Термической обработкой называют операции нагрева, выдержки и охлаждения изделий, регламентированные по времени и температуре.

Существует 4 основных вида термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и старение.

Отжиг. Под отжигом 1-го рода понимают операцию нагрева, затем выдержку при определённой температуре и охлаждение. Предназначен он для устранения химической неоднородности в пределах отдельных кристаллов, снятия деформационного упрочнения, фазового упрочнения, возникающего за счёт объёмных изменений. Выравнивание состава и свойств сталей приводит к уменьшению склонности стали к охрупчиванию.

Для выравнивания химического состава стали, используют диффузионный отжиг, когда её нагревают до 1100-1200C и выдерживают 8 – 20час.

Для исключения накопления деформационных дефектов в холоднодеформированных сталях применяют, так называемый, рекристаллизационный отжиг, т.е. их нагрев до температур рекристаллизации (450-650C, в зависимости от состава стали), выдержку при этих температурах и последующее замедленное охлаждение (до температур 300-400C).

При отжиге заметно увеличивается размер зерна. Крупнозернистость может быть частично устранена за счёт фазовой перекристаллизации. Отжиг является обычно подготовительной операцией перед другими видами термической обработки.

Нормализация. Целью этой операции является получение нормальной мелкозернистой структуры стали. Достигается эта цель нагревом до температур на 50-60C превышающих линию GOSE диаграммы Fe-C, выдержкой в течение 50-7Cекунд на 1мм среднего диаметра изделия и ускоренным охлаждением на воздухе. Особенно важно использовать этот вид термообработки для заэвтектоидных сталей, так как при этом устраняется цементитная оторочка вокруг зёрен перлита. Для легированных сталей после нормализации рекомендуется проводить высокий отпуск.

Закалка стали. Эта операция состоит в нагреве стали до температур на 30-50C превышающих линию GOSK диаграммы Fe-C, выдержке до завершения превращения смеси перлита и феррита в аустенит и охлаждении стали со скоростью выше критической. Критической скоростью охлаждения является такая минимальная скорость охлаждения, при которой аустенитная структура не успевает превратиться в феррито-цементитную смесь. Для простых углеродистых сталей критическая скорость охлаждения составляет 120-200C/сек. Минимальное значение критической скорости наблюдается для эвтектоидных сталей.

Для легированных сталей характерны малые скорости перлитного превращения аустенита. Это позволяет осуществлять закалку легированных сталей в масле и других охлаждающих средах, обеспечивающих умеренную скорость охлаждения. Нелегированные стали закаливают в воде с добавками, расширяющими температурный интервал высоких скоростей охлаждения (напр., щелочами).

Результативность операций закалки определяется закаливаемостью и прокаливаемостью. Закаливаемость определяется по твёрдости стали, получаемой после закалки. Эта характеристика определяется, главным образом, содержанием углерода. Прокаливаемость определяется глубиной слоя, принявшего закалку. Прокаливаемость зависит от легированности стали. Пруток из нелегированной стали прокаливается при диаметре не превышающем 15мм. Легированные стали прокаливаются в сечениях вплоть до 300мм.

Основной структурой, фиксируемой в стали после закалки является мартенсит. Мартенсит представляет собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в железе, имевшем решётку ОЦК. После закалки кубическая ГЦК решётка превращается в тетрагональную, т.е. в решётке, у которой параметры a и b близки к параметру «a» исходной решётки, а параметр «с» становится большим, чем «а». Объём ячейки возрастает. Степень тетрагональности с/а увеличивается с повышением содержания углерода в стали. Не во всех сталях аустенит при закалке полностью превращается в мартенсит. Аустенит, не превратившийся при закалке в мартенсит, называется остаточным. Его доля в стали возрастает при увеличении исходного содержания углерода в стали. Это обстоятельство обусловило проведение неполной закалки заэвтектоидных сталей. В этом случае, структура стали перед закалкой состоит из аустенита и цементита. В аустените растворяется меньше углерода, чем растворяется в стали при её нормализации.

