7.Отпуск

7.1. Превращения при отпуске сталей

Сталь, закаленная на мартенсит, обладает сложным полем оста­точных напряжений, имеет высокую твердость и склонность к хрупко­му разрушению. Поэтому непосредственно после закалки стали не могут быть использованы для эксплуатации и подвергаются окончатель­ной операции термической обработки - отпуску.

Процесс нагрева закаленной стали до температур ниже критичес­кой точки Ас₁, выдержки при выбранных температурах и последующего охлаждения, как правило на воздухе, называется отпуском стали.

Структура закаленной стали состоит из двух неустойчивых фаз: мартенсита и остаточного аустенита. Поэтому при длительном выле­живании при.комнатной температуре и особенно нагреве неустойчивая структура закаленной стали стремится перейти в более устойчивое состояние, т.е. в структуру, состоящую из ферритоцементитной сме­си.

При нагреве закаленной стали происходят процессы диффузии углерода из пересыщенной решетки мартенсита, что приводит к уменьшению степени ее тетрагональности, снижению остаточных внутренних напряжений в стали и образованию карбидных частиц.Скорость процесса распада_мартенсита и количество углерода в нем зависят от температуры нагрева. Чем выше температура нагрева мартенсита, тем больше скорость распада и тем меньше углерода будет оставаться в нем.

В зависимости от температуры нагрева существует три вида отпуска.

Низкий отпуск - нагрев закаленной стали до температур 170... 220°С. Низкий отпуск предназначается для частичного снятия внутренних напряжений и повышения вязкости и пластичности стали без заметного снижения ее твердости (рис.7.1).

Рис 7.1. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали

Этому виду отпуска подвергают мерительный и режущий инструмент, работающий в условиях безударной нагрузки: метчики, плашки, рез­цы чистовой-обработки и т.д.; детали, прошедшие химико-термичес­кую обработку: цементацию, азотирование, цианирование и т.д. При низком отпуске углерод частично удаляется - диффундирует из пересыщенной решетки мартенсита с образованием включений промежу­точных карбидов типа Fе_xС. При этом уменьшается степень тетрагональности решетки и, как следствие, снижаются остаточные напря­жения. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Значитель­ных изменений в микроструктуре не происходит. Мартенситные иглы теряют свои ранее резкие очертания.

Средний отпуск - нагрев закаленной стали до температур 270... ...350 (400)°С. Средний отпуск предназначается для почти полного снятия внутренних напряжений, повышения упругих и пластических свойств стали. Этому виду отпуска подвергаются инструмент, рабо­тающий в условиях ударной нагрузки: долбяки, строгальные резцы, резцы для черновой обработки дерева, слесарный инструмент и т.д. (максимальный нагрев до 350⁰С), детали машин, к которым предъявляются требования высоких упругих свойств: рессоры, пружины и др. (температура нагрева 400°С).

При среднем отпуске, особенно при максимальных температурах, избыточный углерод покидает кристаллическую решетку Fe-, в результате почти полностью устраняются тетрагональность решетки и остаточные напряжения, мартенсит превращается в феррит, а выделившийся из мартенсита углерод образует устойчивый карбид железа Fe₃C. Остаточный аустенит превращается в мартенсит отпуска, который затем распадается на ферритоцементитную смесь - тростит отпус­ка.

При среднем отпуске происходит качественное изменение струк­туры закаленной стали: из мартенсита закалки и остаточного аустенита образуется тростит отпуска - ферритоцементитная смесь с вы­сокой степенью дисперсности.

Применимость среднего отпуска для упругих элементов конст­рукций объясняется достижением оптимального комплекса свойств: модуль упругости еще достаточно велик, а хрупкость, за счет распа­да мартенсита, устранена. При среднем отпуске значительное (до 30%) падение твердости и незначительное увеличение пластичности (рис.7.1) происходят в основном за счет устранения тетрагональности, дефектов кристаллической решетки и остаточных напряжений.

Высокий отпуск - нагрев закаленной стали до температур 500...700°С. Высокий отпуск предназначается для получения одно­родной мелкозернистой структуры стали и обеспечения наилучшего сочетания прочности, пластичности и ударной вязкости (до 600°С). Двойная термическая обработка, состоящая из закалки и последую­щего высокого отпуска (до 600°С), существенно улучшает общий комплекс механических свойств, является основным видом термичес­кой обработки конструкционных сталей и называется улучшением стали. Улучшению подвергаются такие детали, как шестерни, валы, траверсы, плунжеры, и т.д.

При высоком отпуске, наряду с процессами распада закалочных структур (мартенсита и остаточного аустенита) в ферритоцементитной смеси наблюдаются процессы коалесценции (укрупнения) и сфероидизации (округления) частиц цементитной фазы. Уменьшается коли­чество цементитных включений в ферритной матрице и увеличиваются их размеры, т.е. снижается степень дисперсности структуры. Такая смесь феррита и цементита средней дисперсности зернистого строе­ния называется сорбитом отпуска, в отличие от сорбита закалки, имеющего пластинчатое стро­ение. При высоком отпуске происходит падение твердости (до 50%) закаленной стали при значительном увеличении пластичности и удар­ной вязкости (рис.7.1.), максимальные значения которых достигаются при температуре отпуска 700°С.

Перед обработкой резанием применяют высокий отпуск (до 700°С), резко снижающий твердость предварительно закаленной стали и износ режущего инструмента. Частицы карбидов оказываются укрупненными. Такая структура именуется перлитом отпуска в отличие от пластин­чатого перлита, получающегося при непрерывном охлаждении стали из области аустенита.

Снижение прочности и увеличение пластичности происходит в ос­новном за счет увеличения количества плоскостей скольжения в фер­рите, свободных от цементитных включений, т.е. устранения препят­ствий для перемещения дислокаций.

Таким образом, на свойства отпущенной стали влияют температу­ра отпуска и время выдержки при той или иной температуре, способствующие протеканию диффузионных процессов. Bремя выдержки опре­деляется из расчета 2...3 мин на 1 мм толщины обрабатываемого из­делия или образца.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. После какой термической обработки проводится отпуск?

2. В чем заключается распад мартенсита и при каком виде отпуска он заканчивается?

3. От каких факторов зависят свойства отпущенной стали?

4. При какой температуре отпуска обеспечивается максимальная твердость?

5. Какова разница в строении тростита и сорбита после закалки и после отпуска?

6. При каком виде отпуска идет коалесценция и сфероидизация цементитных частиц?

7. Какая структура формируется при низком, среднем и высоком отпуске?

8. Что такое улучшение стали?

9. На какие фазы распадается мартенсит при отпуске?

10. Чем отличается тростит отпуска от сорбита отпуска?

11.Чем отличается мартенсит закалки от мартенсита отпуска?

12. Какому виду отпуска подвергаются инструментальные стали, ра­ботающие в условиях ударной и безударной нагрузок?

13. Какому виду отпуска подвергаются рессоры и пружины?