Отпуском называют такую операцию термической обработки, при которой закаленную сталь нагревают до температуры ниже критической точки Ас, после чего ее охлаждают.
В любой закаленной на мартенсит стали появляются не только высокая твердость и прочность, но и большие внутренние напряжения. Поэтому закаленная сталь очень хрупка и легко разрушается от ударных и изгибающих нагрузок. Для снятия внутренних напряжений и повышения вязкости закаленную сталь подвергают отпуску.
При отпуске закаленной стали сильно напряженный мартенсит, имеющий тетрагональную кристаллическую решетку, постепенно распадается на феррито-цементитную смесь и структура из неустойчивого состояния переходит в более равновесное, в результате чего внутренние напряжения уменьшаются. Эти превращения сопровождаются понижением твердости, повышением пластичности и ударной вязкости. Чем выше температура отпуска, тем полнее идет процесс распада мартенсита.
При низких температурах тетрагональный мартенсит переходит в отпущенный мартенсит, при более высоких — в троостит отпуска и затем в сорбит отпуска. Такие изменения в структуре закаленной стали вызывают изменение ее физико-механических свойств.
Прочность и твердость с повышением температуры отпуска понижаются, а пластические свойства возрастают.
В зависимости от требуемых свойств стали различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск производится при температуре 150- 200°С. Такой вид отпуска понижает внутренние напряжения при сохранении высокой твердости закаленных деталей.
В масляных ваннах продолжительность отпуска для мелких и средних деталей 30-40 мин., а в электрических печах — до 90 мин., т. е. прогрев происходит более медленно.
Низкий отпуск применяют для режущего и измерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и малолегированных сталей, шарикоподшипниковых колец, шариков и роликов, цементованных и планированных деталей — зубчатых колес автомобилей, тракторов, металлорежущих станков и т. д.
Средний отпуск производят при температуре 350-450°С. В этом интервале температур мартенсит превращается в мелкую феррито-цементитную смесь — троостит. Среднеуглеродистая сталь приобретает твердость около 35-47 HRC, упругость и повышенную сопротивляемость действию переменных и ударных нагрузок.
Для такого отпуска применяются отпускные электрические печи и селитровые ванны.
Высокий отпуск осуществляется при температуре.500- 650°С. В результате такого отпуска стальные детали получают определенный комплекс прочностных, пластических и ударных свойств.
При высоком отпуске мартенсит распадается и образуется сорбит, который, как известно, обладает высокой прочностью и хорошей вязкостью. Наиболее высокие механические свойства конструкционные стали, особенно сталь 35, 45, 40Х, 40ХН,
40XHM, приобретают в результате закалки с последующим высоким отпуском на сорбит. Такой вид термической обработки называют улучшением. Улучшенная сталь по своим прочностным свойствам значительно выше, чем отожженная или нормализованная, т. е. сталь, прошедшая одинарную термическую обработку. Поэтому коленчатые валы, шатуны, бандажи, полуоси, балки передних осей грузовых автомобилей, тракторов и другие детали машин, испытывающие большие нагрузки и подвергающиеся ударам, изготовляют из конструкционных среднеуглеродистых или малолегированных сталей и подвергают улучшению.
При термической обработке некоторых легированных сталей возникает отпускная хрупкость, которая, несмотря на уменьшение твердости, резко снижает ударную вязкость.
Для повышения ударной вязкости и устранения отпускной хрупкости детали, изготовленные из хромоникелевых и марганцовистых сталей, после высокого отпуска необходимо охлаждать быстрее и не на воздухе, а в масле или воде.
Кроме того, для устранения отпускной хрупкости сталь легируют молибденом (около 0,3%) и вольфрамом (не более 0,8%).