Формирование структуры сталей и сплавов: особенности термической обработки

Современные технологии предъявляют высокие требования к механическим и эксплуатационным характеристикам сталей и сплавов. Одним из основных способов их регулирования является термообработка — процесс, позволяющий целенаправленно изменять внутреннюю структуру и, как следствие, свойства металла.

Факт: правильно подобранный режим нагрева и охлаждения способен превратить обычную сталь в прочный материал, выдерживающий экстремальные нагрузки и высокие температуры.

Основные цели термической обработки

Термообработка позволяет металлу менять характер внутренней структуры, а значит — и свои свойства. Главные задачи процесса:

• Повышение твердости и прочности (закалка) — металл приобретает устойчивость к износу и деформации.
• Снижение внутренних напряжений (отжиг) — уменьшается риск трещин и улучшает обрабатываемость.
• Улучшение ударной вязкости (отпуск) — снижается хрупкость, материал становится более «живучим» при нагрузках.
• Придание специальных свойств — например, жаропрочности или устойчивости к коррозии.

Каждый режим нагрева и охлаждения сопровождается сложными фазовыми превращениями, формирующими конечную структуру и эксплуатационные характеристики стали или сплава.

Виды термообработки

Отжиг — «мягкая перестройка» структуры

Нагрев стали до определенной температуры с последующим медленным охлаждением. Главная цель — снизить внутренние напряжения и повысить пластичность.

Виды:

• Полный отжиг:
  
  • Нагрев на 30–50°C выше критической точки Ас₃ (для доэвтектоидных сталей) или Ас₁ (для заэвтектоидных сталей).
  • Медленное охлаждение вместе с печью.
  • Структура: равновесная феррито-перлитная или перлитная.
  • Назначение: улучшение обрабатываемости, измельчение зерна, устранение внутренних напряжений.
• Неполный отжиг:
  
  • Нагрев до температуры между Ас₁ и Ас₃.
  • В структуре: частичный распад аустенита с образованием перлита и сохранением части исходного кристаллического строения.
  • Назначение: снижение твердости после обработки давлением без полной перекристаллизации.
• Нормализация:
  
  • Нагрев выше Ас₃ с охлаждением на воздухе.
  • Используется для устранения цементитной сетки и улучшения структуры крупногабаритных деталей.
  • Структура: более тонкий перлит (сорбит) по сравнению с отжигом.
  • Назначение: повышение прочности и ударной вязкости.

Закалка — когда металл становится твердым как камень

Нагрев стали до температур выше Ас₃ (для доэвтектоидных сталей) или Ас₁ (для заэвтектоидных сталей) с последующим быстрым охлаждением для получения неравновесных структур.

Образование мартенсита и остаточного аустенита:

• При быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с высокой твердостью и хрупкостью.
• Часть аустенита может остаться в структуре (остаточный аустенит), что снижает твердость и стабильность размеров.

Среды охлаждения:

• Вода — максимальная скорость охлаждения, но высокий риск образования трещин.
• Масло — уменьшение напряжений, но снижение прокаливаемости.
• Полимерные растворы — компромиссный вариант, сочетающий свойства воды и масла.

Интересный факт: глубина закаленного слоя зависит от легирующих элементов. Например, хром, молибден и марганец увеличивают прокаливаемость, позволяя упрочнять крупные детали.

Отпуск — мягкая «релаксация» после закалки

Нагрев закаленной стали до температуры ниже Ас₁ для снижения внутренних напряжений и повышения пластичности.

Виды отпуска:

• Низкий (150–250°C):
  
  • Частичное выделение углерода из мартенсита с образованием ε-карбидов.
  • Результат: снижение хрупкости при сохранении твердости (58–62 HRC).
  • Применение: режущий инструмент, измерительные приборы.
• Средний (350–450°C):
  
  • Распад остаточного аустенита и превращение мартенсита в троостит.
  • Результат: сочетание повышенной прочности и упругости (40–50 HRC).
  • Применение: пружины, рессоры.
• Высокий (500–650°C):
  
  • Полное выделение углерода и формирование сорбита отпуска.
  • Результат: оптимальное соотношение прочности и вязкости (30–40 HRC).
  • Применение: детали, работающие при ударных нагрузках (например, валы, шестерни).

Выбор вида термической обработки зависит от требуемых свойств стали:

• отжиг обеспечивает равновесную структуру и улучшает обрабатываемость;
• закалка придает высокую твердость;
• отпуск снижает хрупкость и стабилизирует структуру.

Грамотно комбинируя эти процессы, можно получать одновременно твердый и пластичный материалы с заданными эксплуатационными свойствами.

Особенности термообработки легированных сталей

Легированные стали содержат никель (Ni), хром (Cr), ванадий (V), молибден (Mo), вольфрам (W) и другие химические элементы, которые существенно влияют на кинетику фазовых превращений и свойства материала:

• Замедление превращений — легирующие элементы, кроме кобальта (Co), увеличивают устойчивость аустенита, что требует более медленного охлаждения для закалки (например, в масле вместо воды).
• Повышение прокаливаемости — элементы типа хром (Cr), молибден (Mo), марганец (Mn) увеличивают глубину закаленного слоя, позволяя упрочнять крупные изделия.
• Влияние на температуру превращений — сдвиг критических точек (Ас₁, Ас₃) в сторону повышения или понижения. Например, никель (Ni) и марганец (Mn) понижают Ас₃.
• Образование специальных карбидов (VC, TiC, WC) — такие соединения образуются при высоких температурах отпуска и обеспечивают дисперсионное твердение.
• Подавление роста зерна — карбидообразующие элементы, такие как ванадий (V) и титан (Ti), препятствуют перегреву и способствуют сохранению мелкозернистой структуры материала.
• Образование интерметаллидных фаз — химических соединений металлов с упорядоченной кристаллической решеткой, часто обладающих высокой твердостью и термостойкостью.

