Введение

Процесс термической обработки, используемый для повышения вязкости сплавов на основе железа.

Отпуск – это процесс термической обработки, который используется для повышения вязкости сплавов на основе железа. Отпуск обычно выполняется после закалки, чтобы снизить избыточную твердость, и заключается в нагреве металла до температуры ниже критической точки на определенное время, после чего ему дают остыть на спокойном воздухе. Точная температура определяет степень снижения твердости и зависит как от конкретного состава сплава, так и от требуемых свойств готового изделия. Например, очень твердые инструменты часто отпускают при низких температурах, а пружины – при гораздо более высоких.

Введение

Отпуск – это вид термической обработки, применяемый к черным сплавам, таким как сталь или чугун, для повышения вязкости за счет снижения твердости сплава. Уменьшение твердости обычно сопровождается увеличением пластичности, что снижает хрупкость металла. Отпуск обычно выполняется после закалки, которая представляет собой быстрое охлаждение металла для придания ему максимально твердого состояния. Отпуск достигается путем контролируемого нагрева закаленной заготовки до температуры ниже ее "нижней критической температуры". Это также называется температурой начала фазового превращения или температурой стабилизации (A1): температурой, при которой кристаллические фазы сплава, называемые ферритом и цементитом, начинают объединяться, образуя однофазный твердый раствор, называемый аустенитом. Нагрев выше этой температуры следует избегать, чтобы не разрушить очень твердую, закаленную микроструктуру, называемую мартенситом. Точный контроль времени и температуры в процессе отпуска имеет решающее значение для достижения желаемого баланса физических свойств. Низкие температуры отпуска могут лишь снять внутренние напряжения, уменьшая хрупкость при сохранении большей части твердости. Более высокие температуры отпуска, как правило, приводят к большему снижению твердости, снижая предел текучести и прочность на разрыв ради увеличения упругости и пластичности. Однако в некоторых низколегированных сталях, содержащих другие элементы, такие как хром и молибден, отпуск при низких температурах может привести к увеличению твердости, в то время как при более высоких температурах твердость уменьшится. Многие стали с высокой концентрацией этих легирующих элементов ведут себя как сплавы, упрочняемые осаждением, что приводит к обратному эффекту в условиях закалки и отпуска, и называются мартенситными сталями старения.

История

Отпуск – древняя технология термической обработки. Самый старый известный образец отпущенного мартенсита – это кирка, найденная в Галилее, датируемая примерно 1200–1100 годами до н.э. Этот процесс использовался по всему древнему миру, от Азии до Европы и Африки. В древности было предпринято множество различных методов и охлаждающих сред для закалки, включая закалку в моче, крови или металлах, таких как ртуть или свинец, но процесс отпуска оставался относительно неизменным на протяжении веков. Отпуск часто путали с закалкой, и нередко этот термин использовался для описания обеих техник. В 1889 году сэр Уильям Чендлер Робертс Остин писал: «В трудах даже выдающихся специалистов все еще сохраняется путаница между словами "отпуск", "отпускать" и "закалка", поэтому важно помнить эти старые определения. Я буду использовать слово "отпуск" в том же смысле, что и "умягчение"».

Терминология

В металлургии можно встретить много терминов, которые имеют очень специфические значения в этой области, но могут показаться довольно расплывчатыми, если смотреть на них со стороны. Такие термины, как "твёрдость", "ударная вязкость", "вязкость", и "прочность" могут иметь множество различных коннотаций, что иногда затрудняет определение конкретного значения. Некоторые из встречающихся терминов и их конкретные определения:

Прочность – Сопротивление постоянной деформации и разрушению. Прочность в металлургии все еще является довольно расплывчатым термином, поэтому обычно подразделяется на предел текучести (прочность, после превышения которой деформация становится необратимой), предел прочности (предельная прочность при разрушении), прочность на сдвиг (сопротивление поперечным, или режущим силам) и прочность на сжатие (сопротивление упругому сокращению под нагрузкой).

Вязкость – Сопротивление разрушению при ударной нагрузке, измеряемое с помощью испытания Шарпи. Вязкость часто возрастает при снижении прочности, поскольку материал, который изгибается, менее склонен к разрушению.

Твёрдость – Сопротивление поверхности царапанию, истиранию или вдавливанию. В обычных металлических сплавах существует линейная зависимость между твердостью на вдавливание и пределом прочности, что облегчает измерение последнего.

Хрупкость – Свойство материала разрушаться до начала изгиба или деформации, будь то упругая или пластическая. Хрупкость возрастает при снижении вязкости, но также сильно подвержена влиянию внутренних напряжений.

