Закалка и отпуск: основы термообработки Q&T

Что делают эти две операции

Закалка означает нагрев стали в область аустенита и охлаждение её с такой скоростью, чтобы аустенит не успел разложиться на мягкие феррит и перлит. Вместо этого он превращается в мартенсит — твёрдую, сильно напряжённую структуру, которая даёт стали её потенциал прочности. Затем отпуск повторно нагревает закалённую сталь до умеренной температуры, обменивая контролируемую часть твёрдости на значительное повышение вязкости и пластичности.

Ни одна из операций не работает сама по себе. Мартенсит непосредственно после закалки твёрд, но хрупок и полон внутренних напряжений; именно отпуск делает его пригодным конструкционным материалом.

Последовательность микроструктурных превращений

1. Аустенитизация — как правило, на 30–50 °C выше верхней критической температуры для данной марки. Углерод и легирующие элементы растворяются в аустените; размер зерна задаётся именно здесь, поэтому перегрев обходится дорого.
2. Закалка — масло, полимер, вода или газ под высоким давлением, выбор делается по прокаливаемости и допустимой деформации. Скорость охлаждения должна превышать критическую скорость охлаждения стали по всему сечению.
3. Отпуск — выдержка ниже нижней критической температуры (Ac1), обычно в диапазоне примерно от 150 °C до 650 °C в зависимости от цели. Выделяются карбиды, снимаются внутренние напряжения и разлагается остаточный аустенит.

Баланс твёрдость — прочность — вязкость

Температура отпуска — главный регулирующий параметр. Низкие температуры отпуска (примерно 150–250 °C) сохраняют твёрдость близкой к максимальному значению после закалки и подходят для инструментов и деталей, работающих на износ. Отпуск в среднем диапазоне даёт сочетания свойств, характерные для пружин. Высокие температуры отпуска (примерно 500–650 °C) создают классическое состояние после закалки с отпуском для конструкционных сталей: умеренную твёрдость, высокую прочность на текучесть и хорошую ударную вязкость — состояние поставки таких марок, как 4140 и 42CrMo4, для валов и болтов.

Полезное практическое правило: каждое повышение температуры отпуска снижает прочность и повышает вязкость, а конструктор выбирает на этой кривой ту точку, которая нужна для данного применения.

Почему важен размер сечения

При закалке поверхность охлаждается первой. В толстом сечении сердцевина охлаждается медленнее, может не достичь полного образования мартенсита и в итоге оказывается более мягкой смесью феррита и бейнита — а отпуск не может восстановить твёрдость, которую закалка никогда не создавала. Именно поэтому:

• Стандарты указывают механические свойства по расчётному сечению; одна и та же марка гарантирует меньше в прутке 200 mm, чем в прутке 40 mm.
• Содержание легирующих элементов (Cr, Mo, Ni, Mn, B) повышает прокаливаемость — глубину, на которой образуется мартенсит, — поэтому для крупных ответственных деталей используют легированные марки, а не обычную углеродистую сталь.
• Заявления о сквозной твёрдости всегда следует проверять по фактически обрабатываемому сечению, в идеале — на образце, вырезанном из самой детали.

Какое место Q&T занимает среди видов термообработки

Закалка с отпуском — это высокоэффективный представитель семейства видов термообработки. Нормализация и отжиг перестраивают структуру при равновесных скоростях охлаждения и дают умеренные свойства; Q&T полностью обходит равновесие, чтобы использовать мартенсит, поэтому легированная сталь после закалки с отпуском может давать примерно вдвое большую прочность на текучесть, чем та же сталь после нормализации. Цена — контроль процесса: деформация, закалочные трещины и остаточные напряжения — это реальные риски, которых никогда не создаёт отжиг, а деталь обычно требует припуска на правку, припуска на шлифование или и того, и другого. Этот компромисс — максимальные свойства в обмен на максимальную дисциплину процесса — объясняет, почему Q&T назначают осознанно, деталь за деталью, а не как состояние по умолчанию.