Отжиг стали: виды и температурные режимы

Отжиг - базовая операция термообработки стали, цель которой снизить твёрдость, снять внутренние напряжения и сформировать равновесную феррито-перлитную структуру перед механической обработкой или другими видами термообработки. В зависимости от температуры нагрева относительно критических точек $A_{c1}$ и $A_{c3}$ выделяют три основных вида: полный, неполный и рекристаллизационный отжиг. Выбор режима напрямую определяет конечные свойства детали. Чтобы наглядно увидеть, как температура и скорость охлаждения меняют зернистость и твёрдость, покрутите калькулятор ниже, а затем разберём каждый вид строго.

Критические точки: Ac1 и Ac3

Все виды отжига отсчитываются от двух критических температур на диаграмме Fe-C:

• $A_{c1} = 727\,{}^\circ C$ - линия PSK (эвтектоидное превращение). При нагреве выше этой точки перлит превращается в аустенит. Ниже $A_{c1}$ фазовые превращения в матрице невозможны.
• $A_{c3}$ - линия GS (для доэвтектоидных сталей, $0{,}02 < C < 0{,}8\%$). Это температура завершения аустенитизации: весь феррит переходит в аустенит. Для стали с $C = 0{,}4\%$ примерно $790\,{}^\circ C$; с ростом содержания углерода $A_{c3}$ снижается.

Индекс «c» (от фр. chauffage - нагрев) означает, что точки определены при медленном нагреве. При нагреве они чуть выше, чем при охлаждении - это явление гистерезиса фазовых превращений.

Рассчитать для своей задачи

Полный отжиг

Полный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей ($C < 0{,}8\%$). Сталь нагревают выше $A_{c3}$ - в область однородного аустенита:

$T_{\text{полн}} = A_{c3} + (30{,}{.}{.}50)\,{}^\circ C$

При этой температуре происходит полная перекристаллизация: исходная крупнозернистая или деформированная структура распадается, аустенитное зерно начинает расти с нуля. Затем сталь охлаждают вместе с печью со скоростью 30-50 °C/ч. Медленное охлаждение обеспечивает диффузионный распад аустенита - образуется феррито-перлитная смесь с мелким равновесным зерном.

Результат: твёрдость снижается до 150-180 HB, пластичность возрастает, обрабатываемость резанием улучшается. Структура пригодна для дальнейшей закалки - мелкое исходное зерно после закалки даст мелкую мартенситную игольчатость и лучшую вязкость.

Когда применять: отливки со столбчатой структурой, прокат с крупным зерном после горячей прокатки, поковки перед механической обработкой.

Неполный отжиг

Неполный отжиг нагревает сталь лишь чуть выше $A_{c1}$:

$T_{\text{неполн}} = A_{c1} + (20{,}{.}{.}40)\,{}^\circ C = 750{,}{.}{.}770\,{}^\circ C$

При этой температуре перлит переходит в аустенит, но феррит (в доэвтектоидной стали) остаётся нетронутым. Перекристаллизация частичная. Охлаждение - то же медленное, с печью.

Преимущество перед полным отжигом - меньший расход энергии и времени. Структура после неполного отжига: феррит (сохранённый) + мелкий сорбит или мелкопластинчатый перлит. Твёрдость несколько выше, чем после полного, но вполне пригодна для обработки.

Для заэвтектоидных сталей ($C > 0{,}8\%$) неполный отжиг - стандарт: перегрев выше $A_{cm}$ вызвал бы рост зерна и появление сетки цементита, что опасно.

Рассчитать для своей задачи

Рекристаллизационный отжиг

Рекристаллизационный отжиг - единственный из трёх, который не требует нагрева до критических точек. Его температура составляет примерно $0{,}4 T_m$, где $T_m$ - температура плавления:

$T_{\text{рекр}} \approx 0{,}4 \times 1535 \approx 650\,{}^\circ C$

Этот вид применяют исключительно после холодной пластической деформации (холодной прокатки, волочения, штамповки). В процессе деформации кристаллическая решётка искажается, плотность дислокаций возрастает на несколько порядков - это называется наклёп. Наклёп повышает прочность, но делает металл хрупким.

При нагреве до $650\,{}^\circ C$ начинается рекристаллизация: вместо деформированных зёрен с дефектной решёткой образуются новые равноосные зёрна с правильной кристаллической структурой. Плотность дислокаций падает до равновесной, внутренние напряжения снимаются, пластичность восстанавливается.

