Под термической обработкой металлов и сплавов понимают совокупность операций, включающих нагрев до требуемой температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с заданной скоростью до определённой температуры. Термическая обработка изменяет структуру металлов и сплавов, чем достигается получение нужных свойств. Хотя первые сведения о некоторых видах термической обработки относятся к концу третьего тысячелетия до н. э., её научные основы были заложены только в XIX в. выдающимся русским металлургом бывшего Обуховского завода в Санкт-Петербурге Д.К. Черновым. Именно ему принадлежит заслуга преобразования металловедения из науки чисто описательной в науку созидающую.

Общее представление о превращениях, протекающих в стали при нагреве или охлаждении, дает диаграмма состояния Fе – Fe₃С. При нагреве несколько выше критической точки Ас₁ феррито-карбидная структура (перлит) превращается в аустенит. Это превращение состоит из двух процессов, которые протекают одновременно: полиморфного ?>?-перехода и растворения цементита в аустените. При нагреве эвтектоидной стали выше Ас₁ образуется однофазная структура – аустенит, при нагреве до- и заэвтектоидных сталей – двухфазная: «феррит + аустенит» и «аустенит + цементит» соответственно. В доэвтектоидных сталях при нагреве в интервале температур Ас₁ – Ас₃ феррит постепенно превращается в аустенит, содержание углерода в котором уменьшается в соответствии с линией GS. Выше критической точки Ас₃ феррит исчезает, а содержание углерода в аустените становится равным его содержанию в стали. Аналогично в заэвтектоидных сталях в температурном интервале Ас₁ – Асm происходит растворение избыточного цементита. Выше критической точки Асm цементит исчезает, а содержание углерода в аустените становится равным его содержанию в стали.

Превращение перлита в аустенит протекает в результате образования зародышей аустенита и последующего их роста. Зародыши образуются на границах раздела «феррит – кар-
бид». Поэтому чем дисперснее была структура перлита, тем будет больше зародышей аустенита, а его начальное зерно мельче. Увеличение скорости нагрева приводит к массовому возникновению зародышей аустенита, что также способствует образованию мелкого зерна.

С увеличением времени выдержки при заданной температуре или при её повышении зерно, в результате собирательной рекристаллизации, увеличивается: мелкие зёрна поглощаются более крупными, термодинамически более устойчивыми.

Склонность зёрен аустенита к росту даже у сталей одного марочного состава может быть неодинаковой и зависит от условий их выплавки. Различает два предельных типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.

В наследственно крупнозернистой стали при температурах, незначительно превышающих Ас₁, наблюдается сильный рост зерна. К этой группе относятся стали, раскисленные ферромарганцем или ферромарганцем и ферросилицием*. Стали, дополнительно раскисленные алюминием, относятся к наследственно мелкозернистым. В таких сталях, даже при нагреве до 1 000–1 050 °С, зерно увеличивается незначительно. При более высоких температурах наблюдается бурный рост зерна. Такая закономерность обусловлена влиянием дисперсных частиц нитрида АlN, образующихся при раскислении алюминием. Располагаясь по границам зёрен, они тормозят их рост. Растворение частиц нитрида при высоких температурах вызывает интенсивный рост зерна.

В двухфазных областях в интервале температур Ас₁ – Ас₃ и Ас₁ – Асm, т. е. в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях, рост зерна аустенита сдерживается участками феррита и нерастворившимися частицами цементита.

Карбидо- и нитридообразующие элементы, такие как титан, цирконий, ванадий, ниобий и другие, образующие термодинамически прочные соединения, сильно сдерживают рост зерна аустенита. С другой стороны, труднорастворимые дисперсные частицы карбидов и нитридов выполняют роль готовых центров кристаллизации, что также приводит к формированию мелкого зерна. Марганец и фосфор способствуют росту аустенитного зерна.

По поводу понятий «наследственно мелкозернистая сталь» и «наследственно крупнозернистая сталь» необходимо сделать следующее замечание. Эти понятия не означают, что та или иная сталь всегда имеет крупное или всегда мелкое зерно. Они указывают на то, что при нагреве до определенных температур крупнозернистая сталь приобретает крупное зерно при более низкой температуре, чем сталь мелкозернистая.

Увеличение размера зерна понижает прочность (?_В, ?_Т), пластичность (?, ?), резко снижает ударную вязкость, повышает порог хладноломкости. Трещиностойкость, или вязкость разрушения, К_1с ведет себя аномально. Стали после закалки и низкого отпуска при крупности зерна аустенита 10–15 мкм имеют минимальную величину К_1с. При других размерах зерна, как больших, так и меньших, трещиностойкость возрастает. Измельчение зерна повышает конструктивную прочность стали. Крупное зерно получают только в электротехнических сталях с целью повышения их магнитных свойств.

Величина действительного аустенитного зерна, т. е. зерна, полученного в результате той или иной термической обработки, определяется различными методами, с которыми можно познакомиться в рекомендуемой литературе.