Явления отпуска свяэаны с процессами распада мартенсита, а также остаточного аустенита, когда его количество в закаленной стали представляет заметную величину.
Пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе является весьма неустойчивым состоянием стали, и распад его начинается уже при комнатной температуре.

Структурные изменения при отпуске закаленной стали, связанные с переходом ее в двухфазную смесь α-железа и цементита, протекают при всех температурах отпуока, от комнатной - до точки А_С1.

Каждой температуре отпуска соответствует некоторое состояние стали, которое достигается в сравнительно короткое время и которое очень медленно меняется при дальнейшем увеличении времени выдержки.

С повышением температуры отпуска эти состояния постепенно изменяются.
Однако наряду с постепенным изменением состояния и темпепатуры имеются сравнительно узкие области температур, в которых состояние стали меняется значительно.
Эти области отмечаются эффектами на кривых и изменениями различных свойств стали при нагреве.

Процессы, происходящие в этих областях, получили название первого, второго и третьего преврашения при отпуске.

Положение этих областей зависит от скорости нагрева.
При нагреве со скоростью около 10°С в минуту они лежат приблизительно в интервалах 100 - 150°, 250 - 300° и 325 - 400°С; однако процессы этих превращений могут практически закончитъся в течение нескольких часов при температурах 110°, 250° и 325°С.

При более низких температурах для течения этих процессов требуются уже очень длительные выдержки, быстро увелнчивающиеся с понижением температуры.
При повышении скорости нагрева эффекты смещаются в сторону высоких температур.

Однако первый и второй эффект смещаются до некоторого предела; второе превращение при достаточно быстром нагреве может быть полностью задержано.
Кроме эффектов в этих областях температур наблюдается еще эффект при температуре около 450°С, особенно отчетливо проявляющийся на кривых изменения механических свойств.

При отпуске закаленной стали основным процессом является распад мартенсита - распад пересыщенного углеродом твердого раствора α-железа.
Поэтому при отпуске должны происходить по существу те же процессы, которые имеют место при старении пересыщенных твердых растворов сплавов с повышающейся при увеличении температуры растворимостью.

В основном это процесс выделения растворенного элемента с образованием второй фазы в условиях малой диффузионной подвижности атомов.
Однако распад мартенсита, имея много общего с распадом других пересыщенных твердых растворов, имеет и свои особенности, резко его отличающие.

Причины этих особенностей заключаются, во-первых, в том, что само получение пересыщенного твердого раствора является здесь не простым фиксированием высокотемпературного состояния, а результатом бездиффузионного превращения.

Мартенситный механизм этого превращения приводит к образованию тонкой микро- и субмикроструктуры сплава, к наличию различных неоднородностей и несовершенств строения.
Во-вторых, подвижность атомов растворителя и растворенного элемента чрезвычайно сильно различается.
Наконец, в-третьих, свойства кристаллов твердого раствора сильно зависят от концентрации растворенного элемента.

Большое пересыщение углеродом α-фазы в средне- и высокоуглеродистых сталях обуславливает сильную его неустойчивосгь и существование первой стадии распада при 100 - 150°С.
Состояние стали, являющееся результатом первой стадии распада мартенсита, получило название отпущенного мартенсита.
Сталь в этом состоянии обладает почти столь же высокой твердостью, как и закаленная сталь, однако, более высокой вязкостью.

Рентгенографические исследования показывают, что отпущенный мартенсит представляет собой частично распавшийся твердый раствор α.
Кристаллы мартенсита содержат еще значительное количество углерода в растворе: дисперсные частицы карбида, образовавшегося в результате распада, равномерно распределены внутри этих кристаллов.

Состояние отпущенного мартенсита постепенно изменяется в интервале температур отпуска 150 - 300°С: содержание углерода в растворе падает, появляются частицы цементита, которые обнаруживаются рентгенографически в отпущенной при 200°С стали; количество его растет при повышении отпуска до 300°С.

Концентрация углерода, остающегося в твердом растворе, в средне- и высокоуглеродистых сталях мало зависит от содержания в них углерода.
Однако она тем выше, чем выше исходная концентрация.
С повышением температуры различие в количестве растворенного в α-фазе углерода для разных сталей уменьшается.

Такое заключение наглядно подтверждается кривыми теплоемкости, полученными при нагреве закаленных деталей.

По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск (неотпущенный мартенсит (120 - 250°С) широко применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий и после поверхностной закалки.
Цель низкого oтпуска - уменьшение остаточных закалочных напряжений; тем­пературу низкого отпуска - выбирают такой, чтобы твердость и износостойкость не снизилась или слабо снизились.
Выдержка при темnературе низкого отпуска обычно не превышает 1-3 ч; с даль­нейшим увеличением выдержки остаточные напряжения очень слабо уменьшаются.
Разновидность низкого отпуска - стабилизирующий отпуск.

