3.2.5. Отпуск сталей

Отпуском называют финишную термическую обработку, заключаю­щуюся в нагреве закаленной стали до температур ниже Асх, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью (рис. 3.12, а). Отпуск проводят для снижения или пол­ного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости за­каленной стали и получения требуемой структуры и механических свойств. В зависимости от температуры отпуск делят на низкий, сред­ний и высокий.

Рис. 3.12. Температурные области нагрева под отпуск (а), , структуры закалки и продуктов ее распада: 6 - мартенсит закалки; в - мартенсит отпуска; г - троостит отпуска; д - сорбит отпуска

Низкий отпуск проводят при нагреве до 250 °С, после чего следует выдержка в течение 1... 1,5 ч в зависимости от размеров детали и охлаж­дение. Применяют его для режущего и измерительного инструмента, деталей, подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроце-ментации (более подробно см. главу 4). После низкого отпуска снижа­ются закалочные напряжения, мартенсит закалки (рис. 3.12, б) пре­вращается в мартенсит отпуска (рис. 3.12, в), повышается прочность и несколько - вязкость. Твердость остается высокой (58...63 HRC3) и почти не снижается по сравнению с закаленной сталью.

Средний отпуск проводят при нагреве до 350...500 °С, затем следует выдержка от 1 до 8 ч в зависимости от массы детали и охлаждение, как правило, на спокойном воздухе. Этот вид отпуска применяют для пружин, рессор и некоторых видов штампового инструмента. В ре­зультате такой обработки достигаются высокие значения пределов упругости и выносливости, образуется структура - троостит отпуска (рис. 3.12, г) или троосто-мартенсит, твердость стали - 40...50 HRC3.

Высокий отпуск проводят при температурах 500...680 °С в течение 1...6 ч в зависимости от габаритов изделия и затем изделия охлаждают на воздухе. Для легированных сталей применяют охлаждение в воде или масле с целью предотвращения отпускной хрупкости. Этот вид отпуска используют для нагруженных конструкционных деталей из среднеуглеродистых конструкционных сталей с целью обеспечения наилучшего соотношения прочности и вязкости. После высокого от­пуска структура стали состоит из сорбита отпуска (рис. 3.12, д). Твер­дость - 25...30 HRC3.

Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Улучшение значительно повышает конструкци­онную прочность стали, уменьшая ее чувствительность к концентрато­рам напряжений, увеличивая работу развития трещин и снижая темпе­ратуру порога хладноломкости.

3.3. Термомеханическая обработка стали

Термомеханическая обработка (ТМО) стали заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии с после­дующей закалкой. В зависимости от температуры, при которой де­формируют сталь, различают высокотемпературную (ВТМО) и низко­температурную (НТМО) термомеханическую обработку.

При ВТМО сталь нагревают до температуры выше Асъ, пластически деформируют при этой температуре и закаливают. Степень деформации составляет 20...30 %. Закалка следует немедленно после деформа­ции во избежание развития рекристаллизации. Схема процесса при­ведена на рис. 3.13, а.

При НТМО сталь нагревают до температур выше Acv выдержива­ют при этой температуре, охлаждают до температуры выше точки Мн (400...600 °С), но ниже температуры рекристаллизации, при этой тем­пературе осуществляют обработку давлением (степень деформации 75...95 %), а затем сразу же производят закалку и низкотемператур­ный отпуск (рис. 3.13, б),

Рис. 3.13. Схемы режимов термомеханической обработки и структуры стали: а -высокотемпературного; б -низкотемпературного

ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО - только стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита, т. е. леги­рованные. С помощью ТМО удается повысить предел прочности и пластичность стали по сравнению с обычной закалкой и отпуском. В табл. 3.3 приведены усредненные механические свойства сталей по­сле различных видов обработки.

Таблица 3.3 Влияние вида обработки на механические свойства сталей

Вид обработки	ав, МПа	ат, МПа	5,%	м/,%
Закалка, сталь 40 нтмо втмо	1400 2400...2900 2100...2700	1100 2000...2400 1900...2200	2 S...8 7...9	3 15...30 25...40

Повышение прочности в процессе ТМО по сравнению с обычной закалкой объясняется предварительным наклепом аустенита, в кото­ром в результате деформации создается повышенная плотность дисло­каций, наследуемая образующимся при закалке мартенситом. Такое структурное состояние обеспечивает протекание пластической релак­сации локальных напряжений, вызванных повышенной плотностью дислокаций. Как следствие, образующийся при отпуске мартенсит, не­смотря на более высокую по сравнению с обычной термической обра­боткой плотность дислокаций, имеет меньший уровень остаточных на­пряжений. Это обеспечивает более высокие значения как прочности, так и ударной вязкости и пластичности одновременно.

Более высокая прочность стали после НТМО по сравнению с ВТМО объясняется тем, что при высоких температурах, по-видимому, про­исходит частичная рекристаллизация стали. Однако после ВТМО сильнее повышаются пластичность и ударная вязкость.

В настоящее время более широко используется ВТМО, так как она обеспечивает высокие характеристики прочности (наряду с высокой пластичностью и ударной вязкостью стали) и для ее осуществления требуется меньше энергии в связи с меньшей степенью деформации. ВТМО осуществляют в цехах прокатного производства на металлур­гических заводах для упрочнения прутков нефтенасосных штанг, рес­сорных полос, труб и пружин.