Искусственное старение стали

Старение стали

Общие сведения. Старением называют изменение свойств сплавов с течением времени. В результате старения изменяются физико-механические свойства. Прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость понижаются. Старение может происходить при температуре 20° С (естественное старение) или при нагреве до невысоких температур (искусственное старение).

Различают два вида старения: 1) термическое, протекающее в закаленном сплаве; 2) деформационное (механическое), происходящее в сплаве, пластически деформированном при температуре ниже температуры рекристаллизации.

Термическому старению подвергаются сплавы, обладающие ограниченной растворимостью в твердом состоянии, когда растворимость одного компонента в другом уменьшается с понижением температуры. Деформационное старение не связано с диаграммой состояния сплава. К старению склонны многие сплавы железа и сплавы цветных металлов. Результаты старения могут быть разными. В одних случаях старение является положительным и его используют: 1) при термической обработке алюминиевых, магниевых, титановых и некоторых других цветных сплавов для повышения их прочности и твердости (термическое старение); 2) для упрочнения деталей из пружинных сталей, которые при эксплуатации должны обладать высокими упругими прочностными и усталостными свойствами (деформационное старение). В других случаях старение является отрицательным: резкое снижение ударной вязкости и повышение порога хладноломкости в результате старения (особенно деформационного) могут явиться причиной разрушения конструкции; ухудшение штампуемосги листовой стали; изменение размеров закаленных деталей и инструмента при естественном старении, что осбенно вредно для точного измерительного инструмента и прецизионных деталей (например, подшипников); размагничивание в процессе эксплуатации стальных закаленных постоянных магнитов; преждевременное разрушение рельсов в пути.

диаграммы). Поэтому низкоуглеродистая сталь способна подвергаться процессу термического старения.

-растворе (рис. 38),в результате чего повышаются твердость и прочность и понижается пластичность.

. Выделившиеся частицы становятся более крупными, расстояние между ними увеличивается, что в меньшей степени препятствует перемещению дислокаций в твердом растворе и поэтому твердость понижается.

Кроме углерода на процесс старения низкоуглеродистой стали влияет азот, растворимость которого в а-железе уменьшается с понижением температуры (с 0,1% N при 590° С до 0,004% N при температуре 20е С). При старении из пересыщенного а-раствора выделяются нитриды, но по сравнению с углеродом азот оказывает меньшее влияние на термическое стерение.

Наибольший эффект термического старения наблюдается у сталей с концентрацией углерода, равной или близкой максимальной растворимости углерода в а-железе (0,02—0,04% С); например, твердость железа типа Армко (0,02% С) после закалки и естественного старения по сравнению с твердостью в отожженном состоянии увеличивается на 175%.

С увеличением содержания углерода склонность стали к термическому старению уменьшается.

Предшествующая термическая обработка на склонность низкоуглеродистой стали к термическому старению влияет следующим образом: наибольший эффект наблюдается в стали, подвергнутой закалке, в меньшей степени после нормализации, а после отжига или закалки и высокого отпуска сталь старению не подвержена.

Деформационное старение низкоуглеродистой стали. Деформационному старению подвержена сталь, пластически деформированная при температуре ниже температуры рекристаллизации. Деформационное старение объясняется теорией дислокаций. При холодной пластической деформации возрастает количество (плотность) дислокаций, увеличивающееся с повышением степени деформации. При старении атомы азота и углерода, находящиеся в а-растворе, перемещаются к дислокациям, образуя вокруг них скопления, называемые облаками (атмосферами) Котрелла . Эти скопления атомов блокируют дислокации, затрудняют их перемещение при пластической деформации, в связи с чем твердость и прочность стали повышаются, а пластичность понижается.

Старение проявляется в низкоуглеродистой стали сразу, если деформация ее производится при температуре 200—300° С. Хрупкость стали, возникающая непосредственно после деформации в указанном температурном интервале, соответствующем появлению на поверхности стальной детали синего цвета побежалости, называют синеломкостью.

На деформационное старение в основном влияет азот; медь и никель увеличивают интенсивность деформационного старения, а алюминий и кремний значительно снижают его эффект; хром, ванадий и титан при определенных концентрациях исключают деформационное старение.

