5. Отпуск

Отпуск – операция термической обработки, включающая нагрев закаленной стали до температур ниже А_с1, выдержку при этой температуре, охлаждение.

Цель отпуска – уменьшение внутренних напряжений в металле и получение требуемых структуры и свойств. При нагреве закаленной стали со структурой мартенсита или мартенсита и аустенита остаточного протекают следующие превращения:

1. До температуры 100 °С (стадия предвыделения) в мартенсите происходит диффузионное перераспределение углерода. Образуются ультрамикроскопические объемы с содержанием углерода и структурой, близкими к аналогичным показателям той фазы, которая должна выделиться. На первой стадии отпуска в интервале температур 100...200 °С в результате выделения из мартенсита углерода образуется ε-карбид (Fe₂C₃) в виде тонких пластин. Решетка карбида когерентно связана с решеткой мартенсита, который значительно обеднен углеродом (0,25...0,35 % С).

2. На второй стадии (200...300 °С) аустенит остаточный превращается в смесь мартенсита с 0,25...0,35 % С и когерентного ε-карбида. Одновременно происходит дальнейшее выделение углерода из мартенсита, который обедняется углеродом (0,1 % С), становясь отпущенным, решетка его из тетрагональной трансформируется в кубическую. Обогащаясь углеродом, s-карбид превращается в цементит Fe₃ С.

3. На третьей стадии отпуска (300...350 °С) заканчивается выделение углерода из мартенсита, который становится ферритом. Происходит срыв когерентности решетки феррита и цементита. В конечном итоге к концу третьей стадии отпуска формируется смесь феррита и цементита.

4. Дальнейший нагрев стали приводит к коагуляции (рост с одновременным округлением) ферритно-цементитной смеси. Зернистая ферритно-цементитная смесь, образующаяся при отпуске (350...500 °С) из мартенсита, называется трооститом отпуска, при 500...650 °С – сорбитом отпуска, выше 650 °С – перлитом отпуска. Троостит, сорбит и перлит отпуска в отличие от получаемых из аустенита при непрерывном охлаждении имеют зернистое, а не пластинчатое строение. Стали с зернистой структурой характеризуются более высокой пластичностью и лучшей обрабатываемостью резанием.

На рис. 3 представлена зависимость механических свойств углеродистой стали от температуры отпуска. По этой зависимости различают

- низкотемпературный (низкий) отпуск,

- среднетемпературный (средний) отпуск

- высокотемпературный (высокий) отпуск.

Рис. 3. Зависимость механических свойств стали от температуры отпуска

Низкий отпуск включает нагрев закаленной стали до 150...250 °С. Он применяется для придания поверхностным слоям изделий высоких твердости и износостойкости. Низкий отпуск, несколько уменьшающий внутренние напряжения, повышающий вязкость стали при сохранении ее высокой твердости, широко применяют при изготовлении мерительного, режущего и штампового инструмента (шаблоны, фрезы, метчики, зубила, штампы, волоки и др.), для деталей после науглероживания.

При среднем отпуске закаленная сталь нагревается до 300...400 °С, чем обеспечивается получение структуры троостита отпуска, обладающего достаточными твердостью (40...55 HRC_э) и прочностью при высоком пределе упругости. Средний отпуск еще в большей степени, чем низкий, способствует уменьшению внутренних напряжений и наиболее часто применяется при термической обработке рессор и пружин.

Высокий отпуск включает нагрев закаленной стали до 500...650 °С и обеспечивает получение структуры сорбита отпуска, обладающего хорошим комплексом свойств (прочность, ударная вязкость, твердость). Закалку с высоким отпуском поэтому называют улучшением и применяют для ответственных деталей из среднеуглеродистых сталей (коленчатые валы, шатуны и т. д.).