Отпуск стали – почему материал укрепляется?

 Отпуск стали (высокий, низкий, средний) применяют для того, чтобы получить более устойчивое структурное состояние сплава. Узнаем, что он собой представляет, как осуществляется, есть ли побочные эффекты и возможно ли сделать его самостоятельно в домашних условиях.

Что такое отпуск стали?

Это последний этап термической обработки, на котором сплав нагревают до температуры, не превышающей теплоту превращения, затем выдерживают нужное время и постепенно охлаждают с заданной скоростью. Потребность в этом возникает потому, что после термического воздействия, например, той же закалки, в материале очень часто появляются внутренние напряжения, которые негативно влияют на его свойства. Чтобы их устранить, следует осуществить вышеупомянутую операцию. Так сталь вновь возобновляет требуемые механические свойства.

Причем чем больше будет температура отпуска стали, тем он будет более эффективным, полнее снимутся осевые, тангенциальные и радиальные напряжения. В первые 15–30 минут выдержки процесс проходит наиболее интенсивно. Однако чтобы снизить значение напряжений до минимума, следует продлить время выдержки хотя бы до 1,5 часа (в индивидуальных случаях оно может достигать даже десятка часов), и тогда получится максимально возможный результат для данного температурного режима.

Но не стоит недооценивать и скорость, с которой осуществляется охлаждение - чем она меньше, тем меньше будут остаточные напряжения. А сочетание быстрой скорости охлаждения с высокой температурой (более 600°С) будет не то, чтобы малоэффективно, но и, напротив, способствуют возникновению новых тепловых напряжений. Также огромное значение играет и температурный режим, в зависимости от которого принято различать следующие виды отпуска стали: низкий, средний и высокий. Рассмотрим более подробно каждый из них.

Низкотемпературный и средний отпуск – технологии процессов

В этом случае осуществляют нагрев до 250°С, благодаря которому снижаются внутренние напряжения. Вместо мартенсита закалки появляется отпущенный мартенсит, что способствует повышению прочностных характеристик, а также улучшению вязкости сплава, при этом такие превращения практически не отражаются на твердости материала. Твердость закаленной стали остается прежней (HRC 58–63), а значит, она будет иметь и достаточно высокую износостойкость.

Но учтите, что даже после того, как будет проведен низкотемпературный отпуск закаленной стали, под нагрузкой динамического характера она все же будет разрушаться.

Поэтому такому виду обработки актуально подвергать измерительные и режущие инструменты, сделанные из низколегированных и углеродистых сталей. Кроме того, детали, претерпевшие цементацию, поверхностную закалку, нитроцементацию и цианирование, также проходят низкотемпературный отпуск. В среднем данная операция длится от одного часа до 2,5, но если речь идет о деталях большого сечения, то время стоит увеличить.

Его температурный режим находится в пределах от 350 и до 500°С. В результате превращения при отпуске стали такого рода формируется троостомартенсит и сталь приобретает твердость HRC 40–50. Ее в основном применяют для штампов, рессор, а также пружин. У деталей значительно повышается предел упругости, выносливости и релаксационная стойкость.

Следует очень аккуратно подбирать температурный режим, так как, допустив ошибку, можно вызвать необратимую отпускную хрупкость. Охлаждение же лучше проводить в воде. В этой среде на поверхности материала появляются остаточные сжимающие напряжения, способствующие увеличению предела выносливости.

Высокотемпературный отпуск – чем характерна такая обработка?

Если температура превышает 500°С, то такой отпуск называется высокотемпературным либо просто высоким. Структура стали после данной обработки – сорбит отпуска. Причем из всех вышеописанных этот вид наиболее эффективный, так как получается идеальное соотношение вязкости и прочности сплава. При этом стоит учитывать, что закалка стали в сочетании с последующей высокотемпературной обработкой способствует повышению предела текучести, прочности, ударной вязкости, а также относительному сужению.

Благодаря таким результатам подобное сочетание принято называть улучшением. Целесообразно оно для конструкционных и среднеуглеродистых сталей, к которым предъявляются особые требования. А в частности, к их пределу прочности, текучести, выносливости и ударной вязкости. При этом имейте в виду, что твердость в этом случае несколько снизится, поэтому рассчитывать на улучшение износостойких характеристик не стоит. Однако у сплава несколько уменьшится чувствительность к концентраторам напряжений, порог хладноломкости, увеличится работа развития трещины, что способствует повышению конструктивной прочности материала.

Так как выдержки в заданном температурном режиме около двух часов достаточно, чтобы устранить практически все остаточные напряжения, то данная операция обычно не длится более шести часов. Однако есть и индивидуальные случаи, когда деталь обрабатывают и несколько десятков часов, дабы предотвратить появления внутренних трещин (флокенов).

Процесс отпуска стали – домашняя мастерская

Как было сказано выше - на процесс отпуска стали, вернее на его эффективность, влияет скорость охлаждения, а, следовательно, и среда, в которой оно происходит. Итак, если охлаждение после отпуска будет происходить на воздухе, то в результате напряжений на поверхности сплава будет в семь раз меньше. А если сравнивать масляную среду с водой, то в первом случае напряжений останется в 2,5 раза меньше, нежели во втором. Именно по этим причинам всем элементам, имеющим сложные формы, рекомендуется давать остывать с меньшей скоростью, дабы избежать коробления. Исключением являются только лишь легированные стали, склонные к обратимой отпускной хрупкости, их-то следует после нагрева до 500–650°С охладить достаточно быстро.

Безусловно, на производстве проведение такой операции не вызывает никаких сложностей. А получится ли самостоятельно усовершенствовать материал, который часто находится под напряжением - возможен ли отпуск стали в домашних условиях? Ведь некоторые умельцы не против смастерить что-либо своими руками. Так, например, делая тот же нож, его необходимо подвергнуть термической обработке, дабы лезвие обладало нужными свойствами. А просто закаленный предмет разрушится при первом же ударе об кость. Итак, конечно же, произвести высокотемпературный отпуск дома будет довольно сложно, но нагреть предмет до 300°С вполне возможно. Для этого можно опустить его в расплавленный свинец, так как он имеет именно такую температуру плавления. Кроме того, можно воспользоваться и обыкновенной газовой либо электрической духовкой. А затем просто дать изделию постепенно остыть на воздухе.

Таким образом, видно, что средний, низкотемпературный, высокотемпературный отпуск является обязательным этапом термической обработки сплавов, благодаря которому такие свойства, как вязкость и пластичность, значительно улучшаются. А уж какой из этих видов выбрать, зависит от материала и назначения обрабатываемого элемента.