Структура закаленной стали метастабильна. При нагревании после закалки вследствие увеличивающейся подвижности атомов создаются условия для процессов, изменяющих структуру стали в направлении к более равновесному состоянию.
Характер этих процессов определяется тремя важнейшими особенностями строения закаленной стали: сильной пересыщенностью твердого раствора — мартенсита, повышенной плотностью в нем дефектов кристаллической решетки — дислокаций, малоугловых и высокоугловых границ, двойниковых прослоек и присутствием во многих сталях значительных количеств остаточного аустенита.
Распад мартенсита с выделением карбидов — главный процесс при отпуске сталей. Закономерности распада мартенсита во многом сходны с закономерностями распада пересыщенного раствора при старении сплавов, подвергающихся закалке без полиморфного превращения.
Распад мартенсита в зависимости от температуры и продолжительности отпуска проходит через стадии предвыделения, выделения промежуточных метастабильных карбидов, выделения цементита и коагуляции.
Повышенная плотность дислокаций из-за дополнительной деформации во время мартенситной перестройки решетки делает субструктуру мартенсита похожей на субструктуру наклепанного металла (смотрите Механизм мартенситного превращения и Микроструктура и субструктура сплавов, закаленных на мартенсит). В результате при отпуске создается стимул к развитию полигонизации и рекристаллизации.
К процессам отпуска будем относить совокупность любых структурных изменений при нагреве после закалки на мартенсит, а не только распад пересыщенного раствора. Тогда нагрев после закалки чистых полиморфных металлов, в которых прошло мартенситное превращение, и сплавов, в которых мартенсит не является пересыщенным раствором (например, закаленный сплав С0 на рисунке Участок диаграммы состояния системы), тоже следует относить к отпуску.
Во всех таких материалах при мартенситном превращении возникает повышенная плотность дислокаций, в результате чего оказывается возможным проводить отпуск, при котором структурные изменения состоят только из полигонизационных и рекристаллизационных процессов.
Этим отпуск принципиально отличается от старения, которое применимо лишь к сплавам, содержащим пересыщенный твердый раствор.
Повышенная плотность дефектов решетки в закаленных сталях не только предопределяет развитие процессов возврата и рекристаллизации, но и сильно влияет на распад мартенсита при отпуске.
Наконец, структурные изменения при отпуске могут осложняться распадом остаточного аустенита.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков