Превращения, протекающие в стали при отпуске

Отпуском называют термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленных сталей до температур ниже Ас₁ с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением.

Различают четыре основных стадии отпуска.

Первая стадия отпуска – зарождение карбидов, происходит при нагреве закаленной стали до температуры 150°C. На этой стадии перераспределяется углерод в мартенсите и образуются участки, где концентрация атомов углерода значительно выше среднего количества его в решетке мартенсита. На этих участках образуются зародыши карбидной фазы, когерентные с решеткой мартенсита. Такой мартенсит называется мартенситом отпуска. Здесь остаточный аустенит в высокоуглеродистых сталях может превратиться в мартенсит отпуска.

Вторая стадия отпуска – нарушение когерентности и обособление карбидов в самостоятельные кристаллы происходит при нагреве закаленной стали до 200 – 300 °C.

Третья стадия отпуска – коагуляция карбидов, происходящая в интервале 300 – 400 °C. Скорость диффузии при этих температурах значительно увеличивается, весь избыточный углерод постепенно выделяется из решетки Fe_α, карбиды обособляются и начинают расти. Образуется высокодисперсная смесь феррита и цементита, называемая трооститом отпуска.

Четвертая стадия – рост карбидов, что происходит при нагреве выше 400 °C. На этой стадии наблюдается постепенный рост частичек карбида. При 550 – 600 °C размер их составляет 0,1 – 0,2 мкм. Такая структура называется сорбитом отпуска. При нагреве закаленной стали до 650 – 700 °C получают перлит отпуска с размером частиц ~ 0,3 мкм. С повышением температуры отпуска прочностные свойства углеродистых сталей понижаются, свойства пластичности растут.

Структура стали после отпуска на 400 – 600 °C состоит из сорбита отпуска зернистого строения, свойства которого выше обычного пластинчатого сорбита после нормализации получившегося при распаде аустенита. В связи с этим термообработку на сорбит отпуска называют термоулучшением.

В легированных сталях по сравнению с углеродистыми, вторая и третья стадия отпуска проходят при более высоких температурах. Это связано с тем, что легирующие элементы уменьшают скорость диффузии углерода и легирующих элементов в твердом растворе, поэтому температуры всех стадий отпуска в легированных сталях сдвигаются в области более высоких температур. Тип карбидов, образующихся в легированных сталях при отпуске, зависит от температуры. При температурах менее 400 °C диффузия легирующих элементов затруднена. При этих температурах преимущественно образуются карбиды железа, при более высоких – специальные карбиды, в состав которых входят легирующие элементы.

В легированных сталях различают низкий (с нагревом до 250 °C), средний (350 – 500 °C) и высокий (500 – 680 °C) отпуски.

В легированных сталях при температурах отпуска 500 – 600 °C из мартенсита этих сталей выделяются мелкодисперсные карбиды W, V, Cr, Mo, которые резко повышают твердость стали приблизительно в 1,5 раза. Это явление носит название дисперсионного твердения.

В результате отпуска снижаются прочностные и повышаются пластические характеристики стали, происходит изменение ее ударной вязкости. Явление снижения ударной вязкости при отпуске получило название «отпускная хрупкость». В зависимости от характера изменения ударной вязкости при отпуске все стали можно разбить на две группы:

1) углеродистые стали и стали, легированные некарбидообразующими элементами. Стали этой группы имеют провал ударной вязкости после отпуска при Т = 200 – 300 °C (отпускная хрупкость первого рода);

2) стали, легированные карбидосодержащими элементами, и стали комплексно легированные. Для таких сталей, кроме охрупчивания при 200 – 300 °C, наблюдается второй провал ударной вязкости при 500 – 550 °C (отпускная хрупкость 2-го рода).

Отпускная хрупкость не только снижает ударную вязкость, но вызывает повышение температурного порога хладноломкости.

Первопричиной отпускной хрупкости 1-го рода является неоднородность распада аустенита по объему, выделение и обособление цементита из решетки твердого раствора. Отпускная хрупкость 1-го рода необратима, она повторным нагревом не устраняется. Для ее устранения требуется нагрев выше температур 400 °C, снижающий прочностные характеристики.

Отпускная хрупкость 2-го рода возникает при температурах, когда происходит обособление (выделение) легированных или специальных карбидов из твердого раствора по границам зерен и адсорбция на границах зерен фосфора, серы и других элементов, приводящих к более легкому зарождению трещин. Отпускная хрупкость 2-го рода может быть устранена повторным нагревом до 600 – 650 °C и быстрым охлаждением.

Меры борьбы с хрупкостью:

• для изделий, работающих при температурах ниже 300 °C, рекомендуется быстрое охлаждение после высокого отпуска;

• в изделиях, работающих при температурах выше 300 °C, рекомендуется минимальное содержание некарбидообразующих элементов (Si, Ni и примесей типа P, N, H, O), а также легирование Mo или W (0,3 – 0,6%) и ванадием (0,7 – 1,2 %).