Kalení a popouštění oceli: účel, fáze, struktura po zpracování

Popouštění je nedílnou součástí tepelného zpracování oceli po kalení. Zahrnuje ohřev kalené oceli na určitou teplotu, její udržování na této teplotě a následné ochlazení. Účelem popouštění je uvolnění vnitřního pnutí, zvýšení plasticity a viskozity a dosažení požadovaných mechanických vlastností. Tento článek zkoumá vliv různých režimů popouštění na strukturu a vlastnosti oceli.

Teoretické základy popouštění oceli

Proces popouštění zahrnuje řadu difuzních procesů, které vedou ke změně fázového složení a mikrostruktury oceli. Hlavní transformace, ke kterým dochází během popouštění, závisí na teplotě ohřevu a době výdrže.

První stupeň popouštění (100–200 °C)

V této fázi dochází k rozkladu martenzitu s uvolněním ε-karbidu (Fe_2.4C) a snížení tetragonality martenzitické mřížky. Pevnost a tvrdost oceli zůstávají prakticky nezměněny a vnitřní pnutí se snižují. Tento typ popouštění se často používá u nástrojových ocelí.

Druhý stupeň popouštění (200-300 °C)

V této fázi se zbytkový austenit rozkládá, což může vést k určitému zvýšení tvrdosti. Tento proces musí být kontrolován, protože jeho nekontrolovaný tok může vést ke zhoršení vlastností oceli.

Třetí stupeň popouštění (300-400 °C)

V této fázi dochází ke koagulaci ε-karbidu a tvorbě cementitu (Fe₃C) Pevnost oceli klesá, zatímco plasticita a houževnatost se zvyšují.

Čtvrtý stupeň popouštění (400-600 °C)

V této fázi dochází ke sféroidizaci cementitu a tvorbě popouštěné sorbitické struktury. Pevnost a tvrdost oceli se dále snižují, zatímco plasticita a viskozita se výrazně zvyšují. Tento typ popouštění se používá k dosažení optimální kombinace pevnosti a plasticity.

Vysoké popouštění (600–700 °C)

Při vysokých teplotách popouštění dochází k další koagulaci cementitu a tvorbě popouštěné troostitové struktury. Pevnost oceli se minimalizuje a plasticita a viskozita dosahují maximálních hodnot. Vysoké popouštění se používá pro součásti pracující pod rázovým zatížením.

Vliv různých typů popouštění na vlastnosti oceli

Volba teploty popouštění je určena požadavky na mechanické vlastnosti oceli. Nízké popouštění poskytuje vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení, ale snižuje plasticitu a viskozitu. Střední popouštění poskytuje optimální kombinaci pevnosti a plasticity. Vysoké popouštění poskytuje vysokou plasticitu a viskozitu, ale snižuje pevnost.

Popouštěcí křehkost prvního druhu (200–400 °C) je spojena s precipitací karbidů podél hranic zrn. Popouštěcí křehkost druhého druhu (450–550 °C) je spojena s usazováním nečistot podél hranic zrn. K zabránění popouštěcí křehkosti se používá legování oceli, rychlé ochlazování po popouštění a modifikace struktury oceli.

Závěr

Popouštění je důležitou fází tepelného zpracování oceli, která umožňuje regulovat její strukturu a vlastnosti v širokém rozmezí. Volba režimu popouštění je určena požadavky na provozní vlastnosti výrobku. Pochopení procesů probíhajících během popouštění umožňuje optimalizovat režimy tepelného zpracování a získat výrobky s danou sadou mechanických vlastností.

Otázky a odpovědi
Co je to kalení oceli a jaký je jeho hlavní účel?

Popouštění oceli je druh tepelného zpracování, které se provádí po kalení. Jeho hlavním účelem je snížit křehkost kalené oceli, uvolnit vnitřní pnutí, zvýšit její viskozitu a plasticitu a zároveň upravit požadovanou úroveň tvrdosti.

Jak se mění mikrostruktura oceli během procesu popouštění?

Během popouštění se martenzit (nestabilní struktura vzniklá po kalení) rozpadá na stabilnější fáze. V závislosti na teplotě a době popouštění se tvoří popouštěný martenzit, popouštěný troostit nebo popouštěný sorbit. Tyto struktury jsou směsí feritu a dispergovaných karbidů rozptýlených v matrici.

Jaké jsou hlavní typy dovolené a jak se liší z hlediska výsledků?

