Отпуск: превращения при отпуске, виды

Отпуск для снятия напряжений не преследует цели изменения фазового состояния или структуры стали, однако эти изменения очень часто сопутствуют такому отпуску. Целью рассматриваемой операции является снижение микро- или, чаще, макронапряжений обрабатываемом изделии.

Микронапряжения в сталях являются следствием получения неравновесных фаз с высокой свободной энергией или неравномерных фазовых превращений. Отпуск путем теплового воздействия и увеличения подвижности атомов, образующих кристаллическую решетку железа или растворенных в ней атомов легирующих элементов, способствует переходу системы в более равновесное и однородное состояние, снижению уровня свободной энергии и соответственно снижению микронапряжений, локализующихся на уровне ячеек кристаллической решетки и зерен. Отпуск, даже низкий, способствует началу распада перенасыщенного раствора (мартенсита) и выделению из него атомов углерода, уменьшению искажений решетки и снижению микронапряжений.

Способы снижения остаточных сварочных напряжений могут быть технологическими и термическими. Технологические способы сводятся в основном к регулированию погонной энергии при сварке и соблюдению специальной последовательности сварки. Термическими способами являются предварительный подогрев перед сваркой или сопутствующий сварке нагрев свариваемых изделий (локальный или общий) и высокий отпуск. Подогрев свариваемых изделий уменьшает градиент температур между различными зонами сварного соединения и уменьшает разницу температурных объемных изменений в металле. Кроме того, подогрев, повышая температуру металла в зоне теплового влияния, предопределяет протекание распада переохлажденного аустенита при более высокой температуре с образованием более равновесных структур.

Рассмотрим превращения при отпуске закаленной на мартенсит стали. Превращения в зависимости от температуры делятся на 3 вида:

Первое превращение при отпуске протекает в температурном интервале 80 – 200°С. Это превращение связано с началом выделения из мартенсита избыточного углерода, при котором концентрация углерода в мартенсите уменьшается. Образуется недостроенный ε – карбид Fe2C (Fe2,3С) линзовидной формы. Карбид выделяется вдоль границ, его толщина – несколько десятков А°. В результате снижается уровень напряжений мартенсита и такая структура называется мартенсит отпуска.

2-е превращение при отпуске наблюдается при температурах 200-260°С и характеризуется следующими процессами: распад остаточного аустенита (из аустенита выделяется углерод, его мартенситная точка повышения и это вызывает мартенситное превращение); начало распада мартенсита.

Из мартенсита выделяется углерод. В мартенсите концентрация С,% резко снижается и остается 0,2%С. Происходит достраивание ε- карбида до нормального состояния Fe3C. Когерентная связь решеток сохраняется.

3-е превращение при отпуске характерно для температур t = 300- 450°C и отмечено следующими процессами: завершение распада мартенсита; мартенсит становится ферритом. Плотность дислокаций уменьшается.

В зависимости от температуры отпуска делится на 3 вида:

1) Низкий или низкотемпературный отпуск 120 – 250°С в течение 1-2 часов В результате получается структура мартенсит отпуска.

2) Средний или среднетемпературный 350 – 480°С. Образуется структура – троостит отпуска.

3) Высокий отпуск (закаленных конструкционных сталей) состоит в нагреве до температуры, которая ниже температуры перехода перлита в аустенит (Ас1). Обычно для сталей разного состава температура высокого отпуска различна и находится в пределах от 550 до 680 °С. При высоком отпуске закаленных конструкционных сталей происходит распад мартенсита с образованием мелкой ферритно-цементитной смеси — сорбита. При более высокой температуре отпуска частицы смеси получаются более крупными. Распад мартенсита и образование сорбита обусловливают понижение прочности и повышение пластичности и ударной вязкости стали. Высокий отпуск конструкционных сталей является завершающей операцией термической обработки, позволяющей получить хорошее сочетание прочности и ударной вязкости. Высокий отпуск является основной термической операцией, позволяющей существенно снизить остаточные сварочные напряжения в результате протекания процесса релаксации.