Отпуск и старение

Для повышения пластичности, вязкости, снижения твердости и уменьшения внутренних напряжений металлические сплавы после закалки подвергаются нагреву. Температура нагрева лежит ниже температуры фазовых превращений и колеблется, как и время выдержки, в довольно широких пределах в зависимости от состава сплава и характера ожидаемой структуры. Такой нагрев для сталей называется отпуском. Отпуск – конечная операция, следующая за закалкой, его используют для уменьшения внутренних напряжений и получения более равновесной структуры. Стальные изделия в закаленном (неотпущенном состоянии) не применяют из-за хрупкости и малой пластичности.

Напряжения в закаленных изделиях снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска и меньше скорость охлаждения. С повышением температуры отпуска твердость и прочность снижаются, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются.

Поэтому в зависимости от условий эксплуатации и требуемых свойств применяют различные виды отпуска: низкий, средний, высокий (улучшенный).

Низкий отпуск состоит в нагреве закаленной стали до 120 - 250^оС. При этом твердость почти не снижается, но, благодаря выделению из мартенсита части углерода, хрупкость стали существенно уменьшается. Такому отпуску подвергаются инструменты. Кроме того, этот вид ТО уменьшает остаточные напряжения в изделии; повышает сопротивление хрупкому разрушению.

Средний отпуск (нагрев до 300 - 400^оС) повышает упругость стали. Такой отпуск проходят рессоры, пружины, торсионы.

При температуре 500 - 680^оС происходит высокий отпуск. Мартенсит распадается на ферритоцементитную смесь, имеющую зернистое строение, - сорбит отпуска. Назначение этого вида ТО состоит в получении максимальной вязкости при сохранении относительно высоких значений пределов прочности, текучести и повышенного сопротивления хрупкому разрушению, а также для практически полного снятия остаточных напряжений.

Такому отпуску подвергаются детали машин, испытывающие в работе большие динамические и вибрационные нагрузки, так как сорбит отпуска обладает наиболее благоприятным комплексом механических свойств. Поэтому закалку с последующим высокотемпературным отпуском называют улучшением стали. Для сравнения в табл. 24 приведены значения механических свойств для хромистой стали (0,4 % углерода, 1 % хрома) в отожженном, нормализованном и улучшенном состояниях.

Таблица 24

Прочностные и пластические характеристики стали, содержащей 0,4 % углерода и 1 % хрома, после различных видов термической обработки

Старение заключается в переходе сплава от неустойчивого к более устойчивому состоянию. Этот процесс протекает и без нагрева (естественное старение), но в этом случае он растягивается на значительный срок – иногда до нескольких лет. Гораздо интенсивнее протекают процессы старения при повышенных температурах. Принципиальных отличий в процессах, происходящих при отпуске и старении, нет. Для сталей термин старение и искусственное старение применяется обычно при обозначении нагрева после наклепа изделия и в тех случаях, когда небольшому нагреву подвергаются незакаленные детали. Старение закаленных цветных сплавов обычно приводит к значительному повышению их механических свойств. Некоторые сплавы алюминия (дуралюмин) имеют прочность после отжига 20 кГ/мм², после закалки 25 кГ/мм², а после старения 40 - 45 кГ/мм².

Старением добиваются повышения прочности и твердости при снижении пластичности и вязкости (станины станков, основания мерительных приборов и т. д.).