Экономичнее применять сталь, содержащую алюминий. Алюминий связывает азот в нитриды, а для уменьшения влияния углерода применяется специальная термическая обработка до и после деформирования. Такой сталью является листовая сталь марки 08Ю (0,02—0,07% А1).

Изменение механических свойств при деформационном старении зависит от температуры, степени и способа деформации и длительности старения. При естественном деформационном старении процесс идет медленно и заканчивается через 15 суток с максимальным упрочнением. При искусственном деформационном старении с повышением температуры и выдержки твердость снижается. Па склонность стали к деформационному старению в паи большей степени влияет деформация сжатием при степени деформации до 10%. В связи с неблагоприятным влиянием деформационного старения на свойства стали для некоторых низ коугле роди стых сталей предусмотрено специальное испытание на склонность к деформационному старению.

Старение высокоуглеродистой стали. Размеры деталей из закаленной высокоуглеродистой стали (в которой после нагрева и охлаждения произошли изменения объема) при длительном вылеживании при температуре 20° С (естественное старение) постепенно изменяются.

Стабилизация напряженного состояния достигается искусственным старением при 125—150° С с выдержкой 25—30 ч. Обработку целесообразно вести в следующей технологической последовательности: закалка, низкий отпуск, предварительное шлифование, старение, чистовое шлифование. Если желательно сохранить после закалки более высокую твердость, старение целесообразно проводить при 125—130° С.

) аустенит при последующей

выдержке при температуре 20° С в мартенсит не превращается.

близка к 0° С. Поэтому для

стабилизации остаточного аустенита достаточно охлаждение до температур, близких к 0° С.

8. Отпуск и старение стали

3. Отпуск под нагрузкой

4. Отпуск после шлифования

5. Правка. Эффект кинетической пластичности

6. Термообработка после правки. Методы стабилизации размеров

Отпускомназывается операция термической обработки, при которой в результате нагрева ниже критической точки А₁ закаленной на мартенсит стали происходит переход структуры из метастабильного состояния в равновесное или близкое к нему. Отпуск часто является конечной операцией термической обработки. Поэтому его цель – получение определенных характеристик готовых деталей или полуфабрикатов. В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отпуска: низко-, средне- и высокотемпературный. Влияние температуры отпуска на твердость сталей представлена на рис. 8.

Рис.8. Зависимость твердости углеродистых сталей от температуры отпуска.

Низкий отпуск выполняется при температурах 80-250 °С с получением структуры в углеродистых, низко- или среднелегированных сталях отпущенного мартенсита и приводит к частичному снятию внутренних напряжений. Такой отпуск проводится для цементованных, нитроцементованных закаленных деталей и после закалки т.в.ч., а также для инструмента, который должен иметь высокую твердость 60-63HRC.

Средний отпуск выполняется при температурах 320-450°С и обеспечивает в углеродистых и низколегированных сталях структуру троостита отпуска с твердостью 41-49HRC и практически полное снятие остаточных напряжений. Детали с такой структурой имеют высокий предел упругости и усталости, поэтому такой отпуск применяют для рессор и пружин.

Высокий отпуск проводится при температурах 450-700°С и обеспечивает распад мартенсита углеродистых, низко-, среднелегированных сталей на сорбит отпуска. Сочетание закалки с высоким отпуском называется улучшением. Это связано с тем, что после такой обработки достигается сочетание высоких значений прочности, пластичности и вязкости сталей. Твердость находится в пределах 250-350 НВ, прочность по сравнению с закаленным состоянием понижается в 1,5-2,0 раза, а пластичность и вязкость в несколько раз. Высокотемпературный отпуск применяется для широкого круга деталей, у которых необходимо иметь перечисленный комплекс свойств. Разновидностью высокого отпуска является дисперсионное твердение для высоколегированных сталей: жаропрочных, высокопрочных, быстрорежущих. Данная термическая обработка выполняется чаще всего при температурах 460-700°С.

