Термообработка стали меняет не только её твёрдость, но и фазовый состав, размер зерна, прочность, пластичность и внутренние напряжения. Выбор режима определяют марка стали, критические точки Ac1/Ac3/Acm, требуемая структура и скорость охлаждения: отжиг обычно размягчает металл, нормализация измельчает структуру, закалка повышает твёрдость, а отпуск после закалки возвращает стали необходимую вязкость и снижает хрупкость.

Основой выбора режима служат критические точки Ac1, Ac3 и Acm. При нагреве около Ac1 начинается образование аустенита из исходных феррито-перлитных составляющих. Для доэвтектоидных сталей Ac3 соответствует завершению аустенитизации, а для заэвтектоидных важной границей является Acm — область полного растворения цементита.

После охлаждения аустенит может превратиться в разные структуры. При медленном охлаждении формируются феррит и перлит, при более интенсивном — мартенсит. В зависимости от режима отпуска получают структуры отпуска, в том числе троостит и сорбит. Скорость охлаждения поэтому так же важна, как температура нагрева.

Отжиг используют преимущественно как подготовительную операцию перед механической обработкой или последующей закалкой. Основные разновидности — полный, неполный, изотермический и рекристаллизационный отжиг.

При полном отжиге доэвтектоидную сталь нагревают выше Ac3 примерно на 30–50 °C, выдерживают и медленно охлаждают в печи. Получается сравнительно мягкая феррито-перлитная структура. Неполный отжиг проводят выше Ac1, но без полного перехода структуры в аустенитную область; он применяется, в частности, для снижения твёрдости и подготовки структуры.

Изотермический отжиг предполагает после аустенитизации быстрое охлаждение до заданной температуры и выдержку до завершения превращения аустенита. Рекристаллизационный отжиг используют для снятия наклёпа после холодной деформации.

Главный технологический риск при чрезмерном нагреве — укрупнение зерна. Оно может ухудшить ударную вязкость и другие механические свойства.

Нормализация близка к полному отжигу по температуре нагрева, но после выдержки деталь охлаждают не в печи, а на спокойном воздухе. Поэтому превращение идёт быстрее, а феррито-перлитная структура получается обычно более мелкодисперсной и прочной.

Для ориентировки можно использовать типовые диапазоны: для стали 45 — около 800–840 °C, для 40Х — примерно 820–860 °C с поправкой на конкретный полуфабрикат, сечение и технологическую документацию.

Нормализация особенно полезна после ковки, штамповки или других операций, которые сформировали неоднородную структуру.

Цель закалки — получить высокотвёрдую структуру, прежде всего мартенсит. Для этого сталь нагревают в аустенитную область, выдерживают для прогрева сечения и быстро охлаждают.

Операция	Ориентир по температуре	Охлаждение	Основной результат
Полный отжиг	Ac3 + 30–50 °C	Печь	Мягкая феррито-перлитная структура
Нормализация	Ac3/Acm + несколько десятков °C	Воздух	Более мелкая феррито-перлитная структура
Закалка доэвтектоидной стали	Обычно выше Ac3	Вода или масло	Мартенсит, высокая твёрдость
Неполная закалка заэвтектоидной стали	Выше Ac1, ниже Acm	Масло и др.	Мартенсит + цементит
Низкий отпуск	120–250 °C	Обычно воздух	Максимальная твёрдость при снижении напряжений
Средний отпуск	350–500 °C	Обычно воздух	Повышение упругости и вязкости
Высокий отпуск	500–680 °C	Обычно воздух	Сочетание прочности и вязкости

Температуру нельзя назначать только «по названию марки»: необходимо учитывать толщину детали, фактический химический состав, состояние металла и требуемую прокаливаемость. Слишком высокая температура способствует росту аустенитного зерна, а чрезмерно интенсивное охлаждение повышает риск деформации и закалочных трещин.

Закалённая сталь часто содержит значительные внутренние напряжения, поэтому отпуск является обязательной частью окончательной обработки.

Низкий отпуск применяют, когда приоритетом остаётся высокая твёрдость: например, для некоторых инструментов и износостойких деталей.

Средний отпуск используют, когда необходимы упругость и повышенная сопротивляемость ударным нагрузкам.

Высокий отпуск существенно снижает закалочные напряжения и повышает вязкость. Сочетание «закалка + высокий отпуск» называют улучшением стали. Чем выше температура отпуска, тем ниже обычно конечная твёрдость, но выше пластичность и ударная вязкость.

Практический алгоритм выбора режима термообработки включает несколько последовательных этапов:

• определить марку и её химический состав;
• установить Ac1, Ac3 или Acm по справочным данным и технологической документации;
• определить требуемую конечную твёрдость и механические свойства;
• подобрать температуру аустенитизации и выдержку с учётом сечения;
• выбрать охлаждающую среду — воду, масло или воздух;
• назначить отпуск и проверить результат по HB/HRC и, при необходимости, металлографией.

Для конструкционных сталей ориентиром служат, в частности, ГОСТ 1050-2013 для нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей и ГОСТ 4543-2016 для легированных конструкционных сталей. При этом режим из стандарта для контрольного образца нельзя автоматически переносить на любую реальную деталь: геометрия и размер сечения влияют на скорость охлаждения и глубину закалки.

Для выбора дальнейшей технологии можно учитывать и последующие операции обработки стали: термообработка должна рассматриваться совместно с механической обработкой, чтобы не получить лишние припуски, деформации или изменение размеров.

Первый уровень контроля — твёрдость. Для мягких и среднетвёрдых состояний часто применяют метод Бринелля (HB), для закалённых сталей — Роквелла (HRC). Например, ГОСТ 1050-2013 устанавливает для закалённых образцов стали 45 минимальную твёрдость 46 HRC.

Но одна цифра HRC не доказывает качество процесса. При ОТК дополнительно оценивают:

• соответствие фактической температуры и времени выдержки карте процесса;
• равномерность твёрдости по детали;
• микроструктуру на контрольном шлифе;
• наличие феррита после закалки там, где ожидался мартенсит;
• наличие остаточного аустенита или нерастворённого цементита там, где они критичны;
• деформацию, коробление и поверхностные закалочные трещины.

---