Отпуск стали – это технологический процесс нагрева стали до определенной температуры и последующее охлаждение изделия, заключающийся в термической обработке закалённого на мартенсит сплава или металла, при которой основными процессами являются распад мартенсита, а также полигонизация и рекристаллизация. Для этого изделие подвергается нагреву в печи до температуры от 150 ºC — 260 °C до 370 ºC — 650 °C с последующим медленным остыванием. Процесс осуществляется для ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий, с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности. На промышленных предприятиях при изготовлении деталей  происходит отпуск металла стали марок: сталь У8, сталь 35, сталь 45, сталь 40Х, сталь 65Г.

 

Отпуск стали и металла

 

Отпуск стали является заключительной стадией термообработки и используется для снижения избыточной твердости, уменьшения хрупкости и устранения внутренних напряжений металла. Чаще всего его применяют к углеродистым сталям, подвергнутым закалке на мартенсит, т. е. нагретым немного выше 727 ºC и охлажденным с высокой скоростью в водной среде. Закаленная сталь очень твердая, но она хрупкая, у нее низкая пластичность и большие внутренние напряжения. В таком состоянии изделие не работоспособно, не надежно в эксплуатации. Поэтому для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности после закалки всегда следует еще одна операция термической обработки, которая называется отпуск.

Отпуск – заключительная термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры фазового превращения, для углеродистой стали это ниже температуры Ас1, выдержке и охлаждении на воздухе. Целью отпуска является получение более равновесной структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности, создание требуемого комплекса эксплуатационных свойств стали.

 

Различают три вида отпуска стали

 

Низкий отпуск стали углеродистой стали проводят при температуре 150 ºC — 2000 ºC. При этом из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода в мартенсите остается.

Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости изделий. Структура стали в результате низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска или мартенсит отпуска и вторичный цементит. Закалке и низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а так же изделия, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью (например, штампы для холодной штамповки или валки прокатных станов). Закалке и низкому отпуску подвергают стали с содержанием углерода (C) 0.7 % – 1.3 %. Чаще всего низкий отпуск стали применяется для режущего и мерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и низколегированных марок, металлопродукции после цементации, нитроцементации, цианирования. 

Средний отпуск стали проводят при температуре 350 ºC – 4500 ºC. При этом из мартенсита уже выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с очень мелкими, в виде иголочек, частицами цементита, которая называется трооститом отпуска.

При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшения сопротивляемости действию ударных нагрузок. Закалку и средний отпуск проводят для пружин, рессор, ударного инструмента. Средний отпуск применяют для стали с содержанием углерода 0.5 % – 0.65 %.

Высокий отпуск стали проводят для среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0.3 % – 0.45 %. Он заключается в нагреве закаленной стали до температуры 550 ºC — 6500 ºC. Цель высокого отпуск – достижение оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости. Структура стали после закалки и высокого отпуска – сорбит отпуска (мелкая смесь феррита и зернистого цементита, более крупного по сравнению с цементитом тростита отпуска). Термическая обработка, состоящая из закалки и последующего высокого отпуска, является основным видом термической обработки изделий из конструкционных сталей, подвергающихся в процессе эксплуатации действию высоких напряжений и ударных, часто знакопеременных нагрузок. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением.

Отпуск металла называют один из видов термической обработки, при которой сохраняется его фазовое состояние, но при этом корректируется ряд закалочных характеристик. В первую очередь при отпуске металла резко уменьшается напряжение внутренней структуры, которое возникает в результате деформаций кристаллической решетки при закалке. Кроме того, снижается жесткость и хрупкость, что является следствием насыщения игольчатых элементов мартенсита ферритом и образования перлитовых зерен. Такая структура сохраняет свойства закаленного металла, но вместе с тем становится более пластичной и вязкой. Время выдержки при низком отпуске составляет от 1 до 10-15 часов, так как при таких низких температурах диффузия углерода идет медленно. Для среднего и высокого отпуска обычно достаточно 1-2 часа. Для дисков паровых и газовых турбин, валов, цельно кованых роторов в теплоэнергетике требуется до 8 часов, потому что их структура должна быть максимально стабильной.

 

отпуск стали температура

 

Тип отпуска	Время, t	Температура ºC отпуск стали	Краткие особенности
Низкий	1-3 часа	от 100 до 250	Происходит только частичная диффузия углерода. Следует избегать перегрева материала выше отметки 250 градусов.
Средний	2-4 часа	от 350 до 500	Происходит полная диффузия углерода без полигонизации, рекристаллизации. На практике используется редко из-за ряда ограничений.
Высокий	2-3 часа	от 500 до 700	Происходит полная диффузия углерода, полигонизация, рекристаллизация. Немного снижает прочность материала, поэтому не применяется для сверхпрочных деталей.

 

отпускная хрупкость

 

Повышение температуры отпуска в большинстве случаев улучшает характеристики металлоизделия, способствует эффективному снятию остаточных напряжений. Но есть ситуации, приводящие к ухудшению характеристик сплава. Ученые-металлурги разработали несколько действенных технологий устранения проблемы отпускной хрупкости, которая может быть низкотемпературной или высокотемпературной. Практически для всех сталей действует стандартная зависимость: чем выше температура нагрева при отпуске, тем больше пластичность и вязкость отпущенного изделия. Однако у некоторых марок при повышении температуры наблюдается снижение этих физических характеристик и увеличение жесткости и хрупкости. Это явление называется отпускной хрупкостью и имеет место при термообработке как углеродистых, так и легированных сталей. Она проявляется в двух температурных диапазонах: 250÷400 ºC и 500÷550 ºC и, соответственно, носит название отпускной хрупкости I и II рода.

Хрупкость I рода – низкотемпературная

Эта разновидность хрупкости возникает при длительной выдержке материала при температурах +250…+350°C. Скорость охлаждения на вероятность ее появления не влияет. Распространяется эта проблема на все марки сталей. Причина возникновения хрупкости I рода – активное, но неравномерное распространение углерода по поверхности кристаллической решетки. Следствие этого процесса – искажение кристаллической структуры сплава, а, следовательно, существенное увеличению хрупкости.

Отпускная хрупкость I рода является необратимым процессом, и она резко снижает эксплуатационные характеристики сплава, который становится пригодным только для переплавки. Технология борьбы с этой проблемой – выполнение низко- либо среднетемпературного отпуска. Нагрев до промежуточных температур – не допускается. Склонность к низкотемпературной отпускной хрупкости снижает высокотемпературная ТМО.

Отпускная хрупкость II рода – высокотемпературная

Проблема высокотемпературной отпускной хрупкости возникает при совпадении трех факторов. Это:

• нагрев сплава до температур, превышающих + 500 °C
• наличие в стали высокого процентного содержания Mn, Cr, Ni
• медленное охлаждение

Последствие сочетания этих параметров – неравномерность распределения атомов углерода, хрома, марганца, никеля, нарушающая кристаллическую решетку стали. Высокотемпературная отпускная хрупкость усиливается при выдержке в течение 8-10 часов изделий в опасном температурном диапазоне. Определить эту проблему можно только при травлении шлифов поверхностно-активными реагентами, выявляющими границы аустенитных зерен, по которым происходит хрупкое разрушение.

Существует два наиболее эффективных варианта решения этой проблемы. Первый способ: после появления признаков отпускной хрупкости нагреть металлоизделие еще раз до заданной температуры в масляной среде и быстро охладить. Второй метод –легирование сплава вольфрамом примерно в количестве 1% или молибденом ∼ 0.3 % — 0.4 %.