Основні відомості про 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.

Порядок виконання роботи

1. Одержати комплект свіжозагартованих зразків із вуглецевої або легованої сталі заданої марки.

2. Виконати відпускання зразків 1-5 протягом 30 хв за температури відповідно 100, 200, 400, 600, 800°С.

3. Охолодити зразки на повітрі, зачистити наждачним папером та виміряти твердість за Роквеллом.

4. Результати вимірювань занести в табл. 9.1.

Таблиця 9.1 - Вплив температури відпускання на твердість сталі

Марка сталі	Температура відпускання, °С

5. За даними табл. 9.1 побудувати графіки залежності твердості загартованої сталі різних марок від температури відпускання.

6. Зробити висновки за виконаною роботою.

Запитання для самоперевірки

1. Чим характеризується стан свіжозагартованої сталі?

2. Сутність та призначення відпускання сталі.

3. Схарактеризуйте види і режими відпускання.

4. Особливості та призначення низького та середнього відпускань.

5. Шляхи поліпшення сталі та сфери її використання.

6. Схарактеризуйте чотири основних перетворення при відпусканні.

7. Вплив легуючих елементів на перетворення при відпусканні сталі.

8. Види відпускної крихкості та способи її видалення.

Література: [1, с. 183; 2, с. 105; 3, с. 284].

Лабораторна робота №10

ЗАГартування сталі

Мета роботи: вивчити залежність твердості загартованої сталі від вмісту в ній вуглецю; набути практичних навичок гартування різних сталей.