64. Отжиг и нормализация, закалка

Отжиг заключается в нагреве стали (доэвтектоидной - выше температуры АС3, а заэвтектоидной - выше температуры АС1) с последующим медленным охлаждением вместе с печью. Если нагреть доэвтектоидную сталь выше АС1, но ниже АС3, то полной перекристаллизации металла не произойдет. Такую термическую обработку называют неполным отжигом, который применяют для улучшения обрабатываемости резанием доэвтектоидных сталей (см. таблицу 1). Подобный отжиг конструкционных легированных сталей проводят при 750...770°С с последующим охлаждением со скоростью 30...60°С/ч, причем чем выше легированность стали, тем медленнее ее охлаждение. Отжиг снижает твердость и повышает вязкость стали, улучшает ее обрабатываемость и стабилизирует физические свойства.

Таблица 1. Режимы отжига

Нормализация отличается от отжига повышенной скоростью охлаждения, которое проводят не в печи, а на воздухе (спокойном или движущемся). Нормализацию осуществляют для размельчения зерна металла и повышения прочности последнего. Эффект, получаемый от нормализации, зависит от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Нормализация с целью размельчения зерен обеспечивает большую производительность при последующей обработке металла резанием, а также позволяет получить более чистую поверхность обрабатываемых деталей. Нормализацию с последующим высоким отпуском (при температуре 600...650°С) часто используют для исправления структуры легированных сталей, применяя ее вместо полного отжига, так как производительность этих двух операций (нормализации и отпуска) выше, чем одного отжига.

Закалка заключается в нагреве стали на 30...50°С выше температур АС3 (для доэвтектоидных сталей) или АС1 (для заэвтектоидных сталей), некоторой выдержке металла при соответствующей температуре для завершения фазовых превращений и последующем его охлаждении со скоростью выше критической. При нагреве стали выше температуры АС3 закалку называют полной, при нагреве выше АС1 (на 30...50°С) - неполной. Неполную закалку (НЗ) для доэвтектоидных сталей, как правило, не применяют, а используют ее главным образом при термической обработке инструментальных сталей (см. таблицу 2). Охлаждение углеродистых сталей проводят чаще всего в воде, а легированных - в масле или в других средах. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Дело в том, что в результате закалки сталь приобретает хрупкость и в ней возрастают внутренние напряжения. Чтобы избавиться от того и другого, сталь после закалки обязательно отпускают. Инструментальную сталь, в основном, подвергают подобной термообработке (закалке и отпуску) для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную - как для увеличения прочности и твердости, так и для придания ей достаточной высокой пластичности и вязкости.

65. Отпуск и искусственное старение

Отпуск — это заключительная операция термической обработки стали, которая заключается в нагреве ниже температуры перлитного превращения (727°С), выдержке и последующем охлаждении. При отпуске формируется окончательная структура стали. Цель отпуска — получение заданного комплекса механических свойств стали, а также полное или частичное устранение закалочных напряжений. Различают следующие виды отпуска: — низкий отпуск проводят при 150—200°С для снижения внутренних напряжений и некоторого уменьшения хрупкости мартенсита. Закаленная сталь после низкого отпуска имеет структуру отпущенного мартенсита, твердость ее почти не снижается, а прочность и вязкость повышаются. Низкий отпуск применяют для углеродистых и низколегированных сталей, из которых изготавливается режущий и измерительный инструмент, а также для машиностроительных деталей, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

— средний отпуск проводят при 350—450°С для некоторого снижения твердости при значительном увеличении предела упругости. Структура стали представляет троостит отпуска, обеспечивающий высокие пределы прочности, упругости и выносливости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок. Этот отпуск применяют для пружин, рессор и для инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.

— высокий отпуск проводят при 440—650°С для достижения оптимального сочетания прочностных, пластических и вязких свойств. Структура стали представляет собой однородный сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Высокий отпуск применяется для конструкционных сталей, детали из которых подвергаются действию высоких напряжений и ударным нагрузкам. Термическая обработка, состоящая из закалки с высоким отпуском (улучшение), является основным видом термической обработки конструкционных сталей.

Полное искусственное старение проводят при такой температуре и продолжительности, которые обеспечивают достижение максимальной прочности.  Неполное искусственное старение — это старение с более короткой выдержкой или при более низкой температуре, чем полное с целью повысить прочность при сохранении достаточной пластичности. Режимы неполного старения соответствуют восходящим ветвям кривых на рисунках Схема зависимости прочностных свойств и Схема зависимости прочности от температуры старения. Некоторая потеря возможного прироста прочности компенсируется меньшим снижением пластичности.  Перестаривание — это старение при более высокой температуре или большей выдержке, чем полное, с целью получить сочетание повышенных прочности, пластичности, коррозионной стойкости, электропроводности и других свойств. Режимы перестаривания соответствуют нисходящим ветвям кривых на рисунках Схема зависимости прочностных свойств и Схема зависимости прочности от температуры старения.  По сравнению с неполным старением перестаривание при той же прочности обеспечивает большую степень распада твердого раствора и коагуляцию выделений, что часто позволяет достигнуть требуемого комплекса разнообразных свойств.  Стабилизирующее старение — это разновидность перестаривания, целью которого является стабилизация свойств и размеров изделия.