Пластичность – Способность материала приобретать и сохранять форму после снятия нагрузки, изгибаться или деформироваться без возврата к исходной форме. Она пропорциональна пластичности или ковкости материала.

Упругость – Также называемая гибкостью, это способность материала деформироваться, изгибаться, сжиматься или растягиваться и возвращаться к исходной форме после снятия внешнего напряжения. Упругость обратно пропорциональна модулю Юнга материала.

Ударная вязкость – Обычно синоним высокой прочности и вязкости, это способность сопротивляться ударным нагрузкам с минимальной деформацией.

Износостойкость – Обычно синоним твердости, это сопротивление эрозии, абляции, отслоению или заеданию.

Целостность конструкции – Способность выдерживать максимальную расчетную нагрузку, сопротивляясь разрушению, усталости и обеспечивая минимальный изгиб или отклонение, для достижения максимального срока службы.

Углеродистая сталь

Очень немногие металлы реагируют на термическую обработку таким же образом или в такой же степени, как углеродистая сталь, а поведение углеродистой стали при термической обработке может радикально меняться в зависимости от легирующих элементов. Сталь может быть смягчена до очень пластичного состояния посредством отжига, или же она может быть закалена до состояния, столь же твердого и хрупкого, как стекло, посредством быстрого охлаждения. Однако в закаленном состоянии сталь обычно слишком хрупка и не обладает достаточной вязкостью при разрушении, чтобы быть полезной для большинства применений. Отпуск – это метод, используемый для снижения твердости, тем самым увеличивая пластичность закаленной стали, для придания металлу некоторой упругости и пластичности. Это позволяет металлу изгибаться, прежде чем разрушиться. В зависимости от степени отпуска, сталь может изгибаться упруго (сталь возвращается к своей первоначальной форме после снятия нагрузки) или пластически (сталь не возвращается к своей первоначальной форме, что приводит к необратимой деформации), прежде чем произойдет разрушение. Отпуск используется для точного балансирования механических свойств металла, таких как предел сдвига, предел текучести, твердость, пластичность и предел прочности на растяжение, для достижения различных комбинаций свойств, что делает сталь полезной для широкого спектра применений. Инструменты, такие как молотки и гаечные ключи, требуют хорошей износостойкости, ударопрочности и сопротивления деформации. Пружины не требуют такой высокой износостойкости, но должны деформироваться упруго, не разрушаясь. Автомобильные детали обычно менее прочные, но должны деформироваться пластически перед разрушением. За исключением редких случаев, когда требуется максимальная твердость или износостойкость, например, незакаленная сталь, используемая для напильников, закаленная сталь почти всегда подвергается отпуску в той или иной степени. Однако сталь иногда отжигают посредством процесса, называемого нормализацией, оставляя сталь лишь частично смягченной. Отпуск иногда применяется к нормализованным сталям для дальнейшего смягчения, повышения пластичности и обрабатываемости для облегчения обработки металла. Отпуск также может применяться к сварной стали для снятия некоторых напряжений и избыточной твердости, возникающих в зоне термического влияния вокруг сварного шва. Отпуск часто используется для углеродистых сталей, давая примерно те же результаты. Процесс, называемый "нормализация и отпуск", часто используется для сталей, таких как углеродистая сталь 1045, или для большинства других сталей, содержащих от 0,35 до 0,55% углерода. Эти стали обычно подвергаются отпуску после нормализации для повышения вязкости и снятия внутренних напряжений. Это может сделать металл более подходящим для его предполагаемого использования и облегчить его обработку.

Сварная сталь

Сталь, сваренная дуговой, газовой или любым другим способом, кроме кузнечной сварки, испытывает локальное воздействие тепла в процессе сварки. Эта локализованная область, называемая зоной термического влияния (ЗТВ), состоит из стали, значительно различающейся по твердости – от нормализованной до стали, почти такой же твердой, как закаленная, вблизи границы этой зоны термического влияния. Неравномерный нагрев, затвердевание и охлаждение вызывают термическое сжатие и, как следствие, внутренние напряжения в металле как внутри сварного шва, так и вокруг него. Для снижения внутренних напряжений и уменьшения хрупкости в области сварки иногда вместо снятия напряжений применяют отпуск (равномерный нагрев и охлаждение всего изделия до температуры чуть ниже А1). Локальный отпуск часто используется для сварных конструкций, когда нагрев всего изделия равномерно невозможен из-за его больших размеров, сложной формы или других неудобств. Температура отпуска для этих целей обычно составляет около 205 °C (401 °F) и 343 °C (649 °F).

