Отпуск стали — это заключительная операция термической обработки, которая проводится после закалки для устранения внутренних напряжений и улучшения эксплуатационных свойств металла. Процесс заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки с последующей выдержкой и охлаждением. Правильный выбор температурного режима отпуска позволяет получить оптимальное соотношение твердости, прочности и вязкости для конкретных условий эксплуатации изделий.
Что такое отпуск стали и зачем он нужен
После закалки сталь приобретает высокую твердость благодаря образованию мартенситной структуры, однако становится чрезмерно хрупкой и содержит большие внутренние напряжения. Эти напряжения могут привести к самопроизвольному растрескиванию изделия даже без приложения внешних нагрузок. Отпуск закаленной стали решает эти проблемы путем частичного или полного распада мартенсита на более равновесные структуры.
При нагреве закаленной стали происходят диффузионные процессы, в результате которых атомы углерода выделяются из пересыщенного твердого раствора с образованием карбидов. Чем выше температура отпуска и больше время выдержки, тем полнее протекает распад мартенсита и тем более равновесной становится структура. Это приводит к снижению твердости и прочности, но существенно повышает пластичность и ударную вязкость металла.
Основные цели отпуска: снятие или уменьшение остаточных закалочных напряжений, повышение вязкости и пластичности стали, получение требуемого комплекса механических свойств для конкретных условий эксплуатации деталей.
Виды отпуска стали по температурным режимам
В зависимости от температуры нагрева различают три основных вида отпуска стали, каждый из которых обеспечивает получение определенной структуры и свойств металла. Выбор температурного режима определяется маркой стали и условиями работы готового изделия.
Низкий отпуск
Низкий отпуск проводится при температуре 150-250°C с выдержкой в течение одного-трех часов в зависимости от размеров детали. При таком нагреве происходит частичный распад мартенсита закалки с выделением мельчайших карбидных частиц, в результате чего образуется структура, называемая мартенситом отпуска.
Низкотемпературный отпуск снижает степень тетрагональности кристаллической решетки и уменьшает внутренние напряжения примерно на 20-30%, при этом сохраняя высокую твердость на уровне 58-63 HRC. Износостойкость остается практически на уровне закаленной стали, но несколько повышается вязкость, что снижает риск хрупкого разрушения.
Применение низкого отпуска: режущий инструмент (сверла, фрезы, метчики, резцы), измерительный инструмент (калибры, шаблоны), детали после поверхностной закалки токами высокой частоты, изделия после цементации и нитроцементации.
Средний отпуск
Средний отпуск осуществляется при температуре 350-500°C с выдержкой от двух до четырех часов. В этом температурном диапазоне завершается распад мартенсита с образованием мелкодисперсной феррито-цементитной смеси, которая называется троостит отпуска.
При среднем отпуске происходит полное выделение избыточного углерода из твердого раствора, карбиды обособляются и приобретают строение цементита. Кристаллическая решетка железа становится кубической вместо тетрагональной. Твердость снижается до 40-50 HRC, при этом сохраняются высокие упругие свойства и значительно снижаются внутренние напряжения.
Применение среднего отпуска: пружины различного назначения, рессоры автомобилей и железнодорожных вагонов, пилы для обработки древесины, ковочные штампы, детали, работающие при переменных динамических нагрузках.
Следует учитывать, что температурный интервал 250-300°C является зоной так называемой отпускной хрупкости первого рода, поэтому средний отпуск обычно проводят при температурах выше 350°C, чтобы избежать охрупчивания металла.
Высокий отпуск
Высокий отпуск проводится при температуре 500-650°C с выдержкой два-три часа для деталей средних размеров. При таком нагреве происходит коагуляция и сфероидизация карбидов, то есть их укрупнение и округление формы. Образующаяся структура из феррита и крупных округлых частиц цементита называется сорбит отпуска.
Высокотемпературный отпуск обеспечивает наилучшее сочетание прочности и вязкости стали. Твердость снижается до 25-35 HRC, но при этом существенно возрастают пластичность, относительное удлинение и ударная вязкость. Внутренние напряжения практически полностью устраняются.
Применение высокого отпуска: коленчатые и распределительные валы двигателей, зубчатые колеса и шестерни, шатуны, ответственные детали прессов и механических молотов, элементы конструкций, испытывающие ударные и знакопеременные нагрузки.
