи), невозможность работы в одном пролёте З. м. и заливочных кранов.

Лит.: Кружков В. А., Металлургические подъемнотранспортные машины, М., 1966.

С. И. Венецкий

Это предмет труда, из которого изменением формы, размеров, физико-химических свойств поверхности и (или) материала изготавливается деталь, при этом исходной называют заготовку перед первой технологической операцией. На практике широко применяют исходные штампованные заготовки, поковки и отливки (изделия или заготовки, получаемые соответственно технологическими методами штамповки, ковки или литья.

Cпособность стали приобретать в результате закалки высокую твёрдость (структуру мартенсита). З. определяется главным образом количеством углерода в стали, например при увеличении содержания углерода с 0,3 до 0,7% твёрдость углеродистой стали возрастает с 30 до 65 HRC (дальнейшее увеличение содержания углерода не влечёт за собой роста твёрдости). При содержании углерода меньше 0,4% З. повышают легированием стали никелем, марганцем, хромом, кремнием. З. следует отличать от прокаливаемости, характеризующей глубину образования мартенсита в структуре стали при закалке. См. также Закалка.

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 железо-углеродистых сплавов (см. рис. 1) термодинамически устойчивым состоянием стали при температурах, расположенных выше линии GSE диаграммы состояния, является аустенит - раствор углерода в g-железе (см. Железоуглеродистые сплавы); ниже линии PSK - смесь феррита (раствора углерода в a-железе) и цементита (карбида 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.

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

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 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. (см. 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.

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

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. 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, 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.

Среда, обеспечивающая охлаждение сплавов с требуемой при закалке скоростью. К закалочным средам относятся: вода, водные растворы солей, кислот и щелочей, минеральные и растительные масла, эмульсии, воздух. З. с. для сталей должны иметь повышенную охлаждающую способность в интервале температур 650-550ºС и пониженную при температуре 300ºС и ниже.

Нарушение сплошности деталей после закалки. Трещины имеют вид тонких зигзагообразных линий или черточек различной протяженности. З. т. образуются обычно в местах резкого перехода сечений детали при охлаждении в процессе закалки или при длительном вылеживании закаленных и неотпущенных деталей (см. рис. 1).

Рис. 1 Осадок магнитного порошка (из суспензии) на невидимых глазом закалочных трещинах в стальной детали

Закладной нагреватель, температура которого повышается благодаря электромагнитному полю индуктора (см. Индукционный нагрев). З.и.н. изготовляют из металлов: стали, никеля, кобальта или из оксидов металлов, напр. порошка оксида железа с размером частиц до 20 мкм. Оксиды металлов вводят в полимерный материал, аналогичный свариваемому материалу. Металл З.и.н. представляет собой проволоку, ленту, сетку, порошки или перфорированную фольгу. Форма и размер З.и.н. соответствуют форме и размеру соединяемых поверхностей.