Отопление и самотемпература

Современный арматурный стержень прочностью 500 МПа может быть изготовлен из дорогостоящей микролегированной стали или методом закалки с самоотпуском (QST). После того, как стержень выходит из последнего проходного валка, где придаетcя окончательная форма, он распыляется водой, которая быстро охлаждает его внешнюю поверхность. Скорость движения стержня и количество воды тщательно контролируются, чтобы сердцевина оставалась незакаленной. Затем горячая сердцевина отпускает уже закаленную внешнюю часть, обеспечивая высокую прочность стержня при сохранении определенной степени пластичности.

Ковачество

Отпуск был изначально процессом, используемым и разработанным кузнецами (обработчиками железа). Этот процесс, вероятнее всего, был разработан хеттами Анатолии (современная Турция) в двенадцатом или одиннадцатом веке до нашей эры. Не имея знаний в области металлургии, отпуск первоначально был разработан методом проб и ошибок. Поскольку до современных времен существовало мало точных методов измерения температуры, температуру обычно определяли по цвету отпуска металла. Отпуск часто заключался в нагреве над угольной или угольной горном, или на огне, поэтому поддерживать заготовку при точно нужной температуре в течение необходимого времени обычно было невозможно. Обычно отпуск выполнялся путем медленного, равномерного перегрева металла, судя по цвету, а затем немедленного охлаждения, либо на открытом воздухе, либо путем погружения в воду. Это давало примерно такой же эффект, как нагрев при правильной температуре в течение нужного времени, и предотвращало охрупчивание за счет быстрого отпуска. Однако, хотя существуют цветовые шкалы для отпуска, этот метод обычно требует значительной практики для достижения мастерства, поскольку конечный результат зависит от множества факторов, включая состав стали, скорость нагрева, тип источника тепла (окислительный или восстановительный), скорость охлаждения, наличие масляных пленок или примесей на поверхности и множество других обстоятельств, которые варьируются от кузнеца к кузнецу или даже от изделия к изделию. Толщина стали также играет роль. С более толстыми изделиями легче нагревать только поверхность до нужной температуры, прежде чем тепло проникнет глубже. Однако очень толстые изделия могут не успеть полностью затвердеть при закалке.

Дифференциальная закаливание

Дифференциальный отпуск – это метод, позволяющий придать различным частям стали разную степень отпуска. Этот метод часто используется в кузнечном деле, при изготовлении ножей и мечей, для получения очень твердой режущей кромки при смягчении хребта или центральной части клинка. Это повышает вязкость, сохраняя при этом очень твердую, острую и устойчивую к ударам режущую кромку, что помогает предотвратить сколы и поломки. Эта техника была более распространена в Европе, в отличие от методов дифференциальной закалки, более распространенных в Азии, например, в японском мечеделии. Дифференциальный отпуск заключается в нагревании только определенной части клинка, обычно хребта или центра клинков с двусторонней заточкой. Для клинков с односторонней заточкой тепло, часто в виде пламени или раскаленного прута, подается только на хребет клинка. Затем внимательно следят за появлением и медленным распространением цветов отпуска к режущей кромке. Нагрев прекращают до того, как светлая соломенная окраска достигнет режущей кромки. Цвета продолжат двигаться к режущей кромке в течение некоторого времени после прекращения нагрева, поэтому кузнец обычно прекращает нагрев немного раньше, чтобы бледно-желтый цвет только достиг режущей кромки и не распространился дальше. Аналогичный метод используется для клинков с двусторонней заточкой, но источник тепла прикладывается к центру клинка, позволяя цветам отпуска распространяться к обеим режущим кромкам.

Прекращение гашения

Методы прерывистого охлаждения часто называют отпуском, хотя эти процессы сильно отличаются от традиционного отпуска. Эти методы заключаются в охлаждении до определенной температуры, превышающей температуру начала мартенситного превращения (Ms), и последующей выдержке при этой температуре в течение продолжительного времени. В зависимости от температуры и времени выдержки, это позволяет сформировать чистый бейнит или задержать образование мартенсита до тех пор, пока не снизится большая часть внутренних напряжений. Эти методы известны как аустетемперирование и мартемперирование.

