5. Отпуск закаленной стали

Виды отпуска

Отпуск является заключительной операцией термической обработки, состоящей из нагрева стали на 160 °С выше его критической точки А_с1 с последующим охлаждением, при котором формируется окончательная структура стали. Отпуск проводится после операции закалки. Изменения в структуре при нагреве закаленной стали приводят к изменению ее свойств (рис. 11). Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводят при 150 - 200 °С. Целью низкого отпуск является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости мартенсита при сохранении высокой твердости и износостойкости сталей. 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 собой троостит отпуска, обеспечивающий высокие пределы прочности, упругости, 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 цементитом. Область применения высокого отпуска - конструкционные стали, детали из которых подвергаются воздействию 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.

В язкость сталей, особенно легированных, зависит от режима отпуска: температуры и времени выдержки, скорости охлаждения после отпуска. При определенных температурах и медленном охлаждении в сталях появляется отпускная хрупкость. Принято различать отпускную хрупкость I и II рода, рис. 12.

Рис. 11 - Изменение механических свойств закаленной стали, содержащей 0,4 % С, в зависимости от температуры отпуска

Отпускная хрупкость

Отпускная хрупкость 1 рода (необратимая) наблюдается при отпуске как легированных, так и углеродистых сталей при температуре около 300 ^оС (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.

Рис. 12 - Влияние температуры отпуска и скорости охлаждения после отпуска на ударную вязкость стали

Отпускная хрупкость II рода (обратимая) наблюдается при медленном охлаждении после отпуска при температурах 450-550^оС. Этот вид отпускной хрупкости обратим, так как при повторном нагреве, но быстром охлаждении она исчезает, но может быть вновь вызвана дополнительным отпуском определенной длительности при температурах 500 ^оС.

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 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 %W) резко снижает склонность к отпускной хрупкости II рода.

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