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.