Загартування та відпуск: основи термообробки Q&T

Що роблять ці два етапи

Загартування означає нагрівання сталі до аустенітного діапазону та її охолодження настільки швидко, що аустеніт не може розпастися на м’які ферит і перліт. Натомість він перетворюється на мартенсит — тверду, сильно напружену структуру, яка надає сталі потенціал міцності. Відпуск потім повторно нагріває загартовану сталь до помірної температури, обмінюючи контрольовану кількість твердості на значне підвищення в’язкості та пластичності.

Жоден етап не працює сам по собі. Мартенсит у стані після загартування твердий, але крихкий і сповнений внутрішніх напружень; саме відпуск робить його придатним конструкційним матеріалом.

Послідовність мікроструктурних перетворень

1. Аустенітизація — зазвичай на 30–50 °C вище верхньої критичної температури для цієї марки. Вуглець і легувальні елементи розчиняються в аустеніті; розмір зерна задається саме тут, тому перегрів дорого коштує.
2. Загартування — в оливі, полімері, воді або газі під високим тиском, вибір залежить від прогартовуваності та допустимої деформації. Швидкість охолодження має перевищувати критичну швидкість охолодження сталі по всьому перерізу.
3. Відпуск — витримка нижче нижньої критичної температури (Ac1), зазвичай у межах приблизно від 150 °C до 650 °C залежно від мети. Виділяються карбіди, знімаються внутрішні напруження, а залишковий аустеніт розпадається.

Баланс твердості, міцності та в’язкості

Температура відпуску — головний регулятор налаштування. Низькі температури відпуску (приблизно 150–250 °C) зберігають твердість близькою до максимального значення після загартування і підходять для інструментів і деталей, що працюють на зношування. Відпуск у середньому діапазоні дає поєднання, характерні для пружин. Високі температури відпуску (приблизно 500–650 °C) створюють класичний стан після загартування та відпуску для конструкційних сталей: помірну твердість, високу межу текучості та добру ударну в’язкість — стан постачання таких марок, як 4140 і 42CrMo4, для валів і болтів.

Корисне емпіричне правило: кожне підвищення температури відпуску знижує міцність і підвищує в’язкість, а конструктор обирає на цій кривій точку, потрібну для конкретного застосування.

Чому важливий розмір перерізу

Загартування охолоджує спочатку поверхню. У товстому перерізі серцевина охолоджується повільніше, може не досягти повного утворення мартенситу й закінчує як м’якша суміш фериту/бейніту — а відпуск не може відновити твердість, яку загартування ніколи не створило. Ось чому:

• Стандарти вказують механічні властивості за розрахунковим перерізом; одна й та сама марка гарантує менше у прутку 200 mm, ніж у прутку 40 mm.
• Вміст легуючих елементів (Cr, Mo, Ni, Mn, B) підвищує прогартовуваність — глибину, до якої утворюється мартенсит, — саме тому для великих відповідальних деталей використовують леговані марки, а не звичайну вуглецеву сталь.
• Твердження про наскрізну твердість завжди слід перевіряти щодо перерізу, що фактично обробляється, в ідеалі на зразку, вирізаному із самої деталі.

Де місце Q&T серед видів термообробки

Загартування та відпуск — це високоефективний представник родини видів термообробки. Нормалізація та відпал перебудовують структуру за рівноважних швидкостей охолодження й дають помірні властивості; Q&T повністю оминає рівновагу, щоб використати мартенсит, саме тому легована сталь після загартування та відпуску може забезпечити приблизно вдвічі більшу межу текучості, ніж та сама сталь після нормалізації. Ціна — контроль процесу: деформація, гартувальні тріщини та залишкові напруження — це реальні ризики, яких відпал ніколи не створює, а деталь зазвичай потребує припуску на правку, припуску на шліфування або обох. Цей компроміс — максимальні властивості в обмін на максимальну дисципліну процесу — є причиною, чому Q&T призначають свідомо, для кожної деталі окремо, а не як стан за замовчуванням.