Термическая обработка стали — управляемый нагрев и охлаждение, меняющие структуру и свойства без изменения формы: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.
Суть
Свойства стали задаёт не только химический состав, но и структура — размер зерна и то, из каких фаз она собрана. Структура зависит от того, как металл нагревали и охлаждали. Термообработка использует это напрямую: деталь нагревают до заданной температуры, выдерживают и охлаждают с нужной скоростью, а форма и размеры при этом остаются прежними.
Физическая основа — полиморфизм железа. При нагреве выше критических точек феррит с решёткой ОЦК переходит в аустенит с решёткой ГЦК, растворяющий углерод; при охлаждении аустенит распадается обратно. Медленное охлаждение даёт равновесную феррито-перлитную структуру, быстрое — фиксирует неравновесный мартенсит. Скорость охлаждения и есть главный «регулятор» термообработки.
Любой режим описывают тремя параметрами: температура нагрева, время выдержки, скорость охлаждения (среда — печь, воздух, масло, вода). Комбинации этих параметров и дают четыре основных вида ТО.
Виды
- Отжиг. Нагрев и медленное охлаждение вместе с печью. Снимает внутренние напряжения и наклёп, снижает твёрдость, возвращает пластичность. Рекристаллизационный отжиг после холодной деформации ведут ниже точки A1 (порядка 650–700 °C), полный — выше Ac3.
- Нормализация. Нагрев на 30–50 °C выше Ac3 и охлаждение на спокойном воздухе. Измельчает зерно, выравнивает структуру после горячей прокатки, поднимает ударную вязкость KCU/KCV при небольшом росте σт.
- Закалка. Нагрев выше Ac3 и быстрое охлаждение в воде или масле. Даёт мартенсит — максимальную твёрдость и прочность, но с высокой хрупкостью и напряжениями.
- Отпуск. Нагрев закалённой стали ниже A1: низкий (150–250 °C) снимает напряжения, средний (350–500 °C) даёт упругость, высокий (500–680 °C) — сочетание прочности и вязкости. Закалка с высоким отпуском называется улучшением.
Отдельная группа — химико-термическая обработка (цементация, азотирование), где вместе с нагревом меняют состав поверхностного слоя. К собственно термообработке она примыкает, но решает другие задачи — износостойкость поверхности.
Как читать в документах
В сертификате и стандартах состояние поставки указывают словами «термообработанные», «нормализованные», «после закалки с отпуском» или «без термообработки». Механические свойства в таблицах ГОСТ (σт, σв, δ5, KCU, HB) привязаны именно к состоянию: одна и та же марка в горячекатаном и нормализованном виде даёт разные цифры. Поэтому сравнивать характеристики сталей корректно только при одинаковой обработке.
Ключевые числа
| Критическая точка A1 (перлитное превращение) | 727 °C для системы Fe–C |
|---|---|
| Точка A3 чистого железа (α → γ) | 911 °C |
| Температура нормализации и полного отжига | Ac3 + 30–50 °C (доэвтектоидные стали) |
| Диапазоны отпуска | низкий 150–250 °C, средний 350–500 °C, высокий 500–680 °C |
| Сталь 20, нормализованная (ГОСТ 1050) | σт ≥ 245 МПа, σв ≥ 410 МПа, δ5 ≥ 25 %, ψ ≥ 55 % |
| Сталь 20 без ТО, твёрдость (ГОСТ 1050) | не более 163 HB |
| Трубы из стали 20 в термообработанном состоянии (ГОСТ 8731) | σв ≥ 412 МПа, σт ≥ 245 МПа, δ5 ≥ 21 % |
Где встречается в трубах
Для труб термообработка — штатная операция после деформации: горячедеформированные трубы нормализуют, чтобы выровнять структуру после прокатки; холоднодеформированные отжигают, снимая наклёп; у электросварных труб отдельно термообрабатывают шов или весь объём, чтобы убрать закалочные структуры зоны сплавления. Состояние поставки задаётся стандартом и группой труб.
- Режимы и назначение ТО для труб разных способов производства — в статье термообработка труб.
- Горячедеформированные бесшовные трубы по ГОСТ 8732-78 — свойства нормируются для термообработанного состояния (ГОСТ 8731).
- Электросварные трубы по ГОСТ 10705 изготавливают термообработанными по всему объёму или по сварному соединению (по согласованию — без ТО) — см. электросварные трубы.
- Марки, для которых ТО меняет свойства сильнее всего: сталь 20, 09Г2С; требования по маркам — в библиотеке стандартов.
- Связанные термины: структурные составляющие, наклёп, ударная вязкость.
Связанные термины
- НормализацияНагрев выше критической точки и охлаждение на воздухе: измельчает зерно, выравнивает структуру, повышает ударную вязкость — штатная ТО горячедеформированных труб.
- Закалка и отпускЗакалка фиксирует твёрдый мартенсит быстрым охлаждением, отпуск снимает хрупкость; вместе — «улучшение», дающее высокую прочность с вязкостью.
- ОтжигМедленное охлаждение после нагрева: снимает внутренние напряжения и наклёп, возвращает пластичность — например, после холодной деформации труб.
- Феррит, перлит, аустенит, мартенситСтруктурные составляющие стали: мягкий феррит, прочный слоистый перлит, высокотемпературный аустенит и твёрдый закалочный мартенсит.
- Кристаллическая решётка железаАтомы железа упакованы в решётку ОЦК (α-железо, феррит) или ГЦК (γ-железо, аустенит); переход между ними при нагреве — основа всей термообработки.