Закалка и отпуск - Закалка фиксирует твёрдый мартенсит быстрым охлаждением, отпуск снимает хрупкость; вместе - «улучшение», дающее высокую прочность с вязкостью.
Суть
Закалка - нагрев стали выше критической точки Ac3 (для доэвтектоидных сталей - примерно на 30-50 °C выше) до аустенитного состояния и охлаждение со скоростью выше критической: в воде, масле или полимерных средах. Углерод не успевает выделиться из решётки, и вместо феррито-перлитной смеси образуется мартенсит - пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе. Он даёт максимальную твёрдость (до 60-65 HRC при 0,6-0,8 % C), но почти нулевую ударную вязкость и большие внутренние напряжения.
Отпуск - повторный нагрев закалённой стали ниже Ac1 (то есть ниже ~727 °C) с выдержкой и охлаждением. Мартенсит распадается: углерод выделяется в виде карбидов, напряжения релаксируют, твёрдость снижается, а пластичность и вязкость растут. Чем выше температура отпуска, тем сильнее сдвиг от «твёрдо, но хрупко» к «прочно и вязко».
Закалка с высоким отпуском (500-680 °C) называется улучшением. Полученная структура - сорбит отпуска - сочетает высокие σт и σв с хорошими δ5 и KCU, поэтому улучшение является штатной обработкой ответственных деталей и высокопрочных труб. Стали, рассчитанные на такой режим (40Х, 30ХГСА, 35ХМ), так и называют - улучшаемые.
Виды отпуска и от чего зависит результат
- Низкий отпуск, 150-250 °C. Снимает часть напряжений, твёрдость почти не падает (структура - отпущенный мартенсит). Режущий и мерительный инструмент, цементованные детали.
- Средний отпуск, 350-500 °C. Троостит отпуска: высокий предел упругости при заметной вязкости - пружины, рессоры.
- Высокий отпуск, 500-680 °C. Сорбит отпуска: лучшее сочетание прочности и ударной вязкости; это и есть улучшение.
Результат определяют три фактора. Содержание углерода задаёт твёрдость мартенсита: при C < 0,25 % закалка почти не упрочняет, поэтому сталь 20 или Ст3 не закаливают, а нормализуют. Легирующие (Cr, Mn, Ni, Mo) повышают прокаливаемость - глубину слоя, в котором успевает образоваться мартенсит; углеродистая сталь прокаливается на 10-15 мм, легированная - на десятки миллиметров. Скорость охлаждения подбирают под марку: вода для углеродистых сталей, масло - для легированных, иначе возможны трещины и коробление.
Отдельная оговорка - отпускная хрупкость. Медленное охлаждение после отпуска в диапазоне 500-650 °C у сталей с Cr, Mn, Ni резко снижает ударную вязкость; поэтому в ГОСТ 4543 после высокого отпуска указано охлаждение в воде или масле, а стали с молибденом менее склонны к этому эффекту.
Ключевые числа
| Температура нагрева под закалку (доэвтектоидные стали) | Ac3 + 30-50 °C; сталь 45 - 850 °C, охлаждение в воде (ГОСТ 1050, справочный режим) |
|---|---|
| Диапазоны отпуска | низкий 150-250 °C; средний 350-500 °C; высокий (улучшение) 500-680 °C |
| Твёрдость мартенсита | до 60-65 HRC при 0,6-0,8 % C; при C < 0,25 % закалка практически не упрочняет |
| Сталь 45, нормализация (ГОСТ 1050) | σт ≥ 355 МПа, σв ≥ 600 МПа, δ5 ≥ 16 % |
| Сталь 40Х, закалка 860 °C (масло) + отпуск 500 °C (ГОСТ 4543) | σт ≥ 785 МПа, σв ≥ 980 МПа, δ5 ≥ 10 %, KCU ≥ 59 Дж/см² |
| Сталь 30ХГСА, закалка 880 °C (масло) + отпуск 540 °C (ГОСТ 4543) | σт ≥ 835 МПа, σв ≥ 1080 МПа, δ5 ≥ 10 % |
| Группа прочности L80 (API 5CT), закалка + отпуск | σт 552-655 МПа, твёрдость ≤ 23 HRC |
Где встречается в трубах
В трубном производстве закалку с отпуском применяют там, где нужен предел текучести выше ~500 МПа при сохранении вязкости и стойкости к сероводороду: рядовые трубы из стали 20 или 09Г2С проходят нормализацию, а не закалку. Обсадные и насосно-компрессорные трубы высоких групп прочности, а также часть труб для магистральных нефтегазопроводов поставляют именно в улучшенном состоянии; тонкая стенка и объёмный нагрев дают сквозную прокаливаемость даже у низколегированных сталей.
- Обсадные трубы групп прочности Л, М, Р по ГОСТ 632-80 и групп N80Q, L80, P110 по API 5CT - закалка + отпуск; см. группы прочности и ГОСТ 632-80.
- Каталог обсадных труб; выбор труб для скважин и месторождений - в статье трубы для нефтегаза.
- Как режимы ТО реализуют на трубном заводе (проходные печи, спрейерная закалка) - термообработка труб.
- Соседние виды ТО: термическая обработка в целом, нормализация как штатный режим горячедеформированных труб.
Связанные термины
- Термическая обработка сталиУправляемый нагрев и охлаждение, меняющие структуру и свойства без изменения формы: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.
- Феррит, перлит, аустенит, мартенситСтруктурные составляющие стали: мягкий феррит, прочный слоистый перлит, высокотемпературный аустенит и твёрдый закалочный мартенсит.
- Твёрдость: HB, HRC, HVСопротивление металла вдавливанию; методы Бринелля, Роквелла и Виккерса дают разные шкалы, но все они косвенно связаны с прочностью.
- Группы и классы прочности (К, API)Классы прочности маркируют сталь трубы по её механике: российский «К» - временное сопротивление в кгс/мм², API (J55, N80, L80) - предел текучести в ksi.