Нагартованная vs отожжённая лента

При оформлении спецификации на металлическую ленту инженеры обычно уделяют максимум внимания химическому составу — марке стали, толщине, ширине, допускам. Между тем в любой корректно составленной заявке рядом с маркой всегда стоит колонка «состояние поставки»: буква М, П, Н, Т или ОТ. И очень часто именно эта буква, а не марка, определяет, подойдёт ли рулон под конкретный передел.

Одна и та же аустенитная нержавейка 08Х18Н10 в состоянии «М» имеет предел прочности порядка 520 МПа и удлинение 45%, а в состоянии «ОТ» — уже 1300–1500 МПа и удлинение 2–5%. Это не разные материалы: у них идентичный химический состав и идентичная кристаллическая решётка. Отличается только предыстория — сколько холодной деформации получила лента после последнего отжига и был ли этот отжиг вообще.

Ниже разбираем физику упрочнения и рекристаллизации, приводим сравнительную таблицу состояний по ГОСТ 4986 и ГОСТ 5582, показываем на графике, как меняются Rm и δ с ростом степени редукции, и формулируем правила выбора для типовых применений — штамповки, гнутья, пружин, глубокой вытяжки.

Сравнительная таблица состояний поставки

Таблица составлена для тонкой холоднокатаной ленты из 08Х18Н10 (ГОСТ 4986) с ориентировочными значениями и краткой характеристикой применений. Для углеродистых сталей качественные тенденции аналогичны, конкретные цифры зависят от марки.

Состояние	Обозначение	Редукция после отжига, %	Твёрдость HV	Rm, МПа	σ0,2, МПа	δ5, %	Микроструктура	Изгиб на 180°	Типичное применение
Мягкое	М	0	150–190	500–560	190–240	40–50	Равноосные зёрна аустенита	Без ограничений	Глубокая вытяжка, сварные узлы
Полутвёрдое	П	10–20	200–240	650–800	400–550	20–30	Слегка вытянутые зёрна	На оправке 1–2 t	Гибка, неглубокая штамповка
Нагартованное	Н	25–40	240–280	750–900	550–700	15–20	Строчечная, дислокации	На оправке 2–3 t	Кожухи, планки, обшивка
Твёрдое	Т	40–60	280–320	950–1150	750–900	6–12	Волокнистая текстура	Ограниченный	Пружины, скобы, ножевые детали
Особо твёрдое	ОТ	60–80	380–450	1300–1500	1150–1350	2–5	Сильная текстура прокатки	Только по прокатке	Плоские пружины, лезвия, щупы
Полутвёрдое термообраб.	ПТ	10–20 + отпуск	220–260	700–900	500–650	15–25	Отдых, снятие напряжений	1–2 t	Стабильные детали приборов
Полунагартованное	ПН	20–30	220–260	700–850	480–620	17–25	Промежуточная	1,5–2 t	Универсальный компромисс
Мягкое, углеродка (08кп)	М	0	90–120 HB	280–350	170–220	30–40	Феррит + перлит	Без ограничений	Штамповка, вытяжка
Твёрдое, углеродка (65Г)	Н	30–50	220–260 HB	900–1100	750–950	5–8	Строчечная	Только по прокатке	Пружинные полосы

Физика упрочнения: почему деформация делает металл твёрже

Все металлы деформируются за счёт движения дислокаций — линейных дефектов кристаллической решётки. Когда лента проходит через клети холодной прокатки, дислокации размножаются, взаимно тормозят друг друга, скапливаются у границ зёрен и образуют сетки. Плотность дислокаций растёт с типичных для отожжённого состояния 10⁶–10⁸ см⁻² до 10¹¹–10¹² см⁻² в сильно нагартованной ленте.

Каждая новая дислокация создаёт вокруг себя поле упругих напряжений, которое мешает движению соседей. Чтобы продолжать пластическую деформацию, нужно приложить всё большее напряжение — металл упрочняется. Это явление называется деформационным упрочнением или наклёпом. Одновременно зёрна вытягиваются вдоль направления прокатки и разбиваются на субзёрна, формируется текстура.

Практический итог: Rm и σ0,2 растут почти линейно с логарифмом степени редукции, твёрдость растёт быстро на первых 30% редукции и затем выходит на насыщение, а пластичность (δ и относительное сужение) падает круто — лента становится хрупкой к изгибу поперёк прокатки. Плюс появляется анизотропия: свойства вдоль и поперёк прокатки различаются на 10–30%.

