Отпуск (металлургия)

Такой отпуск проводят при температурах до 250 °C. Он обеспечивает снижение остаточных напряжений, некоторое уменьшение хрупкости мартенсита, а также твёрдость, прочность и износостойкость стали или сплава на высоком уровне. Низкому отпуску подвергают режущие и измерительные инструменты из углеродистых и низколегированных сталей, а также машиностроительные детали. Для стабилизации размеров измерительного инструмента и прецизионных деталей приборостроения проводят низкий отжиг с длительной выдержкой (до 150 ч)^[1][3].

Для высокоуглеродистых сталей используют низкий упрочняющий отпуск с нагревом до 200—250 °C, приводящий к повышению прочности благодаря распаду остаточного аустенита^[1].

Этот отпуск проводят при температурах 350—500 °C. Он обеспечивает сочетание высокой упругости и выносливости, прочности и вязкости, а также релаксационную стойкость при некотором снижении твёрдости стали. После среднего отпуска структура состоит из равновесного феррита и дисперсных включений цементита. Охлаждение после среднего отпуска проводят при температурах 400—500 °C в воде. Его применяют, главным образом, для пружин и рессор, а также для штампов^[1][3].

Такой отпуск проводят при температурах 500—700 °C. Он обеспечивает достижение оптимального сочетания высоких прочности и пластичности, а также максимальной вязкости стали. После высокого отпуска структура стали состоит из однородного сорбита с зернистым цементитом. Высокому отпуску подвергают детали, воспринимающие высокие напряжения и ударные нагрузки (зубчатые колёса, валы) ^1,3.

Одним из видов высокого отпуска является карбидный отпуск. Он применяется для быстрорежущей стали при температурах 720—760 °C и сопровождается частичным растворением карбидов. В ходе такой термообработки обеспечивается повышение деформируемости и обрабатываемости стали за счёт повышения пластичности и снижения предела текучести^[1].

Высокий отпуск в сочетании с предварительной закалкой на мартенсит (для конструкционных сталей) - это улучшение.

Во время отпуска происходит термическая обработка закалённого на мартенсит сплава или стали, заключающаяся в одно- или многократном нагреве (не выше температуры А_с1, выдержке и охлаждении. При этом происходит распад и/или возврат и рекристаллизация мартенсита, а также полигонизация и рекристаллизация^[2].

Характер структурных изменений при отпуске углеродистых сталей зависит не только от температуры и продолжительности отпуска, но и от содержания углерода в стали. С повышением содержания углерода в аустените возрастает пересыщенность α-раствора, снижается температура мартенситного превращения и происходит переход от реечного мартенсита к пластинчатому (двойникованному) с увеличением количества остаточного аустенита^[4].

В процессе отпуска в сталях имеют место следующие последовательные стадии: сегрегация углерода в кристаллах мартенсита, выделение промежуточных карбидов из мартенсита, образование цементита Fe₃C как более стабильной фазы, а также коагуляция и сфероидизация цементита как завершающая стадия карбидообразования^[4].

В процессах отпуска высокоуглеродистых сталей существенную роль играет распад остаточного аустенита, который активно протекает в интервале температур примерно 200—300°С. Остаточный аустенит при этом превращается в нижний бейнит — смесь α-раствора и пластин цементита^[4].

Осевые напряжения в цилиндрическом образце из низкоуглеродистой стали, содержащей 0,3 % С, в результате отпуска при 550 °С уменьшаются с 600 до 80 МПа. А при отпуске при 600 °С с выдержкой в течение 15—30 мин происходит наиболее интенсивное снятие напряжений. Увеличение времени выдержки до 1,5 ч позволяет снизить закалочные напряжения до минимума, возможного при данной температуре^[5].

При отпуске углеродистых сталей обычно выделяют три температурных интервала и соответствующие им три «превращения».

Первое «превращение» при отпуске происходит в интервале температур 100—200 °С. Так как из всех структурных составляющих стали наибольший удельный объём у мартенсита, то первое «превращение» связывают с его распадом. Второе «превращение» при отпуске относят к интервалу температур 200—300°С. Так как удельный объём аустенита является наименьшим и количество остаточного аустенита растёт с увеличением содержания углерода в стали, то второе «превращение» связывают с его распадом. При этом, конечно, продолжается и распад мартенсита. Третье «превращение» при отпуске (в интервале температур 300—400 °С) связано с заменой промежуточного карбида цементитом^[4].

Скорость охлаждения после отпуска также сильно влияет на величину остаточных напряжений: чем медленнее идёт охлаждение, тем больше снижаются остаточные напряжения, в то время как быстрое охлаждение в воде от 600 °С создаёт новые тепловые напряжения. Значительное влияние на снятие закалочных напряжений оказывает и вид охлаждающей среды. Так, охлаждение после отпуска на воздухе или в масле обеспечивает снижение напряжений на поверхности изделия в 7 раз или в 2,5 раза меньше (соответственно) по сравнению с охлаждением в воде. По этой причине изделия сложной формы следует охлаждать медленно (чтобы избежать их коробления после отпуска при высоких температурах), а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500—650 °С следует охлаждать быстро^[5].

Прочностные характеристики углеродистой стали (предел прочности, предел текучести и твёрдость) непрерывно уменьшаются с ростом температуры отпуска выше 300 °С, а показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение) непрерывно повышаются. Ударная вязкость (особенно важная для конструкционной стали) интенсивно возрастает при отпуске выше той же температуры. Максимальная ударная вязкость отмечена для стали с сорбитной структурой, отпущенная при 600 °С^[5].