Existují tři hlavní typy dovolené:
Nízké popouštění (až 250 °C): Zachovává si vysokou tvrdost (blízkou kalené oceli), výrazně snižuje vnitřní pnutí a zvyšuje elasticitu.
Střední popouštění (300–500 °C): Poskytuje optimální kombinaci pevnosti, pružnosti a houževnatosti.
Vysoké popouštění (500-650 °C): Výrazně snižuje tvrdost, ale maximálně zvyšuje houževnatost, tažnost a uvolňuje pnutí, díky čemuž je ocel vhodná pro dynamické zatížení.

Jak popouštění ovlivňuje rovnováhu mezi tvrdostí a houževnatostí oceli?

Popouštění umožňuje regulovat tuto rovnováhu. Čím vyšší je teplota popouštění, tím více se snižuje tvrdost oceli, ale zároveň se výrazně zvyšuje její rázová houževnatost a plasticita. Jedná se o kompromis: pro vysokou tvrdost zvolte nízké popouštění a pro maximální houževnatost a odolnost proti křehkému lomu zvolte vysoké popouštění.

Je po kalení vždy nutné popouštění oceli?

Téměř vždy. Zušlechtěná ocel je sice velmi tvrdá, ale extrémně křehká a obsahuje značné vnitřní pnutí, takže je nevhodná pro většinu praktických aplikací. Zušlechťování tuto křehkost eliminuje a činí materiál funkčním, schopným odolávat zatížení bez zlomení.

V mnoha případech počáteční pevnost a tvrdost dílu nestačí k zajištění jeho stabilního provozu po celou dobu životnosti jednotky nebo konstrukce. V takových situacích výrobní proces zahrnuje operace tepelného zpracování, jako je kalení a popouštění oceli. Cílem je získat tvrdý a otěruvzdorný povrch nebo zvýšit pevnost určitého výrobku. Hypoeutektoidní oceli se tímto způsobem nezpracovávají.

Fáze

Vlastní kombinace vlastností pevnosti a tvrdosti slitiny není tak jednoznačná a závisí na provozních podmínkách součásti. Například při práci s pilovým kotoučem se požaduje, aby byl celý jeho povrch odolný proti opotřebení a tvrdý, zatímco ozubené kolo vyžaduje průměrnou, ale optimální kombinaci kontaktní síly a odolnosti proti opotřebení. Ale pro klikový hřídel (který podléhá hlavnímu zatížení od točivého momentu motoru) není taková vlastnost, jako je vysoká tvrdost, vůbec nutná, hlavní věcí je, že kombinuje pevnost s dostatečnou rázovou houževnatostí.

Ve vědě o materiálech se kalení a popouštění oceli dělí do tří fází:

1. Austenitizace – ohřev na úroveň nad linií GSK v austenitické oblasti.
2. Kalení je rychlé ochlazení pod přechodovou linií γ-α. Rozlišuje se úplné a neúplné vytvrzení.
3. Temperování je opakované tepelné zpracování zahřátím na mírné teploty s následným pomalým chlazením.

Podstata a cíle přechodu jsou konvenčně znázorněny na Obr. 2. Neúplné vytvrzení zahrnuje částečný průchod austeniticko-martenzitických přeměn, a proto se používá jen zřídka. Každá značka má svou vlastní kritickou hloubku kalení.

V závislosti na tom, zda má být dosaženo vysoké tvrdosti (kalení) nebo pevnosti/houževnatosti, se konečné tepelné zpracování, popouštění, provádí při různých teplotách. Když kov musí velmi ztvrdnout, popouští se pouze při relativně nízkých teplotách v rozmezí od 200 °C do 400 °C. Zároveň, aby byla zajištěna požadovaná tuhost a odolal vysokému zatížení při vyšších teplotách, je kov také popouštěn v režimu vysokého popouštění (od 550 °C do 700 °C). Doma je obtížné vydržet takové požadavky (zejména teplotní rozdíly).

Teplotní rozsahy přechodů závisí na chemickém složení a kvalitě slitiny. Křivka změny teploty během kalení a popouštění je v obecné podobě znázorněna na Obr. 3.

Změny ve struktuře

Na rozdíl od procesů žíhání (normalizace, částečné nebo rekrystalizační žíhání apod.) dochází při kalení a popouštění nejčastěji k poměrně rychlému ochlazování dílů, takže v kovu dochází k nezbytným mikrostrukturním změnám.

Pokud je při žíhání cílem procesu vždy dosažení stavu termodynamické rovnováhy charakterizovaného nižší energií, kalení s následným rychlým ochlazením vždy zajistí termodynamickou nerovnováhu v mikrostruktuře. Kvůli těmto zásadním rozdílům se kalení a popouštění nikdy nepoužívá ve spojení s žíháním.

Během fáze austenitizace se materiál zahřívá nad linkou GSK. Výsledkem je, že krychlová mřížka feritu centrovaná na tělo se přemění na mřížku austenitu centrovanou na plochu.