Остэмпирирование

Аустетемперирование – это метод, используемый для формирования чистого банита, переходной микроструктуры, находящейся между перлитом и мартенситом. При нормализации обычно встречаются как верхний, так и нижний банит, смешанные с перлитом. Чтобы избежать образования перлита или мартенсита, сталь закаливают в ванне с расплавленными металлами или солями. Это быстро охлаждает сталь ниже температуры, при которой может образоваться перлит, и переводит ее в диапазон формирования банита. Затем сталь выдерживают при температуре формирования банита, за пределами точки равновесия, до полного формирования банита. После этого сталь извлекают из ванны и дают остыть на воздухе, без образования перлита или мартенсита. В зависимости от температуры выдержки, аустетемперирование может привести к образованию либо верхнего, либо нижнего банита. Верхний банит представляет собой слоистую структуру, формирующуюся при температурах обычно выше 350 °C (662 °F), и является более вязкой микроструктурой. Нижний банит имеет игольчатую структуру, образуется при температурах ниже 350 °C, и является более прочным, но значительно более хрупким. В любом случае, аустетемперирование обеспечивает более высокую прочность и ударную вязкость при заданной твердости, которая определяется главным образом составом, а не скоростью охлаждения, а также снижает внутренние напряжения, которые могут привести к разрушению. Это обеспечивает сталь с превосходной стойкостью к ударным нагрузкам. Современные пуансоны и зубила часто подвергаются аустетемперированию. Поскольку аустетемперирование не приводит к образованию мартенсита, сталь не требует дополнительного отпуска. Третья стадия происходит при 200 °C (392 °F) и выше. На третьей стадии углерод ε осаждается в виде цементита, и содержание углерода в мартенсите уменьшается. При отпуске при более высоких температурах, между 650 °C (1202 °F) и 700 °C (1292 °F), или в течение более длительного времени, мартенсит может полностью превратиться в феррит, а цементит может стать более крупнозернистым или сферическим. В сфероидизированной стали цементитная сеть разрушается и отступает в стержни или сферические гранулы, и сталь становится мягче, чем отпущенная сталь; почти такой же мягкой, как чистое железо, что облегчает ее формовку или обработку.

Ослабление

Хрупкость возникает при отпуске, когда в определенном температурном диапазоне сталь испытывает увеличение твердости и снижение пластичности, в отличие от нормального снижения твердости, наблюдаемого по обе стороны этого диапазона. Первый тип называется отпускной хрупкостью мартенсита (TME) или одноступенчатой хрупкостью. Второй тип называется отпускной хрупкостью (TE) или двухступенчатой хрупкостью. Одноступенчатая хрупкость обычно возникает в углеродистой стали при температурах от 230 °C до 290 °C и исторически называлась "хрупкостью при 500 градусах Фаренгейта". Эта хрупкость происходит из-за осаждения игл или пластин Видманштеттена, состоящих из цементита, в межслоевых границах мартенсита. Примеси, такие как фосфор, или легирующие элементы, такие как марганец, могут усиливать хрупкость или изменять температуру, при которой она возникает. Этот тип хрупкости является необратимым и может быть устранен только нагревом выше верхней критической температуры с последующим повторным закаливанием. Однако для формирования этих микроструктур обычно требуется час или более, поэтому они обычно не представляют проблемы при отпуске кузнечным способом. Двухступенчатая хрупкость обычно возникает при выдержке металла в критическом температурном диапазоне или при медленном охлаждении в этом диапазоне. Для углеродистой стали это обычно диапазон от 370 °C до 560 °C, хотя примеси, такие как фосфор и сера, значительно усиливают этот эффект. Это обычно происходит потому, что примеси способны мигрировать к границам зерен, создавая слабые места в структуре. Часто можно избежать хрупкости, быстро охладив металл после отпуска. Однако двухступенчатая хрупкость обратима. Хрупкость можно устранить, нагрев стали выше 600 °C и последующим быстрым охлаждением.

