Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которого сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.
Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°С в течение 15÷30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.
Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение в воде от 600°С создает новые тепловые напряжения. Охлаждение после отпуска на воздухе дает напряжения на поверхности в 7 раз меньше, а охлаждение в масле в 2,5 раза меньше по сравнению с напряжениями при охлаждении в воде. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500÷650°С во всех случаях следует охлаждать быстро.
Низкий отпуск проводят с нагревом до 250°С. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость, без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5÷1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC58÷63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.
Низкому отпуску подвергают поэтому режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно 1÷2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.
Низкий отпуск при 160÷180°С является заключительной операцией термической обработки цементованных изделий, переводящей мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит и снимающей напряжения.
Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет HRC60÷64; а для легированной HRC58÷61; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.
Структура сердцевины обусловлена составом обрабатываемой стали и принятым режимом закалки. Сердцевина деталей из углеродистой стали состоит из феррита и перлита (сорбита), а из легированных сталей – из бейнита или низкоуглеродистого мартенсита при закалке с температуры выше Ас3. низкоуглеродистый мартенсит обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины. Сохранение обособленных участков или сетки феррита нежелательно, так как это сопровождается значительным снижением предела выносливости, пластичности и вязкости цементованного изделия. Твердость сердцевины обычно составляет HRC30÷40.
Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных изделий и резко понижает чувствительность к концентраторам напряжений при условии непрерывной протяженности упрочненного слоя по всей поверхности детали. Дополнительно предел выносливости цементованных изделий может быть повышен дробеструйным наклепом.