В) Отпуск
Отпуском называется заключительная операция термической обработки, представляющая собой нагрев закаленного сплава ниже температур фазовых превращений для приближения его структуры к структуре более устойчивого состояния. Между отпуском и отжигом 1-го рода много общего. Разница в том, что отпуск — всегда вторичная операция после закалки.
В случае стали отпуск представляет собой нагрев закаленного материала ниже его критической точки Ас1, выдержке при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе). Целью отпуска является изменение строения и свойств закаленной стали: повышения вязкости и пластичности, уменьшения твердости, снижения внутренних напряжений (рис. 2).
Рис. 2 Изменение механических свойств закаленной стали, содержащей 0,4 % С, в зависимости от температуры отпуска
Главным процессом при отпуске сталей является распад мартенсита с выделением карбидов. Распад мартенсита в зависимости от температуры и продолжительности отпуска проходит через стадии предвыделения, выделения промежуточных метастабильных карбидов (типа FeхC), выделения цементита и его коагуляции.
Кроме того, структурные изменения при отпуске стали дополняются распадом остаточного аустенита.
В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск проводят при 150 — 2000С. Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости мартенсита при сохранении высокой твердости и износостойкости деталей. Из мартенсита выделяются мельчайшие частицы карбидной фазы (типа Fe2,4С) — ε-карбид. Одновременно тетрагональность решетки уменьшается. Образуется структура отпущенного мартенсита. Основная область применения низкого отпуска — режущий и мерительный инструмент, а также машиностроительные детали, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкосгью.
Средний отпуск проводят при 350 — 4500C. Цель среднего отпуска состоит в некотором снижении твердости при значительном увеличении предела упругости. Углерод полностью выделяется из α-твердого раствора с образованием Fe3C. Происходит распад остаточного аустенита. Сталь состоит из относительно мелких включений феррита и цементита, образующих структуру троостита отпуска, обеспечивающего высокие пределы прочности, упругости и выносливости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок.
Высокий отпуск проводят при 550 — 6500С. Цель высокого отпуска— достижение оптимального сочетания прочностных, пластических и вязких свойств. Происходит коагуляция карбидов и полная рекристаллизация мартенсита (ликвидация признаков реечного мартенсита). В результате структура стали представляет собой однородный сорбит отпуска с зернистым цементитом. Область применения высокого отпуска — конструкционные стали, детали из которых подвергаются воздействию высоких напряжений и ударным нагрузкам.
Термическая обработка, состоящая из закалки с высоким отпуском, улучшающая общий комплекс механических свойств, является основным видом термической обработки конструкционных сталей. Она называется улучшением.
Температуру отпуска обычно выбирают в зависимости от заданной твердости. В этом случае изделие закаливают на максимальную твердость, а затем отпуском твердость снижают до заданной.
Необходимо отметить, что ферритно-цементитные смеси, получаемые при распаде аустенита (сорбит, троостит), отличаются от ферритно-цементитных смесей, образующихся при распаде мартенсита. В первом случае сорбит и тростит имеют пластинчатую форму цементита, а во втором — зернистую форму. Разная форма цементита обусловливает различие в уровнях механических свойств. Зернистые структуры после отпуска стали обеспечивают у нее более высокие механические свойства, в первую очередь, характеризующиеся большей пластичностью и вязкостью при схожей твердости и прочности. Поскольку сталь после отпуска приобретает структуру сорбита и троостита, по внешним признакам схожую с такой же структурой, получаемой при распаде аустенита, но имеющей принципиальные различия внутреннего строения, принято сорбит и троостит, получаемый в процессе отпуска, называть сорбитом отпуска и троститом отпуска.