При назначении температур отпуска нельзя забывать об отпускной хрупкости, которая приводит к значительному снижению ударной вязкости закаленных изделий. Необратимая отпускная хрупкость первого рода проявляется при температурах около 300 °С, поэтому стали при отпуске не нагревают до этой температуры. Обратимая отпускная хрупкость второго рода наблюдается при температуре

500 °С только в легированных хромом, никелем, марганцем сталях, особенно при совместном их введении. Склонность сталей к хрупкости второго рода увеличивается при содержании в стали примесей фосфора, мышьяка, сурьмы и олова. Данный тип отпускной хрупкости не проявляется в углеродистых и высокочистых по примесям легированных сталях.

Старение – это операция термической обработки, при которой в закаленном без полиморфного превращения сплаве происходит распад пересыщенного твердого раствора. Причиной старения стали является пересыщение феррита углеродом и азотом, а также примесными атомами и характерно для низкоуглеродистых сталей (≤ 0,03 % С). В результате старения происходит повышение твердости, прочности и снижение пластичности, вязкости стали, при этом сохраняется их значение с течением времени. В зависимости о температуры нагрева закаленного сплава старение может происходить при комнатной температуре (естественное старение) или повышенной (искусственное). Кроме того, различают еще два вида старения в зависимости от движущей силы распада: термическое старение, протекающее в закаленном сплаве и деформационное, происходящее в изделиях после пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации.

Термическое старение чаще всего наблюдается в низкоуглеродистых сталях при содержании 0,03-0,05% углерода. При закалке в таких материалах образуется пересыщенный α -твердый раствор, который при старении распадается с выделением избыточных фаз, что ведет к повышению твердости, прочности и снижению пластичности. Наибольший эффект изменения свойств наблюдается при естественном старении, но требуется значительное время. При искусственном старении полученные характеристики прочности ниже, чем при естественном, при этом время старения сокращается.

Холодная пластическая деформация приводит к значительному ускорению процессов распада α — твердого раствора при старении. Для тонких холоднокатаных листов из малоуглеродистой стали старение проводят после рекристаллизационного отжига. Выполнение старения можно провести по двум технологическим схемам. Первая — включает ускоренное охлаждение до

400 °С, изотермическую выдержку при этой температуре и регламентированное охлаждение со скоростью

3 °С⁄с. Вторая схема состоит из закалки с температуры рекристаллизационного отжига, затем термическое старение: нагрев до

400 °С с выдержкой 30 мин и медленное охлаждение.

Старение металла

Старение металлов достаточно медленный процесс, в результате которого происходят механические изменения, изменение физических и химических свойств.

На старение металлов оказывает влияние целый ряд факторов, среди которых:

• тепловое движение атомов и молекул;
• механическое воздействие (различные нагрузки на сгибание/сдавливание/разрыв и т.д.);
• световое излучение (особенно невидимые человеку излучения);
• магнитное поле (намагничивание/размагничивание) и др.

Суть старения металла заключается в том, что происходит процесс равновесного состояния, при котором свойства металла отклоняются от нормы. А именно, материал может стать более мягким, хрупким, менее упругим и т.д.

Типы старения металлов

Различают естественное старение и искусственное.

Искусственное старение металла это когда металл, быстро приобретает тот состав и те свойства, которые необходимы. Достигается искусственное старение путем воздействия термообработкой и пластическим деформированием. Например, при получении дюралюминия его подвергают на несколько часов искусственному старению.

Естественное старение происходит соответственно естественным путем и не требует создания дополнительных условий. Хотя более интенсивно процесс идет при большой длительности по времени и температуре, приближенной к 20°С.

Применение процессов старения в металлургии и металлообработке

Старение в качестве дополнительной обработки применяется как заключительная операция. Используется к некоторым металлам и сплавам, у которых пресыщенный твердый раствор может выделять избыточный компонент и распадаться самопроизвольно с течением времени. Особенно актуален метод для подготовки материалов при создании отдельных узлов и деталей, для которых описанный выше процесс будет критичен.

После старения у металла возрастают показатели твердости с прочности, но при этом снижаются вязкость с пластичностью, однако важно отметить, что эти значения сохраняются на протяжении всего срока службы материала.

Старение стали выполняют для изменения внутренней структуры и применяется после закалки. Так, полученный твердый раствор феррита пресыщенный азотом и углеродом при нагревании распадается. В зависимости от объема включений углерода в «стареющем» материале, внутренняя структура приобретает формы:

• кубическую;
• сферическую;
• дискообразную (в виде тонких пластинок);
• игольчатую.