В жаропрочных сталях образуются фазы Лавеса (Fe₂Mo, Fe₂W), повышающие прочность материала; в нержавеющих — σ-фаза (FeCr) — хрупкая составляющая, способная при длительном нагреве серьезно ослабить сплав.

Влияние термической обработки на свойства материалов

Плюсы термической обработки: 

• повышение прочности, износостойкости, жаропрочности;
• сохранение свойств при высоких температурах за счет образования интерметаллид.

Минусы термообработки:

• риск охрупчивания, особенно при избытке σ-фазы;
• снижение коррозионной стойкости, например, выделение Cr₂₃C₆ в нержавеющих сталях.

Влияние на механические свойства

Твердость

• Закалка приводит к резкому увеличению твердости (до 60–65 HRC для углеродистых сталей) благодаря образованию мартенсита 一 пересыщенного твердого раствора углерода в α-железе.
• Отпуск снижает твердость: чем выше температура отпуска, тем значительнее уменьшение (при высоком отпуске до 30–35 HRC).
• Отжиг дает наиболее низкие значения твердости (120–200 HB), что улучшает обрабатываемость резанием.

Прочность

• Максимальная прочность достигается после закалки с последующим низким отпуском (σ_в до 2000–2500 МПа для легированных сталей).
• Нормализация обеспечивает оптимальное сочетание прочности (σ_в 600–900 МПа) и пластичности.

Пластичность

• Благодаря равновесной феррито-перлитной структуре после отжига достигается максимальная пластичность (δ = 20–30%).
• Закалка резко снижает пластичность (δ = 2–5%), но последующий отпуск восстанавливает ее до приемлемых значений.
• Дисперсионно-твердеющие сплавы сохраняют δ = 8–15% после оптимального старения.

Ударная вязкость (KCU)

• Высокий отпуск закаленной стали с сорбитной структурой (высокодисперсная разновидность перлита) обеспечивает наиболее высокую ударную вязкость (1–2 МДж/м²).
• Мартенсит закалки имеет низкую ударную вязкость (0,2–0,5 МДж/м²).
• Опасное снижение KCU может происходить при:
  
  • температуре отпуска 300–400°C (отпускная хрупкость II рода);
  • образовании σ-фазы в нержавеющих сталях.

Коррозионная стойкость

• Закалка аустенитных нержавеющих сталей, например, 12Х18Н10Т, фиксирует гомогенную (однородную) структуру, обеспечивая максимальную коррозионную стойкость.

• Отпуск при 450–650°C может снижать коррозионную стойкость из-за:
  
  • выделения карбидов хрома по границам зерен;
  • образования σ-фазы в высокохромистых сталях.

Термическая стабильность

• Жаропрочные стали приобретают оптимальную структуру после закалки и высокого отпуска при 700–750°C.
• Никелевые суперсплавы сохраняют прочность при высоких температурах благодаря:
  
  • γ'-упрочнению;
  • стабилизации карбидной сетки по границам зерен.

Значение термической обработки для металлургии и машиностроения

Термическая обработка является одним из ключевых технологических процессов в современной металлургии и машиностроении. Она позволяет точно контролировать изменения структуры материалов и, как следствие, получить изделия с требуемыми эксплуатационными свойствами.

В металлургии термическая обработка дает возможность расширить эксплуатационные возможности сплавов без изменения их химического состава. Оптимизация режимов термообработки позволяет создавать материалы с уникальными свойствами: от высокопрочных конструкционных сталей до жаропрочных никелевых и титановых сплавов.

В машиностроении она обеспечивает долговечность и надежность деталей машин, работающих в экстремальных условиях, среди которых наиболее значимыми являются ударные нагрузки, высокие температуры и агрессивные среды. Например, закалка и отпуск повышают износостойкость шестерен и валов различного оборудования.  

Термически обработанные стали и сплавы

Термообработка — не просто технологический этап, а инструмент управления структурой металла. Она позволяет создавать материалы с высокой прочностью, износо- и коррозионной стойкостью, а также жаропрочностью.

На ПЗПС можно купить холоднокатаную ленту из:

• жаропрочной стали 20Х13 и сплава ХН78Т;
• прецизионных сплавов для упругих элементов: 40КХНМ, 36НХТЮ, 17ХНГТ;
• коррозионностойких сталей: 12Х18Н9, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т;
• прецизионных магнитно-мягких сплавов: 49К2ФА-ВИ, 27КХ, 50Н, 50НП, 79НМ, 81НМА;
• прецизионных сплавов с высоким электросопротивлением марок Х15Ю5, Х23Ю5, Х23Ю5Т, Х15Н60-Н, Х20Н80-Н.

Благодаря тщательно разработанным режимам термообработки каждая лента становится надежным элементом сложной конструкции или прибора.

Закажите материалы на ПЗПС — и получите гарантированное качество, точность и надежность. Свяжитесь с нами по телефону +7 (812) 740–76–87 или оставьте заявку на сайте, чтобы подобрать оптимальный материал и режим обработки под ваши задачи. Наши специалисты помогут выбрать сплав и технологию, обеспечивая долговечность и надежность изделий.

‍