Отпуск закаленных сталей

Итак, мы получили сильно пересыщенный твердый раствор – мартенсит! Мы говорили, что в пересыщенном растворе создаются большие напряжения, и система является неустойчивой. Следовательно, должны протекать процессы, уменьшающие причины, вызывающие напряжения и неустойчивость системы.

Когда мы разбирали процессы распада пересыщенного раствора в сплаве дуралюмин, то установили, что они идут даже при комнатных температурах. Это объясняется тем, что алюминий – металл легкоплавкий, и процессы диффузии атомов при низких температурах протекают успешно. Железо же имеет температуру плавления в два с лишним раза выше, и подвижность атомов железа и углерода очень низкая, период полураспада мартенсита составляет сотни и тысячи лет! Отсюда, распад мартенсита при комнатных условиях невозможен. Однако мы говорили, что различные изделия должны обладать и различными свойствами и многие не смогут служить, имея мартенситную структуру. Следовательно, мы должны производить искусственно распад мартенсита в той или иной степени, в зависимости от требуемых свойств, т. е. нагревать! Такая термическая операция носит название отпуск стали.

В зависимости от температуры нагрева происходят следующие процессы. Уже при температурах 80-200 °С фиксируются физическими методами изменения в структуре закаленной стали. Начинается очень незначительное выделение атомов углерода в виде тонких образований карбида на основе железа, подобно, как при распаде твердого раствора в дуралюмине. Образуется так называемый отпущенный мартенсит! Отпущенный мартенсит является смесью пересыщенного α-твердого раствора и еще не обособившихся частиц карбида. Таким образом, мартенсит разупрочняется, с одной стороны, но образовавшиеся очень твердые кристаллы цементита, упрочняют сталь! Такому отпуску подвергаются инструментальные стали!

Второй интервал превращений при отпуске закаленной стали можно выделить следующий 200-300 °С. Это температуры дальнейшего выделения углерода из мартенсита. При температуре 300 °С α-твердый раствор содержит около 0,15-0,20 % С; это снижает напряжения и твердость. Структура стали при таком отпуске будет представлять зернистую смесь феррита и цементита. Эта структура носит название троостит отпуска, она характеризуется достаточно высокой прочностью и твердостью, при достаточной пластичности. Такой отпуск применяется для ударного инструмента и для деталей, работающих с ударными нагрузками (ударники отбойных и клепальных молотков и т. д.). Дальнейшее повышение температуры до 400 °С ведет к полному выделению углерода из твердого раствора, снятию напряжений и снижению твердости. Такому отпуску подвергаются различные пружинные элементы (пружины, рессоры и другие подобные детали).

Дальнейшее повышение температуры отпуска до 500-600 °С сопровождается ростом кристаллов цементита, что существенно снижает твердость стали и приближает ее к твердости отожженной (т .е. в состоянии поставки). Однако структура отпущенной стали, которая носит название сорбит отпуска, отличается от отожженной тем, что при отпуске зернистое строение смеси феррита и цементита, а в отожженной – пластинчатое. Это существенно повышает механические свойства стали! Особенно ее усталостную прочность!

Поэтому закалка стали на мартенсит, с последующим высоким отпуском (500-600 °С) называется улучшением! Такой термической обработке подвергаются детали машин и механизмов, работающих с большими циклическими нагрузками (различные валы, шестерни и т. д.), а также она используется как подготовка деталей к проведению поверхностной закалки (токами высокой частоты), или к последующей химико-термической обработке (азотирование) и т. д.

Процессы, протекающие при распаде мартенсита при нагреве (отпуск), подобны процессам при старении дуралюмина. При постоянном объеме выделяющейся фазы, величина выделяющихся частиц влияет на прочность и твердость сплава. Чем мельче выделяющиеся частицы, тем больше плоскостей скольжения дислокаций блокируется, тем выше твердость и прочность. При росте выделяющихся частиц с повышением температуры становится меньше заблокированных плоскостей скольжения дислокаций, пластичность повышается, прочность снижается, и чем крупнее частицы, тем больше это влияние!

Инженеру надо помнить, что качественное изделие можно получить лишь при правильно проведенной термической обработке – закалке и отпуске! Возможно такое, что твердость после закалки удовлетворяет, но и в этом случае обязательно нужен отпуск для снятия напряжений, возникнувших при закалке.

Е.И. Марр, доцент, к.т.н.

2