Краткие теоретические сведения. Отпуск – операция термической обработки, связанная с нагревом закаленной стали ниже

Отпуск – операция термической обработки, связанная с нагревом закаленной стали ниже значений температуры фазовых превращений, выдержкой и охлаждением.

Цель отпуска – снятие или снижение внутренних напряжений, возникших при закалке стали, и получение структуры с заданными свойствами (прочностью, твердостью, пластичностью и вязкостью).

Отпуск необходимо проводить непосредственно после закалки, так как закалочные напряжения через некоторое время могут вызвать появление трещин. Кроме того, остаточный аустенит стабилизируется, его устойчивость к отпуску повышается.

Низкая пластичность и значительные внутренние напряжения при закалке стали на мартенсит не позволяют использовать ее без проведения отпуска. При нагреве вследствие диффузных процессов в структуре закаленной стали происходят фазовые превращения. Они зависят от температуры отпуска и определяют его назначение.

Первое превращение при отпуске происходит в интервале температуры 80 – 200°С. Атомы углерода, диффундируя из решетки мартенсита, способствуют образованию тончайших пластинок эпсилон-карбида, когерентно связанных с альфа-твердым раствором. Тетрагональность решетки мартенсита уменьшается. Снижаются внутренние напряжения. Такая гетерогенная (неоднородная) структура называется отпущенным мартенситом, или мартенситом отпуска.

Дальнейший нагрев температуры до 200 – 300°С вызывает превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит. Уменьшается тетрагональность решетки мартенсита, диффузия углерода продолжается и частицы эпсилон-карбида увеличиваются. Они начинают обособляться, превращаясь в цементит. Это второе превращение при отпуске.

Третье превращение происходит при температуре 300 – 400°С. Вследствие выделения углерода мартенсит становится ферритом, а эпсилон-карбид – цементитом. Снимаются внутренние напряжения. Образуется мелкодисперсная смесь феррита и цементита, называемая трооститом отпуска.

При температуре отпуска 400°С и выше из мартенсита образуется смесь феррита и цементита разной дисперсности, поэтому эти структуры имеют те же названия, что и образующиеся из аустенита. Но при отпуске цементит имеет не пластинчатую, а зернистую форму, что способствует повышению пластичности (вязкости) троостита отпуска и сорбита отпуска.

Повышение температуры отпуска до 500 – 650°С способствует коагуляции (укрупнению) и сфероидизации (округлению) карбидных частиц. Троостит отпуска превращается в сорбит отпуска – мелкую (дисперсную) смесь феррита и зернистого цементита.

Температура отпуска – самый существенный фактор, который влияет на свойства стали. Твердость и прочность с повышением температуры отпуска снижаются, а пластичность и вязкость повышаются. Свойства углеродистых сталей в отличие от легированных не зависят от условий охлаждения при отпуске.

В легированных сталях все процессы отпуска происходят, как правило, в области более высоких температур, так как легирующие элементы замедляют диффузионные процессы. Так, распад мартенсита завершается при температуре 450 – 500°С, а коагуляция специальных карбидов – при 600 – 680°С. При некоторых условиях отпуска закаленных легированных сталей происходит их «охрупчивание» – потеря пластичности (отпускная хрупкость).

Отпускная хрупкость первого рода появляется при температуре порядка 300°С у всех сталей независимо от их состава и скорости охлаждения при отпуске. Отпускная хрупкость второго рода проявляется после отпуска выше 500°С в результате медленного охлаждения. Не все стали склонны к хрупкости второго рода, но хром, особенно в сочетании с никелем или марганцем, делает сталь особо чувствительной к условиям охлаждения при отпуске. Для предупреждения «охрупчивания» стали необходимо избегать интервала температуры отпускной хрупкости первого рода (300 – 350°С). Стали, склонные к отпускной хрупкости второго рода, после отпуска следует охлаждать быстро (в воде или масле). В зависимости от температуры различают несколько видов отпуска.

5.1.1. Низкотемпературный (низкий) отпуск

Температура нагрева – 150 – 200°С, выдержка – 1 – 1,5 ч. Снижаются внутренние напряжения. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Этот отпуск обеспечивает максимальную твердость стали и некоторое повышение прочности и вязкости. Твердость (60 – 64 HRC) зависит от содержания углерода в стали. Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки или химико-термической обработки.

5.1.2. Среднетемпературный (средний) отпуск

Температура нагрева – 350 – 500°С (чаще – 380 – 420°С), выдержка – от 1 – 2 до 3 – 8 ч. Значительно снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переходит в троостит отпуска. Твердость – 40 – 45 HRC. Обеспечивается наилучшее сочетание предела упругости с пределом выносливости.

Этот отпуск проводят в основном для пружин, рессор, мембран и подобных деталей, а также для штампового инструмента. Охлаждение после отпуска рекомендуется проводить в воде, что способствует образованию на поверхности изделий сжимающих остаточных напряжений, повышающих усталостную прочность.

5.1.3. Высокотемпературный (высокий) отпуск

Температура нагрева – 500 – 680°С, выдержка – 1 – 8 ч. Полностью снимаются внутренние напряжения. Структура стали в результате этого отпуска сорбитная, твердость – 25 – 35 HRC. Создается наилучшее соотношение прочности, пластичности и вязкости стали.

Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением (термическим). Проводится она для деталей (в основном из среднеуглеродистых конструкционных сталей), которые должны обладать повышенной конструктивной прочностью.

5.1.4. Искусственное старение

Закалка приводит к образованию пересыщенного твердого раствора – мартенсита. Всякий пересыщенный раствор неустойчив и будет распадаться с выделением избыточных фаз. Распад пересыщенного раствора связан с фазовыми, а следовательно, с объемными или линейными изменениями в стали. Это вызовет коробление изделий и изменение их размеров в эксплуатации.

Для предупреждения коробления и изменения размеров точных инструментов, деталей станков, распределительных валов и т. п. проводят искусственное старение при температуре 120 – 150°С. Выдержка составляет от 2 до 20 ч. Такой режим позволяет не снижая твердости закаленной стали стабилизировать структуру за счет выделения углерода в виде дисперсных карбидов.

Дата добавления: 2015-07-08