В закаленной стали даже nри комнатной температуре, а тем бо­лее в результате климатических колебаний температуры происходит медленные (в течение многих лет) процессы распада мартен­сита, перехода остаточного аустенита в мартенсит и снятия напряжений.
Все эти явления ведут к постепенному изменению разме­ров изделия.

Для таких изделий, как мерительный инструмент высокого класса точности и прецизионные подшипники, недопу­стимы изменения размеров даже на насколько микронов.
Поэтому размеры таких изделий необходимо стабилизировать.

Вредное влияние остаточного аустенита устраняют, уменьшая его коли­чество при обработке холодом.
Стабилизации мартен­сита и напряженного состояния достигают низким (стабилизиру­ющим) отпуском при 100 - 180°С с выдержкой до 30, а иногда и до 150 ч.

Средний отпуск на троостит (350 - 450°С) - сравнительно редкая операция.
Ее используют тогда, когда необходимо соче­тание высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточ­ной вязкости.
Среднему отпуску подвергают пружины и рес­соры.

Высокий отпуск на сорбит (450 - 650°С) широко применяют в машиностроении к изделиям из конструкционной стали, которые должны характеризоваться не только достаточной прочностью, но и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам.
Выдержку при высоком отnуске (обычно несколько часов) подбирают опытным nутем для получения заданного комплекса свойств.

Квазиэвтектоидную сорбитную структуру можно nолучить нормализацией непосредственно из аустенита при охлаждении стали, причем достигают твердости, равной твердости стали после высокого отпуска.
Однако при одинаковой твердости относитель­ное сужение и ударная вязкость будут значительно выше у отпущенной стали.
Объясняется это тем, что твердость зависит главным образом от дисперсности феррито-цементитной смеси, а на относительное сужение и ударную вязкость сильно влияет форма цементита.

В сорбите, полученном при распаде аустенита, цементит имеет форму длинных пластин, а в сорбите отпуска - форму коротких пластинок с округлыми краями или сфероидаль­ную форму, обеспечивающую более высокую вязкость стали.

Двойная операция получения сорбита - закалка с высоким отпуском - называется улучшением.
Эту операцию применяют к среднеуглеродистым сталям, содержащим от 0,35 до 0,6% С.
Такие стали называются улучшаемые, в отличии от малоуглеродистых цементуемых.

Отпускная хрупкость присуща многим сталям.
Охрупчивание при высоком отпуске может возникать в резуль­тате нагрева до 450 - 600°С (независимо от скорости последующего охлаждения) и в результате отпуска при температурах выше 600°С с последующим медленным охлаждением в интервале 600 - 450°С.

Быстрое охлаждение с температур отпуска выше 600°С, напри­мер в воде, предотвращает развитие отпускной хрупкости.
Бы­строе охлаждение после отпуска при 450 - 600°С не предотвращает отпускной хрупкости.

Таким образом, попадание в опасный ин­тервал температур «снизу» (при нагреве и выдержке) или «сверху» (при медленном охлаждении) приводит к качественно одинаковому результату.

Важнейшая особенность охрупчивания при высоком отпуске состоит в его обратимости.

Если сталь, охрупченную в результате отпуска выше 600°С с последующим медленным охлаждением или отпуска при 450 - 600°С (с любой скоростью охлаждения), вновь нагреть до температур выше 600°С и быстро охладить, то ударная вязкость восстанавливается.

Если после этого сталь вновь попа­дает в опасный интервал температур отпуска, то она повторно охрупчивается.
Новый нагрев выше 600°С с быстрым охлажде­нием устраняет хрупкость и т. д.

Поэтому рассматриваемое явле­ние называют обратимой отпускной хрупкостью.

Так как высо­кий отпуск широко применяют к разнообразным конструкцион­ным сталям, то обратимую отпускную хрупкость особенно под­робно изучали на протяжении многих десятилетий.
Когда говорят об отпускной хрупкости легированной стали, то обычно имеют в виду обратимую отпускную хрупкость.

Отпуск закаленных деталей позволяет снизить их хрупкость до допустимых пределов, сохранив при этом твердость, приобретенную сталью в результате закалки.
При нагреве стали на воздухе её поверхность окрашивается в различные цвета, называемые цветами побежалости.
Каждый цвет побежалости соответствует вполне определённой температуре и может служить указателем для определения степени нагрева при отпуске стали.

В закалённом состоянии сталь обладает большой твёрдостью, но вместе с тем и хрупкостью.
Чтобы придать ей вязкость, производится отпуск стали после закалки.
Для этого её нагревают до температуры 220 - 300°С и медленно охлаждают на воздухе.

Твёрдость стали при этом несколько уменьшается, структура её изменяется, и она становится более вязкой.
Меняя температуру отпуска, можно получить разные механические свойства.