1. Краткие сведения из теории

Закалённая на мартенсит сталь имеет значительные искажения кристаллической решетки и находится в неравновесном и напряженном состоянии. Она обладает избыточной энергией. Поэтому при нагреве на температуру более 100⁰С структура стремится к равновесию с минимальным запасом внутренней энергии, соответствующей температуре нагрева. Закаленная сталь обладает высокой твёрдостью и хрупкостью. Для снижения напряжений и повышения пластичности и вязкости закалённая сталь подвергается отпуску.

Отпуск – это нагрев закалённой стали до температур, лежащих ниже точки А_с1, выдержка при этих температурах и последующее охлаждение на воздухе.

Назначение отпуска:

• снижение уровня напряжений;

• придание детали окончательного уровня физико-механических и химических свойств, заданных чертежом;

• временная и температурная стабилизация структуры, соответствующая температуре отпуска;

• стабилизация геометрических размеров детали в диапазоне рабочих температур.

При отпуске происходят диффузионные процессы, связанные с распадом мартенсита и остаточного аустенита. В результате этих превращений образуется зернистая структура, состоящая из феррито-цементитной смеси различной степени дисперсности. Под дисперсностью понимают размер образующихся частиц распада мартенсита. Высокая степень дисперсности соответствует мелким включениям феррита и цементита, низкая степень дисперсности – крупным включениям.

Степень распада мартенсита зависит от температуры отпуска. Чем выше температура отпуска, тем больше скорость диффузии и тем больше скорость распада мартенсита и большая степень укрупнения продуктов распада (структурных составляющих: феррита и цементита). Условно эти превращения разделены на четыре этапа, которые могут либо проходить одновременно, либо частично пересекаться во времени.

Первое превращение, проходящее при температурах 80–200 °C, состоит в уменьшении степени тетрагональности (искажений кристаллической решетки) мартенсита за счет выхода атомов углерода из кристаллической решетки и скопления их в определенных местах. Уменьшение искажений кристаллической решетки приводит к снижению напряжений в структуре. А углерод, вышедший из кристаллической решетки мартенсита, скапливается и образует в местах скопления включения ε-карбида железа, которые когерентно связаны с кристаллической решёткой мартенсита. Они имеют химическую формулу Fe_xC (Fe₂C). В общем случае описанный процесс назван как переход мартенсита закалки (М_зак) в мартенсит отпуска (М_отп). Объем мартенсита и детали при этом переходе уменьшается. Снижается твёрдость на 1–2 единицы HRC. Мартенсит отпуска обладает большей травимостью, чем мартенсит закалки, поэтому иглы мартенсита отпуска при рассмотрении под микроскопом имеют более темную окраску, чем иглы мартенсита закалки.

Второе превращение, проходящее при 200–300°C, состоит в превращении остаточного аустенита высокоуглеродистых сталей в мартенсит отпуска. Уменьшение объема мартенсита, связанное с уменьшением степени тетрагональности кристаллической решётки, приводит к уменьшению давления, оказываемого мартенситом на остаточный аустенит, что и вызывает его распад.

Таким образом, на процесс распада мартенсита накладывается процесс распада остаточного аустенита, которое сопровождается увеличением объема. Суммарное изменение объема зависит от количества остаточного аустенита. Для среднеуглеродистых сталей, имеющих после закалки небольшое количество остаточного аустенита (менее 1 %), влияние этого превращения незначительно.

Третье превращение, происходящее при температурах 300–400 °C, приводит к уменьшению объема и состоит в распаде мартенсита на феррито-цементитную смесь высокой степени дисперсности. Такая смесь феррита и цементита называется трооститом отпуска (Т_отп). Строение троостита выявляется только при больших увеличениях на электронном микроскопе. На микрошлифах, исследуемых под оптическим микроскопом, троостит имеет темную окраску. На рис. 9, б на стали 40 после отпуска при 300⁰С наблюдаются темные выделения троостита по бывшим границам зерен аустенита.

Рис.9 Микроструктура и схема микроструктуры стали 40 после полной закалки и отпуска при различных температурах: а) 200⁰С; б) 300⁰С; в) 600⁰С; и схемы соответствующих микроструктур.

