Отпуск и старение.

Отпуском называется процесс термической обработки, при ко­тором закаленная сталь нагревается ниже критической точки А_с1, выдерживается при этой температуре и затем охлаждается. В про­цессе отпуска уменьшаются или устраняются внутренние напря­жения, повышаются вязкость и пластичность стали, снижается ее твердость, улучшается структура.

При отпуске в стали происходят определенные структурные превращения.

Первое превращение совершается при температурах 80 - 200 °С. Из раствора выделяется углерод, при этом исчезает иска­жение кристаллической решетки. Образующийся в процессе отпуска мартенсит, имеющий кубическую решетку, называют отпущенным.

Второе превращение происходит при температурах 200 - 300 °С. Остаточный аустенит переходит в отпущенный мартенсит, кото­рый является менее напряженной структурой, чем мартенсит закалки.

Третье превращение происходит при температу­рах 300 - 400 °С. В этот период завершается процесс выделения углерода из раствора, образуется цементит (Fe₃C), одновременно уменьшаются внутренние напряжения. При 400°С сталь состоит из ферритно - цементитной смеси (троостит отпуска). При даль­нейшем повышении температуры начинается коагуляция - части­цы феррита и цементита разрастаются и приобретают округлую форму. Отпущенная при 350 - 500 °С сталь имеет структуру троостита, при 500 - 600 °С - структуру сорбита и при 600 - 700 °С - структуру перлита.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида от­пуска — низкотемпературный, среднетемпературный и высоко­температурный.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150 - 300 °С. Этот отпуск снижает внутренние напряжения в стали при сохранении высокой твердости (58 - 63 HRC_э). Его при­меняют преимущественно для инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, а также для деталей, подвергаемых поверх­ностной закалке, цементации и нитроцементации, к которым предъявляются высокие требования по твердости и износостойкости.

Среднетемпературный (средний) отпуск осуществляют при тем­пературах 350 - 500°С. Целью этого отпуска является получение структуры троостита. Твердость закаленной стали при этом снижа­ется до 40 - 50 HRC_э, предел упругости достигает максимального значения. Среднему отпуску подвергают рессоры и пружины.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при темпе­ратурах 550 - 680 °С. Сталь при этом приобретает структуру сор­бита (сорбит отпуска). Твердость закаленной стали снижается до 250-350 НВ, прочность уменьшается в 1, 5-2 раза, пластичность и вязкость увеличиваются в несколько раз, внутренние напряже­ния полностью снимаются. Закалка с высоким отпуском называ­ется улучшением. Улучшенная сталь по сравнению с отожженной или нормализованной имеет более высокие показатели прочности, пластичности и вязкости. Улучшению подвергают изделия из кон­струкционных сталей марок: 40, 45, 40Х, 40ХНМ, 40ХМФ и др. (полуоси, коленчатые валы, шатуны, поворотные кулаки, рычаги, балки передних осей автомобилей, а также болты, гайки, винты и др.), испытывающие большие нагрузки.

При отпуске некоторых легированных сталей в определенном интервале температур наблюдается резкое снижение ударной вяз­кости, возникает отпускная хрупкость. Чтобы избежать развития отпускной хрупкости, изделия, изготовленные из хромоникелевых и марганцевых сталей, после высокого отпуска быстро охлаж­дают в масле или воде. С этой же целью сталь легируют молибде­ном или вольфрамом (не более 0, 6 %).

Температура отпуска и время выдержки зависят от марки стали, требований, предъявляемых к свойствам изделий из этой стали, и их массы.

Отпуск закаленных изделий, особенно инструмента проводят непосредственно после закалки в целях предотвра­щения образования трещин из - за возникших внутренних напряже­ний. При заниженных температурах отпуска или сокращении време­ни выдержки в стали сохраняется повышенная хрупкость, для устра­нения которой производят повторный отпуск. Повышенная температура отпуска приводит к снижению твердости и прочности. Эти недостатки устраняют отжигом изделий и повторной их закалкой с последующим отпуском. Температуру отпуска мож­но определить по цветам побежалости.

На рисунке 9.5 показана зависимость механических свойств стали 40 от температуры отпуска.

Рисунок 9.5 – Зависимость механических свойств стали 40 от температуры отпуска

Старение - изменение свойств стали с течением времени без заметного изменения микроструктуры. В результате старения прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость снижаются. Старение приводит к изменению размеров и коробле­нию изделий. Если старение производят при комнатной темпера­туре, его называют естественным, если при повышенной температуре, - искусственным. Старению подвергают станины станков, плунжеры, калибры, скобы и другие изделия, размеры и геометрическая форма которых не должны изменяться в процессе их эксплуатации.

Известны два вида старения — термическое и деформационное (механическое).

Термическое старение происходит в резуль­тате изменения растворимости углерода в α -железе в зависимос­ти от температуры.

Деформационное старение протекает в спла­ве, подвергнутом пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. Процесс этого старения длится 15 суток и более при комнатной температуре и всего несколько минут при температурах 200 - 350 °С.

Искусственное старение закаленных и отпущенных при низкой температуре изделий производят после предварительной меха­нической обработки при 100 - 180 °С с выдержкой в течение 18 - 35 ч и медленным охлаждением. Естественное старение осуществ­ляется на открытом воздухе под навесом, где на изделия воздей­ствуют атмосферные факторы: температура, влажность и давление воздуха. Оно длится от 3 месяцев до 2 лет. Естественному старению под­вергают станины прецизионных станков, корпусные детали ответственного назначения. Его результатом является снижение внутренних напряжений, стабили­зация размеров и геометрической формы изделий.