Сплавные стали

Многие элементы часто легируются со сталью. Основная цель легирования большинства элементов сталью – повысить ее закаливаемость и снизить размягчение при повышенных температурах. Например, в инструментальные стали могут добавляться такие элементы, как хром или ванадий, для увеличения как прочности, так и вязкости, что необходимо для изготовления гаечных ключей и отверток. С другой стороны, сверла и надфили должны сохранять свою твердость при высоких температурах. Добавление кобальта или молибдена позволяет стали сохранять твердость даже при красно-горячих температурах, формируя быстрорежущие стали. Часто в сталь добавляют небольшие количества различных элементов для достижения требуемых свойств, а не ограничиваются одним или двумя. Большинство легирующих элементов (растворенных веществ) обладают преимуществом не только повышения твердости, но и снижения температуры начала мартенситного превращения, а также температуры, при которой аустенит превращается в феррит и цементит. Во время закалки это позволяет замедлить скорость охлаждения, что обеспечивает закалку изделий с большими поперечными сечениями на большую глубину, чем в обычных углеродистых сталях, и добиться более равномерного распределения прочности. Методы отпуска легированных сталей могут значительно различаться в зависимости от типа и количества добавленных элементов. Как правило, такие элементы, как марганец, никель, кремний и алюминий, остаются растворенными в феррите при отпуске, в то время как углерод выделяется в виде карбидов. После закалки эти растворенные вещества обычно повышают твердость по сравнению с углеродистой сталью с тем же содержанием углерода. Когда закаленные легированные стали, содержащие умеренное количество этих элементов, подвергаются отпуску, сплав обычно несколько смягчается пропорционально углеродистой стали. Однако при отпуске такие элементы, как хром, ванадий и молибден, выделяются вместе с углеродом. Если сталь содержит относительно низкие концентрации этих элементов, размягчение стали может быть замедлено до более высоких температур по сравнению с теми, которые необходимы для отпуска углеродистой стали. Это позволяет стали сохранять твердость при высоких температурах или при высоких нагрузках. Однако для этого требуется и очень высокая температура отпуска для снижения твердости. Если сталь содержит большое количество этих элементов, отпуск может привести к увеличению твердости до достижения определенной температуры, после которой твердость начнет снижаться. Например, молибденовые стали обычно достигают максимальной твердости при температуре около 315 °C (599 °F), а ванадиевые стали полностью затвердевают при отпуске до 371 °C (700 °F). При добавлении очень больших количеств растворенных веществ легированные стали могут вести себя как стали, упрочняемые дисперсионным твердением, которые совсем не размягчаются при отпуске.

Чугун

Чугун бывает разных типов, в зависимости от содержания углерода. Однако, его обычно разделяют на серый и белый чугун, в зависимости от формы, которую принимают карбиды. В сером чугуне углерод в основном представлен графитом, а в белом чугуне – цементитом. Серый чугун состоит главным образом из микроструктуры, называемой перлитом, смешанной с графитом и иногда ферритом. Серый чугун обычно используется в отлитом виде, при этом его свойства определяются составом. Белый чугун состоит в основном из микроструктуры, называемой ледебуритом, смешанной с перлитом. Ледебурит очень твердый, что делает чугун хрупким. Если белый чугун имеет гипоэвтектический состав, его обычно подвергают отпуску для получения ковкого или пластичного чугуна. Используются два метода отпуска, называемые "белым отпуском" и "черным отпуском". Цель обоих методов отпуска – вызвать разложение цементита в ледебурите, увеличивая пластичность.

Белая закаливающая

Ковкий (пористый) чугун производится методом белого отжига. Белый отжиг используется для выжигания избыточного углерода путем нагрева в течение длительного времени в окислительной среде. Чугун обычно выдерживается при температуре до 1000 °C (1832 °F) на протяжении до 60 часов. За нагревом следует медленное охлаждение со скоростью около 10 °C (18 °F) в час. Весь процесс может занимать 160 часов и более. Это приводит к разложению цементита из ледебурита, после чего углерод выгорает через поверхность металла, повышая ковкость чугуна.

Черная закаливающая

Дюктильное (непористое) чугунное железо (часто называемое "черным железом") получают путем черного отжига. В отличие от белого отжига, черный отжиг производится в инертной газовой среде, чтобы разлагающийся углерод не сгорал. Вместо этого разлагающийся углерод превращается в тип графита, называемый "отпускным графитом" или "хлопьевидным графитом", что повышает ковкость металла. Отжиг обычно проводится при температуре до 950 °C (1742 °F) в течение до 20 часов. После отжига следует медленное охлаждение через нижнюю критическую температуру, которое может длиться от 50 до более 100 часов.

Сплавы, закаливающиеся в результате осадков

Сплавы, упрочняемые осаждением, впервые начали применяться в начале 1900-х годов. Большинство сплавов, подлежащих термообработке, относятся к категории сплавов, упрочняемых осаждением, включая сплавы алюминия, магния, титана и никеля. Некоторые высоколегированные стали также являются сплавами, упрочняемыми осаждением. Эти сплавы становятся мягче обычного при закалке, а затем со временем твердеют. По этой причине упрочнение осаждением часто называют "старением". Хотя большинство сплавов, упрочняемых осаждением, твердеют при комнатной температуре, некоторые твердеют только при повышенных температурах, а в других процесс можно ускорить, проводя старение при повышенных температурах. Старение при температурах выше комнатной называется "искусственным старением". Хотя этот метод схож с отпуском, термин "отпуск" обычно не используется для описания искусственного старения, поскольку физические процессы (то есть осаждение межметаллических фаз из пересыщенного сплава), желаемые результаты (то есть упрочнение, а не смягчение) и время выдержки при определенной температуре существенно отличаются от отпуска, применяемого к углеродистым сталям.