Отпуск стали: низкий, средний и высокий режимы

Отпуск - вторая часть классической пары «закалка + отпуск», без которой закалённая сталь остаётся хрупкой и непригодной к работе. Задача отпуска - перевести нестабильный мартенсит закалки в равновесные структуры с нужным сочетанием твёрдости, пластичности и вязкости. В зависимости от температуры нагрева различают три принципиально разных режима: низкий, средний и высокий. Выбор режима определяет, какую деталь вы получите на выходе. Разберём каждый - с диапазонами температур, структурами, свойствами и областями применения. Чтобы сразу подобрать режим под свою задачу, воспользуйтесь калькулятором ниже.

Что происходит в стали при отпуске

При закалке аустенит превращается в мартенсит - пересыщенный твёрдый раствор углерода в железе. Кристаллическая решётка перекошена, внутренние напряжения огромны, ударная вязкость близка к нулю. Отпуск - это контролируемый нагрев ниже критической точки $A_1$ (727 °C), позволяющий мартенситу частично или полностью разложиться с выделением карбидов железа $Fe_3C$.

Процесс идёт в четыре стадии:

• I стадия (до ~100 °C) - перераспределение углерода в решётке мартенсита.
• II стадия (100-200 °C) - распад остаточного аустенита, начало выделения карбидов.
• III стадия (200-400 °C) - формирование дисперсных карбидов, снятие тетрагональности решётки.
• IV стадия (400-700 °C) - коагуляция карбидов, формирование равноосных зёрен феррита с глобулярными карбидами.

Каждому диапазону соответствует своя структура и свои механические свойства.

Низкий отпуск: 150-250 °C

Низкий отпуск проводят в диапазоне 150-250 °C. При такой температуре из мартенсита закалки выделяются мельчайшие ε-карбиды (цементит-предшественник), снимаются часть внутренних напряжений, но решётка остаётся ещё значительно искажённой. Получаемая структура называется мартенситом отпуска - он отличается от мартенсита закалки более тёмным травлением на шлифах и несколько сниженной хрупкостью.

Свойства после низкого отпуска:

• Твёрдость: 58-64 HRC (почти не снижается по сравнению с закалкой).
• Предел прочности: 2000-2400 МПа.
• Ударная вязкость: остаётся низкой - 0,2-0,4 МДж/м².

Применение: инструментальные стали (У8, У10, У12), режущий и мерительный инструмент, напильники, свёрла, зубила. Сюда же относятся детали, прошедшие поверхностную закалку ТВЧ - там низкий отпуск снимает напряжения, не разрушая твёрдый поверхностный слой.

Рассчитать для своей задачи

Средний отпуск: 350-450 °C

При нагреве до 350-450 °C мартенсит полностью теряет тетрагональность и распадается на феррит и дисперсные пластинчатые карбиды. Эта структура называется трооститом отпуска. В отличие от троостита закалки (образующегося при быстром охлаждении аустенита), троостит отпуска имеет более правильную морфологию и значительно лучшую ударную вязкость.

Свойства после среднего отпуска:

• Твёрдость: 40-50 HRC.
• Предел прочности: 1400-1700 МПа.
• Предел упругости: максимальный среди всех режимов отпуска.
• Ударная вязкость: 0,5-0,8 МДж/м².

Ключевое свойство троостита - высокий предел упругости при достаточной прочности. Именно это делает его идеальным для упругих элементов.

Применение: пружины, рессоры, торсионные валы, пружинные шайбы. Классические марки: сталь 65Г, 60С2А, 50ХФА.

Высокий отпуск: 500-650 °C

Высокий отпуск при 500-650 °C обеспечивает полное разложение мартенсита и коагуляцию карбидов. Карбиды укрупняются и приобретают глобулярную (округлую) форму, феррит становится полигональным. Образуется сорбит отпуска - тонкая смесь феррита и глобулярного цементита.

Свойства после высокого отпуска:

• Твёрдость: 25-35 HRC (250-350 НВ).
• Предел прочности: 900-1200 МПа.
• Ударная вязкость: 0,8-1,5 МДж/м² - наилучшая среди всех видов отпуска.
• Хорошая пластичность: $\delta$ = 12-20 %.

