К основным видам термической обработки стали относятся: отжиг, нормализация, закалка и отпуск (рис. 33, 34).

Рис. 33. Схема различных видов отжига и нормализации	Рис. 34. Диаграмма закалки (схема)

1. Отжиг стали

Отжиг стали производится с целями снятия внутренних напряжений, устранения внутрикристаллической ликвации, снижения твёрдости, получения мелкозернистой структуры, что является предпосылкой достижения высоких механических свойств. Отжиг заключается в медленном нагреве изделий, выдержке при заданной температуре и медленном охлаждении. К основным видам отжига относятся: диффузионный, полный, неполный и рекристаллизационный.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг проводят для устранения химической неоднородности – внутрикристаллической (или дендритной) ликвации, повышающей склонность к хрупкому разрушению при обработке давлением, к возникновению тонких внутренних трещин – флокенов и других дефектов. Для более полного протекания диффузионных процессов отжиг проводят при высоких температурах – 1 100–1 200 °С. Общее время диффузионного отжига – нагрев, выдержка, медленное охлаждение – достигает 80–100 и более часов. После отжига углеродистой стали получаются структуры, близкие к равновесным: перлит в эвтектоидной стали, перлит и феррит в доэвтектоидной стали и перлит и цементит в заэвтектоидной стали.

Высокие температуры и большая продолжительность отжига приводят к получению крупного зерна – недостатку, который устраняется при последующей термической обработке – полном отжиге или нормализации – или обработке давлением.

Диффузионному отжигу подвергают слитки и крупные фасонные отливки.

Полный отжиг заключается в полной фазовой перекристаллизации стали. Этому виду термической обработки подвергают доэвтектоидные стали. Сталь нагревают на 30–50 °С выше температуры, соответствующей критической точке Ас₃, выдерживают при этой температуре до завершения перехода исходной структуры в аустенит и медленно охлаждают. Образующийся аустенит обладает мелким зерном и при охлаждении превращается в мелкозернистую феррито-перлитную структуру. Более высокий нагрев выше значений Ас₃ вызывает рост зерна аустенита, что снижает свойства стали. Полному отжигу обычно подвергают фасонные отливки, поковки и сортовой прокат. При этом устраняется волокнистая структура, полученная в процессе деформации, снимаются внутренние напряжения, повышается пластичность.

Неполный отжиг осуществляют при температуре немного выше Ас₁ (обычно на
10–30 °С). Доэвтектоидные стали претерпевают частичную перекристаллизацию: перлит полностью превращается в аустенит, а избыточный феррит – лишь частично, в соответствии с диаграммой железо–цементит. Неполный отжиг доэвтектоидных сталей улучшает их обрабатываемость резанием.

Неполный отжиг чаще применяют для заэвтектоидных, т. е. твёрдых, преимущественно инструментальных сталей, которые с трудом обрабатываются резанием. Цель отжига таких сталей – превращение пластинчатого перлита и сетки вторичного цементита
в структуру зернистого перлита, обладающего большей пластичностью и лучшей обрабатываемостью резанием по сравнению с пластинчатым перлитом. Неполный отжиг заэвтектоидных сталей, приводящий к превращению пластинчатой формы цементита в зернистую (сфероидальную) называют сфероидизацией.

При охлаждении ниже Аr₁ центрами кристаллизации цементита зернистой формы служат нерастворившиеся при нагреве частицы цементита, а также области аустенита, где концентрация углерода повышена. При нагреве стали существенно выше Ас₁ выделение цементита ниже точки Аr₁ происходит в форме пластин. Это обусловлено растворением значительной части цементита и более полной гомогенизацией аустенита.

Если избыточный цементит находится в виде сетки по границам перлитных зерен – что очень нежелательно – такие стали для растворения цементитной сетки предварительно подвергают нагреву выше Асm, непродолжительной выдержке и охлаждению на воздухе, что предотвращает повторное выделение вторичного цементита по границам аустенитных зёрен. После этого проводят неполный отжиг.

Технологические параметры неполного отжига (температура нагрева, скорость охлаждения и др.) определяются маркой стали.

Рекристаллизационному отжигу подвергают изделия, находящиеся в стадии наклепа после прокатки, волочения и других видов холодной обработки. Отжиг проводят при температурах, близких к критической точке Ас₁ (650–700 °С), т. е. более высоких, чем температуры начала рекристаллизации, что обеспечивает высокую скорость рекристаллизации. В результате этого вида отжига снижается плотность дефектов в кристаллах, изменяется текстура металла: из деформированных зёрен образуются новые мелкие, равноосные зёрна, физико-механические свойства возвращаются к исходному, характерному для неупрочнённого, состоянию. Твёрдость снижается, пластичность возрастает. Чаще всего рекристаллизационный отжиг применяется между операциями холодного деформирования как промежуточная операция. При отжиге возможна коагуляция и сфероидизация цементита, что, в свою очередь, облегчает холодную пластическую деформацию.