2.9.4. Отпуск стали.

Отпуском называется операция нагрева закаленной стали до температуры ниже критической температуры фазового превращения и последующего охлаждения для уменьшения имеющихся в стали остаточных напряжений и придания ей комплекса механических и других свойств, которые необходимы для долголетней эксплуатации изделия.

Отпуск является завершающей операцией термической обработки стали. Твердость мало и среднеуглеродистых сталей снижается по мере повышения температуры их отпуска. Если отпуск проводится при комнатной температуре или несколько ее превышающей, то он называется старением. Склонность к старению сталей может быть снижена введением добавок алюминия, титана и ванадия.

При отпуске закаленной на мартенсит стали в ней происходят превращения, приводящие к распаду мартенсита и образованию равновесного структурно-фазового состава. Интенсивность и результат этих превращений зависят от температуры отпуска.

С целью недопущения полиморфных превращений отпуск производится при температурах ниже точки Ас₁. Однако поскольку от температуры зависят степень распада мартенсита и комплекс получаемых при этом физико-механических и других свойств, то температуру отпуска выбирают в зависимости от функционального эксплуатационного назначения изделия.

В процессе многолетней эксплуатационно-производственной практики сложились три основные группы изделий, требующие для их успешной эксплуатации «своих» специфических комплексов вязкостно-прочностных и других свойств.

В первую группу входят режущий и мерительный инструменты, а также штампы для холодной штамповки. От данных материалов требуется высокая твердость (свыше 58 HRC) и хотя бы небольшой запас вязкости.

Вторую группу составляют пружины, рессоры и другие изделия, от материала которых требуется сочетание высокого предела упругости с удовлетворительной вязкостью.

Третья группа изделий включает большинство деталей машин, испытывающих статические и особенно динамические или циклические нагрузки. При длительной эксплуатации изделий от их материала требуется сочетание удовлетворительных прочностных свойств с максимальными показателями вязкости.

Следовательно, в зависимости от температуры нагрева существует три вида отпуска: низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий).

Отпуск преследует цель не просто устранить внутренние напряжения в закаленной стали (этого можно добиться, применяя один-единственный вид отпуска при температуре несколько ниже точки Ac₁). Он является средством придания стали требуемого комплекса свойств. И еще очень важно иметь в виду: при увеличении температуры отпуска возрастает степень диффузионного распада мартенсита на ферритно-цементитную смесь, что обусловливает уменьшение прочностных свойств стали и повышение ее вязкости.

Низкотемпературный (низкий) отпуск производится при 150–180°C, а для легированных сталей при температурах до 250 °С. В этом случае при низкой интенсивности диффузионных процессов в мартенсите происходит только начальная стадия к его переходу в равновесное состояние.

При низком отпуске мартенсит лишь частично освобождается от пересыщающих его решетку атомов углерода. Поэтому основу мартенсита после отпуска изделий составляет все еще пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe.

Однако в нем несколько уменьшается число охрупчивающих его трехцентровых ковалентных Fe – С – Fe связей. Освобождающийся при этом углерод еще не может образовать стабильного карбида железа в виде частиц цементита Fe₃C, обособившихся от кристаллической решетки мартенсита.

Поэтому в мартенсите отпуска образуются лишь высокодисперсные частички карбидов промежуточного состава (Fe_xC), когерентно связанные с его решеткой. Такая связь означает, что пограничные атомы карбидных образований одновременно входят в состав ячеек матричной решетки мартенсита. Часть из освободившихся атомов углерода вместе с имеющимися в стали атомами азота образуют вокруг дислокаций атмосферы Коттрелла.

При низком отпуске наряду с процессами, обусловливающими разупрочнение мартенсита из-за частичного выхода из него атомов углерода (уменьшение числа ковалентных Fe – С – Fe-связей, частичное устранение искажений решетки и остаточных внутренних напряжений), происходят процессы и противоположного характера. К ним относятся образование стопоров в виде высокодисперсных карбидных включений и атмосфер Коттрелла, затрудняющих работу дислокационного механизма пластической деформации. При низком отпуске плотность дислокаций снижается лишь незначительно, оставаясь на уровне 10¹¹ – 10¹²см ^-2 в зависимости от содержания углерода.

Таким образом, образующийся в результате низкого отпуска отпущенный мартенсит М₀ обладает более благоприятным комплексом механических свойств, сочетающим высокий уровень твердости с некоторым, хотя и небольшим, запасом вязкости и пластичности.

Низкому отпуску подвергают изделия первой группы, включающей в себя режущий и мерительный инструмент, а также штампы для холодной штамповки и цементированные детали (для обеспечения высокой износостойкости цементированного слоя).

Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре от 350 до 450°C (иногда до 470 °С). При таком нагреве завершается распад мартенсита, приводящий к образованию нормальных по составу и внутреннему строению феррита и цементита. Однако вследствие всё еще недостаточной интенсивности диффузионных процессов размер зерен образующихся фаз оказывается очень малым.

Образующийся при среднем отпуске продукт называется трооститом отпуска и обозначается как Т₀. В нем, в отличие от троостита закалки, цементит представлен не пластиночками, а в виде мельчайших зерен, что обусловливает его более высокую вязкость в сравнении с трооститом закалки.

Вследствие происходящих в мартенсите при среднем отпуске диффузионных процессов почти устраняются ковалентные Fe – С – Fe-связи и искажения ОЦК решетки α-Fe, уменьшается плотность дислокаций (до 10⁹ - 10¹⁰см ^-2), ликвидируются («рассасываются») атмосферы Коттрелла, а также снижается уровень остаточных напряжений.

Сложившиеся у троостита отпуска фазовая и дислокационная структуры обеспечивают материалу изделий благоприятный для пружин, рессор и им подобных изделий комплекс механических свойств, т. е. высокий предел упругости, сочетающийся с вполне удовлетворительной для изделий этой группы вязкостью.

Высокотемпературный (высокий) отпуск осуществляется при 500 – 650 °С. При таких условиях нагрева при усилившихся диффузионных процессах происходит образование более крупных, чем у троостита отпуска, зерен феррита и цементита, сопровождающееся дальнейшим снижением плотности дислокаций (до 10⁸ – 10⁹см ^-2) и практически полным устранением остаточных напряжений.

Получающийся при высоком отпуске продукт распада мартенсита, называется сорбитом отпуска и обозначается как С₀. Сорбит отпуска обладает максимальной для стали вязкостью, сочетающейся с удовлетворительными показателями прочности. Такой комплекс является идеальным для деталей машин, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам. Благодаря этому преимуществу термическую обработку, сочетающую закалку и высокий отпуск, издавна называют улучшением.

Отпуск при более высоких температурах (приближенных к точке Ас₁ – 727 ^оC) нецелесообразен вследствие чрезмерного роста зерен цементита, что приводит к образованию структуры зернистого перлита и, как следствие, к значительному снижению прочности и особенно вязкости.