Сравнительная таблица видов отпуска
| Вид отпуска | Температура, °C | Структура | Твердость, HRC | Основное применение |
|---|---|---|---|---|
| Низкий | 150-250 | Мартенсит отпуска | 58-63 | Режущий и измерительный инструмент |
| Средний | 350-500 | Троостит отпуска | 40-50 | Пружины, рессоры, штампы |
| Высокий | 500-650 | Сорбит отпуска | 25-35 | Валы, шестерни, детали с ударными нагрузками |
Структурные изменения при отпуске
Структурные превращения, происходящие при отпуске, являются результатом диффузионных процессов и определяются температурой нагрева. При низких температурах диффузия углерода ограничена, поэтому распад мартенсита происходит частично и неравномерно.
В интервале 150-200°C начинается перераспределение углерода в мартенсите с образованием переходных карбидов. Эти карбиды выделяются в виде тонких пластинок или стержней и когерентно связаны с решеткой мартенсита. При температуре около 250°C переходные карбиды превращаются в цементит, когерентность нарушается, что приводит к некоторому снижению твердости.
При среднем отпуске диффузия углерода усиливается, происходит полное выделение углерода из твердого раствора. Карбиды растут за счет притока углерода из областей с его высокой концентрацией. Форма карбидов приближается к сферической, они полностью обособляются от матрицы феррита.
Высокий отпуск характеризуется интенсивной коагуляцией карбидов, то есть ростом крупных частиц за счет растворения мелких. Зерна феррита становятся равноосными. Происходит полигонизация и частичная рекристаллизация феррита, что приводит к снижению плотности дислокаций и уменьшению искажений кристаллической решетки.
Изменение механических свойств
С повышением температуры отпуска наблюдаются закономерные изменения всех механических свойств стали. Твердость и прочностные характеристики постепенно снижаются, в то время как пластичность и вязкость возрастают.
Влияние температуры на свойства
- Твердость плавно снижается от максимальных значений после закалки до минимальных после высокого отпуска. Наиболее резкое падение твердости происходит в интервале 400-600°C.
- Предел прочности снижается менее интенсивно, чем твердость, особенно для среднеуглеродистых сталей при высоком отпуске сохраняется достаточно высокий уровень прочности.
- Предел текучести изменяется аналогично пределу прочности, достигая оптимальных значений при среднем отпуске для пружинных сталей.
- Относительное удлинение увеличивается с повышением температуры отпуска, что свидетельствует о росте пластичности металла.
- Ударная вязкость существенно возрастает, особенно после высокого отпуска, что делает сталь способной выдерживать динамические нагрузки.
Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск, называется улучшением. Улучшение применяют для среднеуглеродистых конструкционных сталей с содержанием углерода 0,3-0,5% и позволяет получить оптимальное сочетание высокой прочности с хорошей пластичностью и вязкостью.
Отпускная хрупкость стали
Отпускная хрупкость — это аномальное снижение ударной вязкости стали после отпуска в определенных температурных интервалах при неизменности других механических свойств. Это явление представляет значительную опасность для ответственных деталей и требует учета при выборе режима термообработки.
Отпускная хрупкость первого рода (необратимая)
Проявляется при отпуске в температурном интервале 250-400°C и не зависит от скорости охлаждения после отпуска. Хрупкость обусловлена неравномерностью распада мартенсита: процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с их объемом, что создает концентрацию напряжений на границах.
Это явление характерно для всех сталей в той или иной степени. При повторном нагреве выше 400°C вязкость восстанавливается, но последующий отпуск в опасном интервале не возвращает хрупкость, поэтому она называется необратимой. Из-за этого явления средний отпуск используется редко, хотя он и обеспечивает высокий предел текучести.
Отпускная хрупкость второго рода (обратимая)
Наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в интервале 450-650°C. Механизм связан с выделением дисперсных карбидов по границам зерен и обогащением приграничных зон фосфором и другими примесями при медленном охлаждении.
Хрупкость второго рода является обратимой, поскольку при повторном нагреве и быстром охлаждении вязкость восстанавливается. Однако при очередном медленном охлаждении в опасном интервале хрупкость проявится снова. Склонность к этому виду хрупкости повышают хром, марганец, никель и особенно фосфор.
Меры предотвращения отпускной хрупкости второго рода: быстрое охлаждение после высокого отпуска в масле или воде, легирование стали молибденом (0,2-0,3%) или вольфрамом (около 1%), снижение содержания вредных примесей, особенно фосфора.
Технология проведения отпуска
Процесс отпуска включает три основных этапа: нагрев изделия до заданной температуры, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение. Нагрев должен быть равномерным, чтобы избежать возникновения температурных напряжений в детали.