Сочетание прочности и вязкости в сорбите отпуска - наилучшее из всех структур, получаемых термообработкой конструкционных сталей. Именно поэтому режим «закалка + высокий отпуск» получил отдельное название - улучшение стали.

Применение: ответственные конструкционные детали - шатуны, коленчатые валы, шестерни, болты, оси, тяги. Марки: 40Х, 45, 40ХН, 30ХГСА, 38ХМА.

Рассчитать для своей задачи

Улучшение стали: почему это особый термин

«Улучшение» - устоявшийся технологический термин для конкретного сочетания: закалка в воде или масле + высокий отпуск при 550-650 °C. После улучшения сталь получает сорбит отпуска и оптимальный комплекс механических свойств.

Термин важен: когда в чертеже или ТУ написано «улучшить до 280-320 НВ», это означает именно этот режим, а не произвольную термообработку. Нельзя получить требуемые свойства только закалкой (слишком хрупко) или только нормализацией (недостаточно прочно).

Улучшение применяют для легированных конструкционных сталей. Углеродистые стали (Ст45, Сталь 40) тоже улучшают, но их прокаливаемость ниже, и в крупных сечениях сердцевина детали может не прокалиться - сорбит получится только в поверхностном слое.

Зависимость свойств от температуры отпуска

С ростом температуры отпуска:

• Твёрдость и прочность монотонно убывают.
• Пластичность и вязкость растут, но неравномерно - на кривых $a_н(T)$ и $\delta(T)$ есть минимумы в зонах отпускной хрупкости.
• Предел текучести сначала растёт (при ~200-300 °C - карбидное дисперсное упрочнение), затем снижается.
• Внутренние напряжения убывают экспоненциально, причём большая их часть снимается уже при 300-400 °C.

$\sigma_{ост}(T) \approx \sigma_{0} \cdot e^{-\alpha T}$

Именно эта зависимость - основа для выбора режима: определяем, что важнее (твёрдость или вязкость), и назначаем температуру.

Скорость охлаждения после отпуска

Для большинства сталей охлаждение после отпуска не критично - его проводят на воздухе. Исключения:

• Легированные стали (Cr, Mn, Ni, Si) после высокого отпуска нужно охлаждать быстро (в воде или масле), чтобы пройти зону 450-550 °C без выдержки и избежать необратимой отпускной хрупкости II рода. Быстрое охлаждение «замораживает» атомы вредных примесей (P, Sb, Sn) в объёме, не давая им сегрегировать на границы зёрен.
• После низкого отпуска охлаждение безразлично - температура слишком мала для диффузии.
• После среднего отпуска - охлаждение на воздухе или в масле.

Практические советы по назначению режима

Как выбирают вид отпуска на практике:

1. Режущий и мерительный инструмент → низкий отпуск (150-200 °C), мартенсит отпуска, HRC 60+.
2. Пружины и рессоры → средний отпуск (380-450 °C), троостит, HRC 42-48.
3. Ответственные конструкционные детали → улучшение: высокий отпуск (550-650 °C), сорбит, HRC 28-35.
4. Сварные конструкции → низкий отпуск (600-650 °C для снятия напряжений без фазовых превращений, это отдельный случай - «отжиг для снятия напряжений»).

Важно отличать отпуск от смежных операций: нормализация стали - это нагрев выше $A_3$ с последующим охлаждением на воздухе (не закалка), она даёт перлитные структуры, а не мартенситные, и применяется по другим соображениям.

