Отпуск сталей

Отпуск – второй этап упрочняющей термической обработки сталей, проводится после закалки на углеродистый мартенсит.

Задача отпуска – получение детали с комплексом свойств, которые должны обеспечить его работоспособность при эксплуатации.

Технология проведения: нагрев до температур ниже Ас₁ , выдержка при заданной температуре и охлаждении на воздухе (иногда – в воде или в масле).

Основные процессы, протекающие при отпуске: распад мартенсита как пересыщенного углеродом твердого раствора с выделением углерода из него в той или иной форме в зависимости от температуры; снятие фазового наклепа мартенсита; изменение механических свойств по сравнению с закаленным состоянием (снижение твердости, устранение хрупкости, повышение пластичности).

В зависимости от температуры отпуска темп изменения характеристик прочности и пластичности «проходит» три этапа: незначительное изменение свойств (до 300°С); интенсивное изменение свойств (300 - 550°С); более плавное изменение свойств (выше 600°С). Каждому из этих этапов изменения свойств соответствуют определенные изменения фазового состава и структуры стали (рис. 2.30).

Рис. 2.30. Изменение механических свойств стали 45 (0,45 % С) в зависимости

От температуры отпуска (и.И. Новиков) Виды отпуска и применение

Для обеспечения требуемого сочетания прочности и пластичности для различных деталей, после закалки применяют отпуск с нагревом в том или ином интервале температур (выдержка обычно составляет 1 - 2 часа). В зависимости от температуры нагрева отпуск подразделяют на низкий, средний и высокий. Виды отпуска, температурные режимы, получаемая структура и применение приведены в таблице.2.10.

Низкий отпуск, при котором сталь имеет структуру мартенсита отпуска (мартенсит с пониженным содержанием углерода + метастабильный ε -карбид), что незначительно изменяет твердость, применяют для уменьшения остаточных закалочных напряжений.

Средний отпуск, при котором образуется троостит, применяют, когда необходимо сочетание высокой прочности и достаточной вязкости. Сталь с трооститной структурой имеет особое свойство – повышенный предел упругости.

Высокий отпуск, при котором образуется сорбит отпуска, обеспечивает хорошее сочетание прочности, пластичности, хорошей сопротивляемости динамическим нагрузкам. Троостит, сорбит и перлит, образующиеся при отпуске, отличаются от структур с тем же названием, которые получаются при непрерывном охлаждении стали из аустенитной области: цементит в них имеет сферическую форму (так называемый «зернистый» цементит).

Таблица 2.10

Виды отпуска и структуры сталей

Вид отпуска	Температура, оС	Фазовый состав	Применение
Низкий	120 – 250	Мартенсит отпуска	Измерительные инструменты, штампы холодного деформирования
Средний	350 – 500	Троостит отпуска	Пружины, рессоры, штамповый инструмент горячего деформирования
Высокий	500 – 650	Сорбит отпуска	Валы, кулачки, червячные механизмы, шестерни

Термическая обработка, которая состоит из закалки и высокого отпуска, называется термическим улучшением.

На фазовые превращения при отпуске оказывают влияние такие легирующие элементы, как хром, ванадий, молибден и вольфрам. Во-первых, они замедляют процесс распада мартенсита, сдвигая его к более высоким температурам, это обеспечивает и сохранение твердости, и более полное снятие остаточных напряжений.

Свойство стали сохранять твердость после отпуска при более высоких температурах, чем 450^оС, называется теплостойкостью. Теплостойкие стали могут применяться для более высоких температур, чем углеродистые.

Во-вторых, в сталях, содержащих более 3 % (суммарно) элементов хрома, молибдена, вольфрама при температурах выше 450°С, происходит дополнительный распад аустенита с образованием дисперсных частиц карбидов Cr₇C₃, VC, Mo₂C, W₂C (они называются «спецкарбидами»). Это вызывает упрочнение сталей, которое называется «вторичным твердением», а сами стали – вторично твердеющими. Среднелегированные вторично твердеющие стали широко используются в качестве материалов для инструментов горячего деформирования, так как обладают повышенной прочностью при рабочих температурах.