Відпускання сталі

Загартування сталі — це не кінцева операція термічної обробки. Після гартування у виробах виникають великі внутрішні напруження, зумовлені нерівномірністю охолодження за термічної обробки та фазовими перетвореннями. Ці напруження призводять до короблення виробів, а під дією додаткових зовнішніх навантажень утворюють у них тріщини або зовсім їх руйнують. Для зменшення внутрішнього напруження, твердості й крихкості, підвищення пластичності та в'язкості після гартування, як правило, сталь відпускають.

Відпускання — це нагрівання загартованої сталі до температур нижчих від критичної точки Ас₁, для зменшення внутрішніх напружень та одержання стійкішого структурного стану. Відпускання — це кінцева операція термообробки, в результаті якої сталь набуває потрібних властивостей.

Внутрішні напруження та спотворення структури знімаються тим повніше, чим вища температура відпускання. Швидкість охолодження після відпускання також впливає на залишкові напруження: чим повільніше охолодження, тим менші залишкові напруження. Прискорене охолодження, наприклад, від температури 600 °С створює нові термічні напруження в деталях. Тому деталі складної конфігурації для уникнення жолоблення після відпускання за високих температур слід охолоджувати повільно, а вироби з легованих сталей, схильних до відпускної крихкості, після відпускання за температури 500–650°С в усіх випадках охолоджують швидко. На структуру та властивості загартованої сталі в основному впливає температура відпускання. Така ознака лежить в основі поділу відпускання на три види: низьке, середнє та високе (рис. 9.1).

Рисунок 9. 1 - Графік впливу температури відпускання на властивості сталі

Низьке відпускання — це нагрівання загартованої сталі до температури 150–200°С (рідше до 250°С), витримка та охолодження. Його мета — зняти створені при гартуванні внутрішні напруження. Мартенсит гартування перетворюється у відпущений мартенсит, що забезпечує міцність і деякі поліпшення в'язкості без помітного зниження твердості. Низькому відпусканню піддають різальні та вимірювальні інструменти, деталі після поверхневого загартування й хіміко-термічної обробки. Тривалість низького відпускання звичайно складає 1–2,5 год (для вимірювальних інструментів — 10 год і більше).

Середнє відпускання — виконується за температури 350–450°С. Воно застосовується головним чином для пружин, ресор, штампів, ударного інструменту, і завдяки йому забезпечуються високі пружність, витривалість, релаксаційна стійкість. Структура сталі з 0,45–0,80% вуглецю після середнього відпускання — троостит відпускання з твердістю НRС 40–50. Температура відпускання вибирається так, щоб не спричиняти незворотної відпускної крихкості. Охолодження після відпускання рекомендується виконувати у воді, щоб викликати появу на поверхні пружин стискальних залишкових напружень, що підвищують межу їх витривалості.

Високе відпускання виконується за 500–600 °С, з наданням сталі структури сорбіту відпускання. Він поєднує в сталі найкращі міцність, пластичність та в'язкість; тому термообробку, що складається із загартування на мартенсит і наступного високого відпускання, називають поліпшенням сталі. На відміну від пластинчастого сорбіту, який утворюється з аустеніту за його охолодження, сорбіт відпускання має зернисту будову. Цим і пояснюється істотне поліпшення всього комплексу механічних властивостей сталі.

Перетворення при відпусканні загартованої сталі визначаються температурою. Типова структура зразка після гартування сталі — це мартенсит та залишковий аустеніт, які є метастабільними фазами. Перехід сталі при відпусканні в стійкіший стан супроводжується розпадом мартенситу і залишкового аустеніту з утворенням структур із фериту та цементиту. Розрізняють чотири перетворення при відпусканні загартованої сталі.

Перше перетворення пов'язане з розпадом мартенситу. При нагріванні до температури 150°С у кристалах мартенситу утворюються зародки карбідів типу F₂С, когерентно зв'язаних із ґраткою мартенситу. Масова частка вуглецю в мартенситі різко знижується. Зберігається досить висока твердість. Така структура називається мартенситом відпуску.

Друге перетворення виникає під час перетворення залишкового аустеніту і зустрічається при відпусканні високовуглецевих та багатьох легованих середньовуглецевих сталей, що містять після гартування багато залишкового аустеніту. Відбувається воно за температури 200–300°С і є бейнітним перетворенням, в результаті якого утворюються ті самі фази, що й при відпусканні мартенситу гартування, тобто збіднений вуглецем мартенсит і карбіди типу F₂С.

Третє перетворення — карбідне. Воно виникає за температури 350–400 °С та супроводжується зняттям внутрішніх напружень. У цьому випадку повністю завершується виділення вуглецю з мартенситу, зникає когерентність, відбувається відділення ґраток карбіду й фериту, змінюються розміри і форми карбідних частинок, завершується їх сфероїдація. Утворюється структура трооститу відпуску.

Четверте перетворення — коагуляція карбідів, що відбувається при 500°С і вище, без зміни фазового складу. При цьому за рахунок коагуляції та сфероїдації карбідів утворюється структура — сорбіт відпуску.

Легуючі елементи, наприклад Mo, W, V, Cr, сповільнюють процес коагуляції карбідів. Тому після відпускання за однакової температури сталь, легована цими елементами, зберігає високу дисперсність карбідних частинок і відповідно вищі твердість та міцність.

Розпад мартенситу при відпусканні впливає на всі механічні властивості сталі (див. рис. 9.1). При цьому з підвищенням температури відпускання твердість і міцність зменшуються, а пластичність і в'язкість збільшуються. Але при відпусканні деяких легованих сталей за температур 250–400 та 500–550 °С може різко зменшуватись ударна в'язкість. Таке явище називається відпускною крихкістю. У легованій сталі може виникнути два види відпускної крихкості: зворотна і незворотна (рис. 9.2).

Рисунок 9.2 - Графік залежності ударної в'язкості від температури відпускання

Незворотна відпускна крихкість (1-го виду) утворюється після відпускання при 250–400 °С. Повторне відпускання за такої самої температури в'язкість не поліпшує. Крихкість цього виду видаляється нагріванням за температури, яка перевищує 400 °С, однак знижується твердість. Відпускання за температури, що сприяє виникненню крихкості, виконувати не рекомендується.

Зворотна крихкість (2-го виду) утворюється в деяких легованих сталях за повільного охолодження з температурами відпускання 500–550°С або за занадто великої витримки при цих температурах. Крихкість цього виду не виникає, якщо охолодження з температури відпускання виконується швидко, наприклад у воді. Зворотність крихкості полягає в тому, що вона може бути видалена повторним відпусканням за температури 600–650°С з наступним швидким охолодженням. Зворотна крихкість попереджається введенням у сталь до 0,3–0,4% Mo або 0,5–0,7%W.