Термообработка (искусственное старение металла) применяется к тем сплавам, в которых растворяемость одного элемента в твердом состоянии значительно снижена. Это свойство ярко проявляется при снижении температуры.

В сталях с низким содержанием углерода, не выше 0,05%, при искусственном старении, распадается пресыщенный твердый альфа раствор. Как результат выделяются избыточные фазы. После такой обработки снижается пластичность, но явно увеличивается твердость и прочность. А именно эти качества часто требуются в конечном продукте металлургии.

На показанном рисунке продемонстрирована модель Орована, наглядно иллюстрирующая перемещение дислокаций. Получить максимальный эффект можно при естественном старении, Однако на это дело потребуется большое количество времени, что не выгодно и не практично в случае с постоянным и объемным производством (это ведь не вино/коньяк в бочках отстаиватьJ). Поэтому существуют искусственные методы по ускорению этих естественных процессов (жаль такого не провернуть с вискарикомJ). Но стоит отметить, что при искусственном «старении» прочностные характеристики материала будут заметно снижены.

Твердость в зависимости от времени старения

Показанный график наглядно демонстрирует описанную выше проблему – сокращение времени старения металла не увеличивает его прочностных характеристик.

Течение процесса старения во многом зависит от углерода и азота. Особенно это заметно в малоуглеродистых сталях. Азот с уменьшением температуры начинает хуже растворятся в альфа железе. Например, при температуре 590°С растворенного азота содержится 0,1%, но уже при 20°С его содержание снижается до 0,004%. При старении альфа раствор выделяет нитриды. Поэтому влияние азота менее выражено по сравнению с тем же углеродом при температурном воздействии.

При увеличении углерода в сталях увеличивается эффект изменения структуры, получаемый при термическом воздействии. Объем углерода, максимум которого может раствориться в альфа железе составляет 0,02-0,04%. При таком содержании закаленное изделие, подвергнутое естественному старению обладает твердостью в полтора раза выше чем после отжига.

Старение – это основной способ увеличения прочности жаропрочных сплавов (с высоким содержанием никеля). В эту же группу относятся сплавы на основе алюминия, меди, магния. Кроме того, измененная структура вышеперечисленных металлов и сплавов придает им коэрцитивную силу.

Алюминиевые и алюминисто-медные сплавы подвергаются деструкции при различных температурах (свыше 100°С) из-за различия в температуре распада структуры разных металлов. Так выделяют низкотемпературное и высокотемпературное изменение структуры.

Распад твердого раствора проходит по двум путям. В первом случае это образование и рост частиц фазы идет по всему объему. Во втором случае распад прерывистый (ячеистый). Во время него ячейки растут колониями. У колоний структура ячеистая, а рост идет от границы зерна и движется во внутрь, уменьшая размер.

Механическое и термическое старение

Существует два вида старения металла: термическое и механическое. Рассмотрим каждый из них более подробно.

Термическое старение

Фаза упрочняющая металл во время термического воздействия происходит в точке максимума. Здесь проходит метастабильный промежуток раствора в зоне Гинье-Престона. Такой вид упрочнения металлов и сплавов принято называть дисперсионным.

Зависимость прочности от времени и температуры старения

При более длительной выдержке начинается перестаривание, то есть снижение прочностных характеристик. На это влияют:

• коагуляция;
• частичная замена частиц некогерентыми.

Виды термического старения металла:

• Двухступенчатое – закалка, затем выдержка при температуре замещения, а потом выдерживание с повышенной температурой для получения однородности твердого раствора.
• Закалочное – закалка и одна фаза выдержки с естественным охлаждением.
• Естественное – для алюминиевых сплавов.
• Искусственное – для сплавов из цветных металлов с нагревом до температуры выше той, которая используется для естественной деструкции.
• Стабилизационное – высокая температура старения и длительный срок выдержки помогают сохранить размеры и свойства детали.

Механическое старение металла

Деструкция стали при помощи деформирующих усилий происходит в диапазоне температур ниже процесса рекристаллизации. Обусловлено это образованием и движением дислокаций. При холодной пластической деформации увеличивает плотность дислокаций, которые далее еще больше увеличиваются при увеличении нагрузок.

