3. Отпуск закаленной стали

Отпуск является заключительной операцией термической обра­ботки, состоящей из нагрева ниже критической точки Ас₁ и по­следующего охлаждения, при которой формируется окончатель­ная структура стали.

И зменения в структуре при нагреве закаленной стали приводят к изменению ее свойств. На рис. 116 приведены кривые изменения механических свойств закаленной стали 40 в зависимости от тем­пературы и отпуска.

Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводят при 150-200 °С. Целью низкого от­пуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости мартенсита при сохранении высокой твер­дости и износостойкости изделий. Структура стали после низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска. Основная область применения низкого отпуска - режущий и мерительный инстру­мент, а также машиностроительные детали, которые должны об­ладать высокой твердостью и износостойкостью.

Средний отпуск проводят при 350-450 °С. Цель среднего от­пуска состоит в некотором снижении твердости при значитель­ном увеличении предела упругости. Структура стали представ­ляет троостит отпуска, обес­печивающий высокие преде­лы прочности, упругости и выносливости, а также улуч­шение сопротивляемости дей­ствию ударных нагрузок.

Высокий отпуск проводят при 550-650 °С. Цель высо­кого отпуска - достижение оптимального сочетания проч­ностных, пластических и вяз­ких свойств. Структура стали представляет собой однород­ный сорбит отпуска с зер­нистым строением цементита. Область применения высоко­го отпуска - конструкционные стали, детали из которых подвер­гают действию 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.

Температура отпуска обычно выбирается в зависимости от за­данной твердости. В этом случае изделие закаливается на макси­мальную твердость, а затем отпуском твердость снижается до заданной.

Изменение твердости при отпуске закаленной углеродистой стали, содержащей 0,8 % С, приведено на рис. 117.

Отпускная хрупкость. Вязкость сталей, особенно легирован­ных, зависит от режима отпуска: температуры и скорости охла­ждения после отпуска (рис. 118). При отпускной хрупкости на­блюдается снижение ударной вязкости при определенной темпе­ратуре отпуска или скорости охлаждения.

Принято различать отпускную хрупкость I и II рода. Отпуск­ная хрупкость I рода (необратимая) наблюдается при отпуске как легированных, так и углеродистых сталей при температуре около 300 °С (в диапазоне 250-400 °С).

Причина отпускной хрупкости I рода - неравномерность рас­пада мартенсита по границам и внутри зерна при отпуске. Вблизи границ карбиды выделяются интенсивнее, там создается концен­трация напряжений, что делает границы зерен более хрупкими. При повышении температуры отпуска или увеличении продолжи­тельности нагрева структура по сечению зерна выравнивается и отпускная хрупкость I рода устраняется. Повторный отпуск при температуре 250-400 °С не приводит к отпускной хрупкости.

О тпускная хрупкость II рода (обратимая) наблюдается при медленном охлаждении после отпуска при температурах 450-550 °С. Этот вид отпускной хрупкости обратим, так как при по­вторном нагреве, но быстром охлаждении при этой же температуре он исчезает.

При медленном охлаждении по границам зерен успевают выде­литься мелкие карбиды, фосфиды и нитриды, которые приводят к их охрупчиванию. При быстром охлаждении эти частицы не выделяются.

Этот вид хрупкости более характерен для легированных ста­лей, причем чаще наблюдается в сталях с повышенным содержа­нием хрома и марганца. Введение в сталь даже небольших коли­честв молибдена (0,2-0,3 % Мо) или вольфрама (0,6-1,0 % W) резко снижает склонность к отпускной хрупкости II рода.

Мерами борьбы с отпускной хрупкостью II рода являются ох­лаждение после отпуска не на воздухе, а в масле, а для крупных деталей - даже в воде, а также дополнительное легирование стали молибденом или вольфрамом.