Скорость охлаждения и структура

Скорость охлаждения после отжига определяет дисперсность феррито-перлитной смеси:

При отжиге целевая скорость - 30-50 °C/ч, чтобы получить мягкую феррито-перлитную структуру. Более быстрое охлаждение на воздухе (нормализация) даёт более дисперсный перлит и твёрдость 200-250 HB - это уже другая операция, не отжиг.

Зернистость и её роль

Зерно - ключевой структурный параметр. Мелкое зерно (балл 7-10 по ГОСТ 5639) даёт высокую вязкость и прочность, крупное (балл 1-3) - худшие механические свойства, но лучшую обрабатываемость некоторых марок.

При полном отжиге зернистость определяется температурой нагрева и временем выдержки. Слишком высокая температура или длинная выдержка приводят к перегреву - зерно разрастается до балла 1-2 и механические свойства падают. Практическое правило: превышение $A_{c3}$ не более чем на 50 °C, выдержка 1 ч на 25 мм сечения.

Рассчитать для своей задачи

Типовой пример расчёта режима отжига

Дано: сталь 40 ($C = 0{,}40\%$), поковка после горячей штамповки, крупное зерно. Нужен полный отжиг.

1. Определяем критические точки: $A_{c1} = 727\,{}^\circ C$, $A_{c3} \approx 790\,{}^\circ C$ (для $C = 0{,}4\%$).
2. Температура нагрева: $T = 790 + 40 = 830\,{}^\circ C$.
3. Время выдержки при сечении 50 мм: $\tau = 50/25 = 2$ ч.
4. Охлаждение: вместе с печью со скоростью 50 °C/ч до 600 °C, затем на воздухе.
5. Ожидаемая структура: феррит + мелкопластинчатый перлит, твёрдость 170-200 HB.

Частые ошибки

• Нагрев заэвтектоидной стали выше $A_{cm}$ при полном отжиге. Вместо ожидаемого улучшения образуется грубая сетка вторичного цементита по границам зёрен - сталь становится хрупкой.
• Слишком быстрое охлаждение после полного отжига. Если охлаждение идёт быстрее 100 °C/ч, аустенит не успевает полностью распасться в мягкий перлит - образуется сорбит или бейнит с повышенной твёрдостью.
• Перегрев выше $A_{c3} + 50\,{}^\circ C$. Зерно разрастается, и «поймать» его обратно можно только ещё одним отжигом при правильной температуре.
• Применение полного отжига к деформационному наклёпу без смысла - при $T > A_{c3}$ рекристаллизация всё равно произойдёт, но это дороже и дольше, чем рекристаллизационный отжиг при 650 °C.
• Игнорирование гистерезиса критических точек. При скоростном нагреве $A_{c1}$ и $A_{c3}$ смещаются вверх на 10-20 °C. В производственных расчётах это обычно компенсируют небольшим запасом температуры.

FAQ

Чем отжиг отличается от нормализации? Нормализация - охлаждение на спокойном воздухе, а не с печью. Скорость охлаждения 100-300 °C/ч против 30-50 °C/ч при отжиге. Нормализация даёт более дисперсный перлит (сорбит), твёрдость 200-280 HB. Это самостоятельная операция, не разновидность отжига.

Как определить температуру отжига, если не известны критические точки? Для большинства конструкционных углеродистых сталей (ГОСТ 1050) критические точки приведены в справочниках. Если данных нет, оценочная формула для $A_{c3}$: $A_{c3} = 910 - 203\sqrt{C\%} + 44{,}7 \cdot Si\% - 30 \cdot Mn\%$ (°C). Для низколегированных сталей дополнительно учитываются легирующие элементы.

Нужен ли отжиг перед закалкой? Не всегда. Если исходная структура мелкозернистая и однородная, закалку можно проводить непосредственно. Отжиг перед закалкой обязателен для литых деталей со столбчатой структурой, после сварки (сварочные напряжения) и для заготовок с крупным зерном после прокатки при высокой температуре.

Коротко

Отжиг стали - термообработка с медленным охлаждением, переводящая сталь в равновесное состояние. Полный отжиг ($T = A_{c3} + 40\,{}^\circ C$) даёт полную перекристаллизацию и мелкое феррито-перлитное зерно; неполный ($T = A_{c1} + 30\,{}^\circ C$) - частичную перекристаллизацию при меньших затратах энергии; рекристаллизационный ($T \approx 650\,{}^\circ C$) снимает наклёп после холодной деформации. Выбор вида отжига определяется составом стали, предшествующей обработкой и требованиями к свойствам.