Изменяющиеся механические свойства металла вызывает движение атомов углерода и азота к дислокациям, которые размещены в альфа растворе. Достигнув дислокаций атомы образуют облака (атмосферы Котрелла). Данные скопления препятствуют движению дислокаций, благодаря чему происходит изменение свойств. Появляются присущие состаренным термообработкой деталям свойства.

Если на эффект старения деформированием сильно влияют азот, никель и медь, то с добавками ванадия, титана и ниобия данный эффект полностью пропадает. Поэтому рекомендуется использовать сталь с содержанием алюминия 0,02-0,07%.

Рекомендуемые режимы для проведения старения

• для сталей с высоким содержанием углерода: температура порядка 130°С-150°С, время выдержки порядка 25-30 часов;
• для сплавов из цветных металлов: температура порядка 250°С, время выдержки порядка 1 часа.

• для естественного процесса: температура порядка 20°С;
• для искусственного протекания процесса: температура порядка 250°С, время выдержки порядка 1 часа.

Температура нагрева и время выдержки подбирается индивидуально к каждой марке металла и к сплаву в зависимости от их состава

Старение металла

Старение металла – это процессы, протекающие внутри металла и вызывающие изменения физических и механических свойств, внутренней структуры. Проистечение данных процессов может происходить естественным путем (при большой длительности по времени и температуре, приближенной к 20°С) и искусственным воздействием (термообработкой и пластическим деформированием).

Процесс старения

Старение в качестве температурной обработки используется как заключительная операция. Применима к тем металлам и сплавам, у которых пресыщенный твердый раствор может выделять избыточный компонент и самопроизвольно распадаться.

После проведения процедуры старения у металла увеличиваются твердость с прочностью, но при этом снижаются вязкость с пластичностью, но эти значения сохраняются на протяжении срока работы.

Старение стали производится для изменения внутренней структуры после закалки. Полученный твердый раствор феррита пресыщенный углеродом и азотом при нагревании распадается. В зависимости от количества содержания углерода в сплаве внутренняя структура может приобретать форму:

• дискообразную (в виде тонких пластинок);
• сферическую;
• кубическую;
• игольчатую.

Искусственное старение металла (термообработка) применяется к тем сплавам, в которых растворяемость одного элемента в твердом состоянии значительно снижена. Это проявляется при снижении температуры.

Во время искусственного старения в сталях с низким содержанием углерода, не выше 0,05%, распадается пресыщенный твердый альфа раствор. При этом выделяются избыточные фазы. Такая метаморфоза приводит к тому, что снижается пластичность, но приводит к увеличению твердости и прочности.

На рисунке показана модель Орована, которая иллюстрирует перемещение дислокаций. Максимального эффекта добиться возможно при естественном старении, но время затраченное на это будет значительным. Увеличить скорость протекания процесса можно искусственным старением, но при этом прочностные характеристики будут снижены.

Твердость в зависимости от времени старения

На графике отчетливо видно, что сокращение времени старения не позволяет получить высокую твердость.

Течение процесса старения во многом зависит от углерода и азота. Особенно это заметно в малоуглеродистых сталях. Азот с уменьшением температуры начинает хуже растворятся в альфа железе. Например, при температуре 590°С растворенного азота содержится 0,1%, но уже при 20°С его содержание снижается до 0,004%. При старении альфа раствор выделяет нитриды. Поэтому влияние азота менее выражено по сравнению с тем же углеродом при температурном воздействии.

При увеличении углерода в сталях увеличивается эффект изменения структуры, получаемый при термическом воздействии. Объем углерода, максимум которого может раствориться в альфа железе составляет 0,02-0,04%. При таком содержании закаленное изделие, подвергнутое естественному старению обладает твердостью в полтора раза выше чем после отжига.

Старение – это основной способ увеличения прочности жаропрочных сплавов (с высоким содержанием никеля). В эту же группу относятся сплавы на основе алюминия, меди, магния. Кроме того, измененная структура вышеперечисленных металлов и сплавов придает им коэрцитивную силу.