Отдельный эффект для аустенитных нержавеек: часть метастабильного γ-аустенита при холодной деформации переходит в α’-мартенсит деформации. Лента, которая до нагартовки была немагнитной, становится слабо ферромагнитной — магнит начинает к ней «прилипать». Для деталей, где полная немагнитность критична (приборостроение, вакуумная техника, медицинское оборудование), это нужно оговаривать отдельно и заказывать «М» или использовать более стабильные марки типа 03Х17Н14М3. Подробнее о поведении фаз — в материале про аустенит и мартенсит.

Что происходит при отжиге: рекристаллизация

Отжиг — это термическая операция, возвращающая металлу мягкие свойства. Ленту нагревают выше температуры рекристаллизации (для сталей — обычно 0,4–0,5 от температуры плавления в Кельвинах), выдерживают и охлаждают. При нагреве последовательно происходят три процесса:

Отдых (возврат) — 250–400°C для сталей. Дислокации перегруппировываются, взаимно аннигилируют, остаточные напряжения снимаются. Твёрдость почти не меняется, но пластичность немного восстанавливается. Это состояние ПТ.
Первичная рекристаллизация — 500–700°C и выше. На месте деформированной структуры зарождаются новые бездефектные зёрна, которые растут за счёт старых. Плотность дислокаций резко падает, твёрдость уменьшается, пластичность возвращается к исходной.
Собирательная рекристаллизация — при перегреве или длительной выдержке. Крупные зёрна поглощают мелкие, размер зерна растёт. Это ухудшает поверхность после штамповки («апельсиновая корка») и снижает предел усталости.

Для углеродистых и низколегированных сталей отжиг ведут при 700–900°C с медленным охлаждением на воздухе или с печью. Для аустенитных нержавеек режим другой: 1050–1100°C с последующим быстрым охлаждением в воде или обдувом. Быстрое охлаждение здесь не для закалки на мартенсит (аустенит остаётся стабильным), а чтобы предотвратить выпадение карбидов хрома по границам зёрен в опасном интервале 450–850°C — то самое явление, которое приводит к межкристаллитной коррозии. Такую обработку часто называют «закалкой на аустенит» или «стабилизирующим отжигом», хотя по физике это именно отжиг, дающий мягкую однородную структуру.

Подробнее о термодинамике превращений — статья Википедии про отжиг и материал про наклёп.

Категории состояния поставки по ГОСТ

Основные нормативные документы, регламентирующие состояние поставки нержавеющей ленты:

ГОСТ 4986 — «Лента холоднокатаная из коррозионно-стойкой и жаростойкой стали». Толщины 0,05–2,0 мм.
ГОСТ 5582 — «Прокат тонколистовой коррозионно-стойкий, жаростойкий и жаропрочный». Применяется для аппаратостроения и полос.
ГОСТ 503, ГОСТ 2284 — для углеродистых и низколегированных лент.
ГОСТ 21996 — для пружинных лент 65Г, 60С2А, У8А, У10А.

Категории по ГОСТ 4986/5582:

М — мягкое (отожжённое). Максимальная пластичность, минимальная твёрдость. Полученная после финишного отжига без последующей деформации.
П — полутвёрдое. Небольшая холодная деформация после отжига, компромисс между пластичностью и прочностью.
Н — нагартованное. Средняя степень наклёпа.
Т — твёрдое. Значительный наклёп.
ОТ — особо твёрдое. Максимальный наклёп, минимум пластичности.
ПТ, ПН — полутвёрдое термообработанное и полунагартованное — промежуточные варианты с отдыхом или частичным отжигом.

Международные аналоги: DIN обозначает состояния как annealed, 1/4 hard, 1/2 hard, 3/4 hard, full hard, spring hard. ASTM для нержавеек использует «Condition A» (отожжённое) и обозначения типа H900, H1025 для дисперсионно-твердеющих марок. Прямого соответствия нет — при заказе импортного аналога нужно проверять фактические Rm и HV, а не полагаться на маркировку. Актуальные версии стандартов доступны на protect.gost.ru.

Промежуточный отжиг между переделами

При производстве тонкой ленты редукция от заготовки до финальной толщины может достигать 90–95%. Такая деформация в один проход невозможна: пластичность исчерпывается уже к 60–70%, и металл начинает трескаться по кромкам. Поэтому холодная прокатка ведётся в несколько этапов с промежуточными отжигами.