Рассчитать для своей задачи

Влияние легирующих элементов на режимы отпуска

Легирующие элементы существенно смещают температуры фазовых превращений при отпуске:

• Хром (Cr), молибден (Mo), вольфрам (W), ванадий (V) - карбидообразователи. Они затрудняют диффузию углерода, задерживают коагуляцию карбидов и смещают кривые отпуска в сторону более высоких температур. Сталь 40Х сохраняет HRC 50 до 400 °C, тогда как углеродистая У10 - только до 200 °C.
• Никель (Ni) - не образует карбидов, но снижает температуру мартенситного превращения и увеличивает количество остаточного аустенита. Отпуск хромоникелевых сталей требует особого контроля режима охлаждения.
• Марганец (Mn), кремний (Si) - усиливают склонность к отпускной хрупкости II рода. Именно поэтому «кремниемарганцовистые» пружинные стали (65Г) особенно чувствительны к скорости охлаждения после среднего отпуска.

Быстрорежущие стали (Р6М5, Р18) - особый случай: их отпускают трёхкратно при 560 °C по 1 часу. Причина - при первом отпуске из остаточного аустенита выделяются карбиды, а сам аустенит обедняется легирующими и при охлаждении превращается в мартенсит; при втором и третьем отпуске этот новый мартенсит «отпускается». После трёхкратного отпуска твёрдость Р6М5 - 63-65 HRC.

Частые ошибки

• Пропустить отпуск после закалки. Закалённая без отпуска деталь содержит огромные внутренние напряжения и при обработке (шлифовании, правке) или монтаже легко трескается. Разрыв по времени между закалкой и отпуском не должен превышать 2-4 часов для тонкостенных деталей.
• Назначить средний отпуск легированной стали без учёта отпускной хрупкости. Охлаждение в печи из диапазона 400-500 °C - верный путь к охрупчиванию. Охлаждать нужно быстро.
• Путать «улучшение» с любым высоким отпуском. Улучшение - это обязательно пара «закалка + высокий отпуск». Один высокий отпуск без предшествующей закалки не даёт сорбита отпуска - только нормализованную структуру.
• Недовыдержать при низком отпуске тонкостенных деталей. 30-минутного отпуска недостаточно: напряжения снимаются диффузионно, нужна выдержка не менее 1 часа.
• Превысить температуру отпуска для инструментальных сталей. Свыше 300 °C твёрдость углеродистой инструментальной стали начинает резко падать - режущий инструмент из У8 при таком режиме теряет функциональность.

FAQ

Чем отличаются мартенсит, троостит и сорбит отпуска? Все три - смеси феррита и карбидов железа, но с разной степенью дисперсности. Мартенсит отпуска - наиболее тонкодисперсная смесь (карбиды ε-типа, размер 1-5 нм), наибольшая твёрдость. Троостит - карбиды в виде пластин, 10-100 нм. Сорбит - глобулярные карбиды, 100-500 нм, наилучшая ударная вязкость. Все три образуются при нагреве мартенсита закалки - в отличие от «закалочных» троостита и сорбита (продуктов непрерывного охлаждения аустенита).

Можно ли повторно провести отпуск, если первый был ошибочным? Если температура первого отпуска была ниже нужной - можно провести повторный при более высокой температуре. Если выше - понизить свойства обратно уже нельзя: потребуется повторная закалка. Поэтому при сомнениях лучше начинать с нижней границы диапазона.

Почему пружины отпускают при более низкой температуре, чем шестерни? Потому что пружинам нужен максимальный предел упругости (структура - троостит, 350-450 °C), а шестерням - баланс прочности и ударной вязкости (структура - сорбит, 550-650 °C). Для пружины критично, чтобы деталь не «садилась» под нагрузкой; для шестерни - чтобы не скалывалась при ударной нагрузке.

Коротко

Отпуск стали - обязательная операция после закалки, переводящая хрупкий мартенсит в рабочие структуры. Низкий отпуск (150-250 °C) даёт мартенсит отпуска с максимальной твёрдостью HRC 60+ - для режущего инструмента. Средний отпуск (350-450 °C) формирует троостит с наивысшим пределом упругости - для пружин и рессор. Высокий отпуск (500-650 °C) даёт сорбит с лучшим сочетанием прочности и вязкости - используется в паре с закалкой как «улучшение» для конструкционных деталей. Выбор режима определяется назначением детали; для легированных сталей обязателен контроль скорости охлаждения во избежание отпускной хрупкости.