Так как при закалке меняется объём всех фаз, присутствующих в стали, но в неодинаковой степени, то после закалки, детали подвергаются короблению и имеют внутренние напряжения.

Полнота мартенситного превращения в сталях может быть повышена обработкой холодом, т.е. дополнительным охлаждением до температур ниже комнатной (напр., охлаждением в жидком азоте при т-ре –196C непосредственно после закалки).

После закалки резко возрастает твёрдость сталей, но в ней возникают и внутренние напряжения, увеличивающие склонность к охрупчиванию.

Снятие внутренних напряжений производится путём «отпуска» сталей. Отпуск проводится обязательно после закалки. Отпуск. Целью этого вида термической обработки является не только снятие внутренних напряжений, но и повышение пластических свойств стали. Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

При низком отпуске, чаще применяемом для высокоуглеродистых сталей, после снятия внутренних напряжений, несколько повышается вязкость без заметного изменения твёрдости. Температура низкого отпуска – 150-200C для нелегированных сталей, а для легированных она повышается на 50-100C. Длительность низкого отпуска превышает 1,5 часа и возрастает при понижении температуры.

Средний отпуск проводится при температурах 300-50C, длительность около 1 часа. При среднем отпуске проходят сначала процессы, характерные для низкого отпуска, т.е. выделение углерода из мартенсита, а при 250-400C происходит распад остаточного аустенита и образование цементита на границах бывших аустенитных зёрен, снижается концентрация дефектов (дислокаций).

Среднему отпуску чаще подвергают детали с повышенными требованиями к их упругости (рессоры, мембраны, пружины).

Высокий отпуск производится при температурах 500 – 680C и осуществляется за 30 – 45 мин. При этом повышается вязкость и пластичность стали. Высокому отпуску подвергают изделия и из легированных сталей, подвергающиеся ударным нагрузкам. Операция закалки с высоким отпуском называется улучшением стали.

Операция термической обработки сплавов, называемая старением, также является обязательной и проводится после закалки. Заключается она в том, что при закалке фиксируется пересыщенный твёрдый раствор, но применяется эта операция для сплавов, в которых в отличие от сталей при закалке не происходит полиморфных превращений. Операция старения заключается в нагреве закалённого материала до температур ниже кривой растворимости, определяемой по диаграмме состояния. В процессе выдержки при этих температурах пересыщенный твёрдый раствор (однофазный) распадается на две или большее число метастабильных, или близких к стабильным фазам. В результате таких изменений фазового и структурного состояния значительно повышаются прочностные характеристики сплавов.

Поверхностная и химико-термическая обработка сталей является важным видом воздействия на их эксплуатационные свойства.

Поверхностная закалка стали применяется для деталей, от которых требуется одновременно высокая износостойкость и пластичность (валы, обоймы подшипников, соединительные стержни и др. детали). В результате поверхностной закалки, закалённый поверхностный слой приобретает высокую износостойкость, а незакалённая сердцевина остаётся вязкой.

При поверхностной закалке используют токи высокой частоты, лазерный нагрев, электронное облучение и др. виды воздействия на стали. Скоротечный нагрев этими методами обеспечивает нагрев до температуры закалки лишь в поверхностных слоях. Из-за сокращения времени обработки, температура поверхностных слоёв должна быть более высокой, по сравнению с температурой обычной объёмной закалки. В противном случае не успевает завершиться превращение исходных структур в аустените и не сможет реализоваться закалка. Из-за высокой скорости охлаждения при поверхностной закалке, полнота превращения аустенита в мартенсит выше, чем при закалке.

Положительным моментом является практически полное отсутствие коробления и окисления стали при проведении поверхностной закалки.

Такую обработку применяют, главным образом, для среднеуглеродистых сталей. Использование поверхностной закалки для низкоуглеродистых сталей нецелесообразно из-за относительно низкой твёрдости получаемого после закалки поверхностного слоя. После поверхностной закалки сталей отпуск, как правило, не применяется.