Типичная схема для нержавейки: горячекатаный подкат толщиной 4–6 мм → травление окалины → холодная прокатка до 1,5–2 мм → отжиг в проходной печи с защитной атмосферой при 1050–1080°C → прокатка до 0,5–0,8 мм → второй отжиг → финишная прокатка до заданной толщины. Если требуется состояние «М», после финальной прокатки идёт ещё один отжиг. Если требуется «Н», «Т» или «ОТ» — финальная прокатка выполняется с расчётной редукцией и на этом производство заканчивается. Тем же принципам подчиняется и производство углеродистой ленты — детали холодной и горячей прокатки разбирали в отдельной статье.

График: Rm и δ в зависимости от степени редукции

Rm растёт с 550 до ~1500 МПа при увеличении степени редукции с 0 до 80%; относительное удлинение падает с 45 до 2–3%. Красная сплошная — предел прочности, синяя пунктирная — δ5.

Применения: где какое состояние работает

Отожжённая лента (М) нужна там, где деталь получает большую деформацию при формообразовании: глубокая вытяжка стаканов, сильфонов, тонких корпусов; гибка с малым радиусом; отбортовка. Только состояние «М» гарантирует, что металл выдержит пластическую деформацию без трещин и «апельсиновой корки». Также «М» обязательна для узлов под сварку — сварной шов на нагартованной ленте окружён зоной отпуска с непредсказуемыми свойствами.

Полутвёрдая (П, ПН) — универсальный компромисс. Средняя штамповка, гибка на оправке с радиусом больше толщины, панели и обшивка, где нужна умеренная прочность и приемлемая пластичность. Часто выбирается, когда конечные требования к деталям не полностью определены на этапе заказа сырья.

Нагартованная (Н) — планки, кронштейны, кожухи с минимальной формовкой, декоративные элементы. Даёт хорошую поверхность после гибки и приемлемую жёсткость готовой детали.

Твёрдая и особо твёрдая (Т, ОТ) — плоские пружины, скобы, лезвия, щупы, мембраны с малой амплитудой. Формообразование сводится к резке, вырубке и лёгкой формовке по прокатке. Изгиб поперёк прокатки практически невозможен. Из пружинных углеродок в этих же состояниях получают ленточные пружины — детали разбирали в статье про 65Г и 60С2А.

Отдельный сценарий — деталь потом термообрабатывается. Если после штамповки идёт закалка и отпуск (актуально для углеродок и низколегированных сталей), то исходное состояние ленты почти не важно: свойства всё равно перестроятся. В этом случае берут «М» или «П» ради удобства формовки. Для нержавейки такой опции нет — аустенитную ленту после штамповки нельзя «закалить обратно» в твёрдое состояние без прокатки.

Провокации при заказе

«Просто нержавейка 08Х18Н10, толщина 0,5» — без указания состояния лента может прийти любой из М–ОТ. Разница в цене и свойствах — двукратная.
Пружина из «мягкой» ленты не будет работать: даже если геометрия правильная, металл потечёт под нагрузкой.
Глубокая вытяжка из «твёрдой» ленты порвёт заготовку по кромке уже на первой операции.
Требование немагнитности несовместимо с состоянием «Т» или «ОТ» — часть аустенита превратится в α’-мартенсит.
Сварка нагартованной ленты создаёт зону разупрочнения шириной 5–10 мм с непредсказуемой прочностью.

Общие принципы выбора состояния под задачу разобраны в отдельной статье про подбор ленты под задачу, а различие между нержавейкой и углеродистыми сплавами — в материале нержавейка vs углеродка.

Итого — что выбирать

Глубокая штамповка, вытяжка, гибка с малым радиусом, сварка → отожжённая «М». Максимальная пластичность, изотропная структура, без риска трещин.
Пружины, лезвия, щупы, декоративные детали без гибки → нагартованная «Т» или «ОТ». Максимальная прочность и упругость, работа только по прокатке.
Деталь потом термообрабатывается (углеродистые стали) → допустима «М» или «Н» — итоговые свойства задаст закалка с отпуском. Для аустенитной нержавейки такой опции нет.
Требования к пластичности не полностью определены, изделие в разработке → заказывать «П» (полутвёрдую) или «ПН» — универсальный компромисс с запасом и по прочности, и по формуемости.

Что почитать дальше

Холоднокатаная vs горячекатаная лента — как способ прокатки влияет на исходное состояние и точность.
65Г vs 60С2А: пружинные стали — специфика лент, где нагартовка — обязательное свойство.
Аустенит vs мартенсит — что происходит с фазовым составом при холодной деформации нержавейки.