Отпуск (старение)

Отпуск (старение) – окончательная термическая обработка, которая заключается в нагреве сплавов со структурой пересыщенного неравновесного твердого раствора, предварительно полученного закалкой, до температур ниже критической точки, выдержке и последующем охлаждении.

Целью отпуска (старения) является получение окончательной структуры и свойств, которые формируются в результате распада пересыщенного твердого раствора, уменьшения уровня закалочных напряжений и приближения сплава к равновесному состоянию. При этом чем выше температура отпуска, тем эффективнее снижаются закалочные напряжения.

Термин отпуск применяют к тем сплавам, которые были подвергнуты закалке с полиморфным превращением, протекающим по мартенситному механизму. Следовательно, отпуск является завершающей термической обработкой стальных закаленных изделий. Отпуск сталей состоит в нагреве изделий до определенных температур ниже Ас{, выдержке и последующем охлаждении. Основными параметрами отпуска являются температура и время выдержки при этой температуре. Продолжительность отпуска зависит от размеров сечения и массы изделий. Для деталей и инструментов сравнительно небольшого сечения она чаще всего составляет 0,5...2 ч; для деталей массой от 200 до 1000 кг она достигает соответственно 3...8 ч и более.

Термин "старение" используется при термической обработке сплавов, подвергаемых закалке без полиморфного превращения. Различают естественное старение, осуществляемое при 20 °С в течение длительной выдержки, и искусственное старение, выполняемое при нагреве до определенных температур.

Охлаждение после отпуска (и искусственного старения) обычно выполняют на воздухе; в некоторых случаях охлаждают более быстро (в масле или воде). Ускоренное охлаждение используют, в частности, при отпуске закаленных деталей из сталей, легированных хромом и марганцем, для предупреждения появления отпускной хрупкости (см. 6.4.2 и рис. 6.14).

Превращения в закаленных сталях при нагреве. Разновидности отпуска сталей. В результате закалки большинство сталей приобретают неравновесную структуру, состоящую из мартенсита (основной фазы закаленных сталей) и некоторого количества остаточного аустенита, который появляется в сталях, содержащих более 0,6% углерода.

При нагреве до 200...250 °С происходит выделение из мартенсита части углерода в виде метастабильного ε-карбида, имеющего гексагональную решетку и химический состав, близкий к Fe2C. Дисперсные кристаллы ε-карбида сопрягаются с решеткой мартенсита, т.е. становятся когерентно связанными с пей. Этот распад мартенсита приводит к уменьшению в нем концентрации углерода до 0,2%, уменьшению тетрагональности его кристаллической решетки. В результате образуется структура (смесь), состоящая из низкоуглеродистого мартенсита и большого количества высокодисперсных кристаллов ε-карбидов; при этом сохраняется высокая твердость и характерные особенности строения мартенсита. Ее называют мартенситом отпуска. Под микроскопом кристаллы мартенсита отпуска выглядят темными, а мартенсита закалки – светлыми.

При последующем нагреве в интервале температур 250...400 °С завершается распад мартенсита прохождением карбидного превращения. Из мартенсита выделяется весь пересыщающий его углерод, степень тетрагональности (с/а) уменьшается и при 300...350 °С приближается к единице. Тетрагональная решетка превращается в кубическую объемно-центрированную, и, следовательно, мартенсит переходит в феррит. Одновременно происходит превращение ε-карбида в цементит, сопровождающееся нарушением когерентности решеток твердого раствора и карбида. В результате этих превращений образуется высокодисперсная ферритно-цементитная смесь, которую называют трооститом отпуска.

При дальнейшем нагреве фазовых превращений не происходит, но развиваются процессы коагуляции цементита. Растущие сфероидизирующиеся частицы цементита сохраняют до температур 550...650 °С еще достаточно мелкие размеры. Такая дисперсная смесь феррита и цементита называется сорбитом отпуска. Нагрев до температур, близких к температуре А1, усиливает коагуляцию цементита вследствие значительного возрастания подвижности атомов углерода. Образуется зернистый перлит, представляющий грубую ферритно-цементитную смесь. Отпуск на эту структуру на практике не применяется, поскольку он фактически возвращает сталь в состояние, которое она имела после отжига.

Таким образом, закаленная сталь после отпуска свыше 300...350 °С приобретает структуру с тем же названием, что и в результате распада переохлажденного аустенита при охлаждении стали в области температур перлитного превращения, – троостит и сорбит (см. диаграмму изотермического превращения аустенита).

Однако у них есть и существенные различия. Троостит и сорбит отпуска имеют зернистое строение, а структуры, образующиеся при распаде аустенита, – пластинчатое строение. При равных значениях твердости и предела прочности (σΒ) троостит и сорбит зернистого строения имеют более высокие значения предела текучести, пластичности (δ и ψ) и ударной вязкости.

Получение структуры троостита и сорбита при отпуске технически осуществить проще, так как в этом случае нужно регулировать температуру. При их получении в процессе распада аустенита необходимо обеспечить требуемую скорость охлаждения по всему сечению изделия, что сделать трудно.

При отпуске происходит снятие закалочных напряжений. Чем выше температура отпуска и больше его продолжительность, тем полнее снимаются напряжения вследствие уменьшения степени тетрагональности кристаллической решетки мартенсита и его распада на ферритно-цементитную смесь. Наиболее интенсивно закалочные напряжения уменьшаются при температурах отпуска до 200...300 °С и полностью устраняются при получении зернистого перлита (> 650 °С).