Отпуск стали

 

Назначение и виды отпуска стали

   Отпуском  называется  нагрев стали до  температуры ниже Ас1, выдержка при заданной температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью (обычно на воздухе).  Отпуск является  конечной операцией  термической обработки,  проводится после закалки для уменьшения внутренних  напряжений  и получения более равновесной  структуры.

Напряжения в закаленных изделиях  снимаются тем полнее, чем  выше температура отпуска.

Скорость охлаждения  при отпуске также влияет  на величину  остаточных напряжений.  С уменьшением скорости  охлаждения величина  остаточных  напряжений  понижается. Быстрое охлаждение  в воде с температуры 600ᴼ С  и более  создает  новые  тепловые напряжения. Охлаждение при отпуске  на воздухе способствует возникновению напряжений  сжатия в 7 раз  меньше, а охлаждение в масле в 2,5  раза меньше, чем при  охлаждении в воде. Поэтому сложные детали обычно при отпуске охлаждают  на воздухе. С  повышением  температуры отпуска твердость и прочность  снижается, а показатели пластичности и ударная  вязкость  увеличиваются (рис.1).

Различают три вида отпуска. Низкотемпературный отпуск  (низкий) осуществляется в интервале температур 80-200 ᴼ С. При этом  отпуске уменьшается  степень  тетрагональности кристаллической решетки  мартенсита  вследствие  выделения из нее углерода в виде ɛ — карбида.  Кристаллическая решетка ɛ — карбида когерентно связана с решеткой мартенсита, т.е. отдельные  кристаллографические  плоскости  у них  являются общими. В связи с когерентной связью твердость стали  при этом  не снижается, а внутренние  напряжения уменьшаются. В результате низкотемпературного  отпуска  мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска, имеющего  повышенную ударную вязкость и  пластичность. При этом сталь сохраняет высокую  твердость. Поэтому низкотемпературному отпуску подвергают  режущий и мерительный инструмент из  углеродистых и  низколегированных сталей, а также детали после  поверхностной закалки, цементации и т.д. Обычно  продолжительность отпуска составляет 1-2,5 ч. Мерительный  инструмент с целью  стабилизации размеров подвергают  отпуску с более  длительными выдержками.

Чаще всего низкотемпературный отпуск  осуществляют в расплаве, содержащем 50% KNO3 + 50% NaNO2 или в масляных ваннах, что обеспечивает быстрый и равномерный нагрев, а также точное регулирование температуры.

Среднетемпературный отпуск  (средний)  проводят при температурах 350-500ᴼ С.  При температуре свыше 300 ᴼ С ɛ — карбид превращается в цементит,  который  отделяется от решетки  твердого расплава.  Образование цементита и его коагуляция (укрупнение)  сопровождаются снижением твердости  и повышением  вязкости и пластичности.

При среднетемпературном отпуске образуется дисперсная ферритно-цементитная смесь, имеющая  зернистое строение цементита. Эта структура  называется  трооститом отпуска.  Твердость троостита НВ 400-500. Диаметр частиц цементита в троостите  составляет 0,3 · 10-5 мм.

Среднетемпературному отпуску подвергают рессоры, пружины, штампы и т.п. Среднетемпературный отпуск можно проводить в расплавах солей и воздушных  электрических печах.

Высокотемпературный отпуск (высокий) осуществляется  при температурах 500-650ᴼ С. При этом  происходит полное снятие внутренних напряжений и коагуляция частиц цементита. В результате  отпуска понижается твердость закаленной стали, но  значительно увеличиваются пластичность и ударная вязкость (см. рис. 1).

изменение механических свойств  в зависимости от  температуры отпуска

 

   При высокотемпературном отпуске  образуется  структура, которая называется сорбитом отпуска.  Сорбит отпуска состоит из  ферритной основы,  пронизанной частичками цементита. Твердость сорбита НВ300. Диаметр частиц цементита  в сорбите составляет 1 · 10-5 мм.

Высокотемпературному отпуску подвергают  детали, которые испытывают  в работе высокие  напряжения и ударные нагрузки. Высокий отпуск можно проводить в  расплаве солей и воздушных  электрических печах.

После закалки с высоким отпуском сталь  имеет более  высокие показатели прочности (Gв,  Gт), пластичности (ψ%, δ%) и ударную вязкость (ан),  чем после отжига.

Термическая обработка, состоящая из  закалки и высокотемпературного отпуска, называется  улучшением.

При температуре 250-350ᴼ С происходит  превращение остаточного аустенита в мартенсит  отпуска. Этот процесс сопровождается увеличением объема, так как  объем аустенита меньше, чем объем мартенсита. Кроме  того, при этом  происходит также  неравномерный распад  «старого» мартенсита.  По границам зерен диффузия  протекает быстрее, чем по телу зерна, а следовательно, по границам зерен интенсивнее выделяется цементит. Все это вместе способствует охрупчиванию стали. Это  явление называется отпускной хрупкостью  ׀ рода. Отпускная хрупкость  ׀ рода наблюдается  как в углеродистых, так и в легированных сталях.

Используемая литература:

«Термическая обработка металлов» В.М. Зуев.