Скорость нагрева зависит от размеров детали и марки стали. Массивные изделия нагревают медленнее, чем тонкостенные. Время выдержки при температуре отпуска определяется толщиной детали и составляет примерно один час на каждые 20-25 мм сечения.
Охлаждение после отпуска обычно проводят на воздухе. Скорость охлаждения оказывает влияние на величину остаточных напряжений: чем медленнее охлаждение, тем меньше напряжения. Детали сложной формы для предотвращения деформации охлаждают медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости второго рода, напротив, требуют ускоренного охлаждения в масле.
Области применения различных видов отпуска
Выбор температуры отпуска определяется условиями работы изделия и требованиями к его механическим свойствам. Для каждого типа деталей существуют оптимальные режимы термообработки, обеспечивающие наилучшую работоспособность.
Инструментальное производство
Режущий инструмент из углеродистых и низколегированных сталей подвергают низкому отпуску для сохранения высокой твердости и износостойкости. Измерительный инструмент также требует низкого отпуска для стабилизации размеров и предотвращения деформаций в процессе эксплуатации.
Упругие элементы
Пружины и рессоры различного назначения подвергают среднему отпуску, который обеспечивает высокий предел упругости и выносливости при достаточной релаксационной стойкости. После отпуска при температуре 400-450°C пружины могут дополнительно охлаждаться в воде для создания остаточных напряжений сжатия на поверхности, что повышает предел выносливости.
Детали машин и механизмов
Валы, шестерни, шатуны и другие ответственные детали из среднеуглеродистых конструкционных сталей подвергают улучшению — закалке с последующим высоким отпуском. Это обеспечивает оптимальное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости, необходимое для работы в условиях динамических и знакопеременных нагрузок.
Детали после химико-термической обработки
Изделия после цементации, нитроцементации или азотирования подвергают низкому отпуску для снятия напряжений в упрочненном поверхностном слое при сохранении его высокой твердости. Детали после поверхностной закалки токами высокой частоты также отпускают при низких температурах.
Часто задаваемые вопросы
В чем отличие отпуска от отжига?
Отпуск проводится после закалки при температурах ниже критической точки и предназначен для снятия напряжений и повышения вязкости. Отжиг выполняется при более высоких температурах (выше критической точки) и применяется для размягчения стали, снятия наклепа и получения равновесной структуры.
Можно ли проводить отпуск незакаленной стали?
Нет, отпуск является операцией, следующей после закалки, и предназначен для обработки закаленной стали с мартенситной структурой. Для незакаленной стали применяют другие виды термообработки, такие как отжиг или нормализация.
Как определить правильную температуру отпуска?
Температура отпуска выбирается исходя из марки стали, требуемой твердости и условий эксплуатации детали. Для точного определения используют справочные данные и диаграммы зависимости свойств от температуры отпуска для конкретной марки стали.
Что такое самоотпуск?
Самоотпуск происходит за счет теплоты, остающейся в сердцевине детали после поверхностной закалки. Этот эффект используется при закалке инструмента, когда после охлаждения режущей кромки внутреннее тепло нагревает ее до температуры низкого отпуска.
Как влияет легирование на процесс отпуска?
Легирующие элементы замедляют диффузионные процессы при отпуске, повышают устойчивость мартенсита и сдвигают температурные интервалы превращений в сторону более высоких температур. Легированные стали требуют более длительной выдержки при отпуске и могут быть склонны к отпускной хрупкости второго рода.
Заключение: Отпуск стали является критически важной операцией термической обработки, определяющей окончательные свойства изделий. Правильный выбор температурного режима отпуска позволяет получить оптимальное сочетание твердости, прочности, пластичности и вязкости для конкретных условий эксплуатации. Низкий отпуск сохраняет высокую твердость для инструмента, средний обеспечивает упругие свойства для пружин и рессор, а высокий создает наилучшее сочетание прочности и вязкости для ответственных деталей машин. Учет явления отпускной хрупкости и соблюдение технологических параметров процесса являются необходимыми условиями получения качественных изделий.
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для общего понимания процессов термической обработки стали. Информация не является руководством к действию и не может заменить профессиональную консультацию специалиста или изучение технической документации. Автор не несет ответственности за любые последствия, возникшие в результате использования представленной информации. Для выбора конкретных режимов термообработки необходимо руководствоваться соответствующими стандартами, техническими условиями и рекомендациями производителя оборудования.