Při austenitizaci se cementit-perlit rozkládá na složky a uvolněný uhlík v mřížce austenitu se stává rozpustným. Aby došlo k destrukci perlitu nejen na povrchu, ale i uvnitř materiálu, je obrobek před ochlazením vystaven působení specifické teploty po delší dobu, která je dána rozměry jeho průřezu. .

Každý atom uhlíku v austenitové mřížce zabírá prostor v plošně centrovaných kubických jednotkových buňkách. Pokud by byla ocel v tomto stavu opět pomalu ochlazována, austenitová struktura by se opět přeměnila na feritovou strukturu, ve které je uhlík prakticky nerozpustný. Díky relativně pomalému ochlazování by atomy uhlíku měly dostatek času difundovat z transformující se mřížky austenitu a znovu vytvořit Fe cementit₃C.

Pomalé ochlazování z austenitického stavu tedy obnovuje pouze původní stav mikrostruktury a nedochází k požadované strukturální změně. Kov se proto musí poměrně rychle ochladit.

Kalení

V této fázi se austenitizovaná ocel ochlazuje spíše rychle než pomalu, takže rozpuštěný uhlík již nemá dostatek času difundovat ven z austenitové mřížky. Toto rychlé ochlazení se nazývá kalení.

Navzdory transformaci mřížky zůstává uhlík jednou složkou, násilně rozpuštěnou ve formující se feritové mřížce. Na tělo centrované kubické elementární buňky feritové struktury expandují v tetragonálním směru díky atomům uhlíku, které jsou v nich násilně rozpuštěny. Tetragonálně expandovaná mřížková struktura je nový typ mikrostruktury nazývaný martenzit. Pod mikroskopem se martenzit jeví jako soubor jehličkovitých nebo deskovitých struktur, jak je znázorněno na obr. 4:

Jako hasicí média se často volí olej a voda. Upřednostňuje se kalení olejem, protože probíhá při nižší rychlosti a snižuje riziko prasklin při kalení. U vysoce legovaných ocelí se doporučuje kalení v oleji.

Tvorba martenzitické mikrostruktury není vysvětlena fázovým diagramem železo-uhlík, protože takové diagramy platí pouze pro relativně nízké rychlosti ochlazování, při kterých je splněna podmínka termodynamické rovnováhy v mikrostruktuře. Vzhled martenzitické mikrostruktury po kalení legované oceli je na Obr. 5:

V normálním stavu materiály obsahují výrazně méně atomů uhlíku než základní buňky. To znamená, že ne každá základní buňka podléhá tetragonální expanzi, což vede ke znatelnému zkreslení krystalové mřížky. Na rozdíl od feritu-perlitu je zdeformovaná mikrostruktura martenzitu velmi tuhá, takže brání pohybu dislokací. V důsledku toho se výrazně snižuje tažnost oceli a zvyšuje se její pevnost.

Zvýšená křehkost martenzitické struktury neutralizuje vysokou tvrdost, které je dosaženo po kalení, a to i přesto, že čistý martenzit nemá skluzové roviny, a proto je nevhodný pro plastickou deformaci. U hypereutektoidních ocelí přídavný cementit podél hranic zrn podporuje významnou křehkost. Z tohoto důvodu jsou nevhodné pro následné použití a je třeba je uvolnit.

Dovolená

Temperováním se rozumí opětovné zahřívání na teploty pod linií GSK, které se provádí za účelem snížení křehkosti a zvýšení houževnatosti oceli. V tomto případě atomy uhlíku násilně rozpuštěné v tetragonálním martenzitu částečně difundují. S klesajícím množstvím tetragonálního martenzitu se zmenšuje deformace mřížky. Ukazatele tvrdosti a pevnosti poněkud klesají, ale zvyšuje se viskozita materiálu a mizí vnitřní pnutí.

Režim popouštění (určený rychlostí ochlazování produktu) je nastaven tak, aby pokles tvrdosti a pevnosti, i když se snížil, stále převyšoval podobné údaje pro původní (perlitovou) mikrostrukturu. Po temperování se ocel obvykle pomalu ochlazuje na vzduchu.

Vliv rychlosti ochlazování při temperování je schematicky znázorněn na Obr. 6:

Na mikrofotografii Obr. Obrázek 7 ukazuje ocel 45 po temperování po dobu jedné hodiny při 450 °C s následným chlazením vzduchem. Jehlicovitá martenzitická struktura již není tak patrná ve srovnání se stavem na Obr. 4.

V závislosti na teplotě a době popouštění je možné řídit tvrdost, pevnost a rázovou houževnatost konkrétních jakostí. Zejména čím vyšší teplota a delší doba temperování, tím intenzivněji se zvyšuje rázová houževnatost.