Четвертое превращение, проходящее при 400–600 °C, состоит в коагуляции цементита и укрупнении зерен феррита. После отпуска при температурах 500–600 °C структура феррито-цементитной смеси имеет зернистое строение средней степени дисперсности. Такая структура называется сорбитом отпуска (С_отп). На рис. 9,в приведена микроструктура сорбита на стали 40 после отпуска при 600⁰С.

Таким образом, после отпуска стали 40 при 200⁰С структура состоит из мартенсита отпуска, после отпуска при 300⁰С – из мартенсита отпуска и пограничных включений троостита, после отпуска при 600⁰С – из сорбита отпуска.

Характер изменения структуры стали У10 в процессе отпуска при различных температурах представлен на рис. 10.

Рис. 10. Микроструктура и схема микроструктуры стали У10 после неполной закалки и отпуска при различных температурах: а) 200⁰С; б) 300⁰С; в) 600⁰С; и схемы соответствующих микроструктур.

После отпуска стали У10 (1,0% С) при 200⁰С структура состоит из мартенсита отпуска, включений цементита и остаточного аустенита (на схеме показан в виде треугольников00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000). После отпуска этой стали при 300⁰С структура состоит из мартенсита отпуска, пограничных включений троостита и включений цементита. Остаточный аустенит превратился в мартенсит отпуска. После отпуска при 600⁰С структура состоит из сорбита отпуска с включениями цементита. При этом наблюдается укрупнение включений цементита.

Таким образом, в процессе отпуска уменьшаются внутренние напряжения, изменяются структура и механические свойства закалённой стали. Характер изменения механических свойств предварительно закалённой стали 40 в зависимости от температуры отпуска показан на рис. 11.

Рис. 11. Характер изменения механических свойств предварительно закалённой стали 40 в зависимости от температуры отпуска.

Следует отметить неодинаковый характер изменения прочностных свойств. Если твердость при отпуске стали 40 до 200⁰С не меняется, то предел прочности и условный предел текучести возрастают за счет снятия напряжений. Снижение этих характеристик после отпуска при температурах более 300⁰С объясняется распадом мартенсита. Пластические характеристики с повышением температуры отпуска более 200⁰С монотонно увеличиваются.

В практике термической обработки различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск производится при температурах 180–200 °C, с выдержкой от двух–трех часов до нескольких десятков часов. После низкого отпуска обеспечивается получение структуры мартенсита отпуска. Этот вид отпуска назначается для снятия напряжений и приводит к некоторому повышению вязкости и пластичности без заметного снижения твёрдости. Прочностные характеристики ряда сталей могут повышаться. Низкий отпуск применяется для режущего, прессового и измерительного инструментов, цементованных и других деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания и которые должны обладать высокой твёрдостью и износостойкостью.

Средний отпуск производится при температурах 300–450 °C, с выдержкой в течение одного–двух часов. После среднего отпуска доэвтектоидной стали, предварительно подвергнутой полной закалке, получается структура: при 300 °C – мартенсита отпуска и троостита отпуска, а при 400 °C – троостита отпуска. Изменяются механические свойства, особенно повышаются упругие свойства стали. Средний отпуск применяется главным образом для рессор, пружин и других деталей, которые должны обладать высокой упругостью. Его применяют также для деталей и инструментов с целью придания определенного сочетания твердости и пластичности.

Высокий отпуск производится при температуре 500–600 °C с выдержкой от 0,5 до 1 часа. После высокого отпуска доэвтектоидной стали, предварительно подвергнутой полной закалке, получается структура: при 500 °C – троостита отпуска и сорбита отпуска, а при 600°C – сорбит отпуска. Такая сталь обладает наилучшим сочетанием прочности и твёрдости с пластичностью и вязкостью.

Сочетание закалки с высоким отпуском называется улуч­шением стали.

Механические свойства стали подвергнутой улучшению, выше, чем у стали при ускоренном охлаждении аустенита, что объясняется различием в строении троостита и сорбита отпуска от троостита и сорбита закалки. Троостит и сорбит отпуска имеют зернистое строение феррито-цементитной смеси, а троостит и сорбит закалки имеет пластинчатую форму смеси. Зернистая, или глобулярная форма выделений создаёт меньшую концентрацию напряжений при приложении нагрузок. Улучшению подвергаются ответственные детали машин, которые испы­тывают в эксплуатации ударные или повторно-переменные нагрузки (коленчатые валы, оси, шестерни и др.).