Алюминиевые и алюминисто-медные сплавы подвергаются деструкции при различных температурах (свыше 100°С) из-за различия в температуре распада структуры разных металлов. Так выделяют низкотемпературное и высокотемпературное изменение структуры.

Распад твердого раствора проходит по двум путям. В первом случае это образование и рост частиц фазы идет по всему объему. Во втором случае распад прерывистый (ячеистый). Во время него ячейки растут колониями. У колоний структура ячеистая, а рост идет от границы зерна и движется во внутрь, уменьшая размер.

Механическое и термическое старение

Существует два вида старения металла: термическое и механическое. Рассмотрим каждый из них более подробно.

Термическое старение

Фаза упрочняющая металл во время термического воздействия происходит в точке максимума. Здесь проходит метастабильный промежуток раствора в зоне Гинье-Престона. Такой вид упрочнения металлов и сплавов принято называть дисперсионным.

Зависимость прочности от времени и температуры старения

При более длительной выдержке начинается перестаривание, то есть снижение прочностных характеристик. На это влияют:

• коагуляция;
• частичная замена частиц некогерентыми.

Виды термического старения металла:

• Двухступенчатое – закалка, затем выдержка при температуре замещения, а потом выдерживание с повышенной температурой для получения однородности твердого раствора.
• Закалочное – закалка и одна фаза выдержки с естественным охлаждением.
• Естественное – для алюминиевых сплавов.
• Искусственное – для сплавов из цветных металлов с нагревом до температуры выше той, которая используется для естественной деструкции.
• Стабилизационное – высокая температура старения и длительный срок выдержки помогают сохранить размеры и свойства детали.

Механическое старение металла

Деструкция стали при помощи деформирующих усилий происходит в диапазоне температур ниже процесса рекристаллизации. Обусловлено это образованием и движением дислокаций. При холодной пластической деформации увеличивает плотность дислокаций, которые далее еще больше увеличиваются при увеличении нагрузок.

Изменяющиеся механические свойства металла вызывает движение атомов углерода и азота к дислокациям, которые размещены в альфа растворе. Достигнув дислокаций атомы образуют облака (атмосферы Котрелла). Данные скопления препятствуют движению дислокаций, благодаря чему происходит изменение свойств. Появляются присущие состаренным термообработкой деталям свойства.

Если на эффект старения деформированием сильно влияют азот, никель и медь, то с добавками ванадия, титана и ниобия данный эффект полностью пропадает. Поэтому рекомендуется использовать сталь с содержанием алюминия 0,02-0,07%.

Рекомендуемые режимы для проведения старения

• для сталей с высоким содержанием углерода: температура порядка 130°С-150°С, время выдержки порядка 25-30 часов;
• для сплавов из цветных металлов: температура порядка 250°С, время выдержки порядка 1 часа.

• для естественного процесса: температура порядка 20°С;
• для искусственного протекания процесса: температура порядка 250°С, время выдержки порядка 1 часа.

Температура нагрева и время выдержки подбирается индивидуально к каждой марке металла и к сплаву в зависимости от их состава.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Старение сплавов. Закалочное и деформационное старение. Назначение, типы, виды режимов, структура и получаемые свойства

В соответствии с классификацией, принятой в странах СНГ, старение —это вид термообработки, при которой в сплаве, подвергнутом закалке без полиморфного превращения, главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора. Это определение характеризует не природу явления, а вид термообработки.

В технической литературе часто встречается такое определение старения металлов: изменение механических, физических и химических свойств металлов и сплавов в процессе вылеживания при комнатной температуре (естественное старение) или при нагреве (искусственное старение), а также при выдержке и эксплуатации при разных температурах после холодной пластической деформации (деформационное старение), т.е. распад пересыщенного твердого раствора при определенных условиях.

Старение может приводить к негативным изменениям свойств металлов или сплавов (например, после сварки металла (сварной шов и околошовная зона), который в определенной мере являлся пересыщенным твердым раствором, и после нагрева происходят процессы старения — охрупчивания). Положительное влияние старения — когда производится специальная термообработка с целью повышения прочностных и др. свойств за счет закалки + старения.

Старение обусловлено термодинамической неравновесностью исходного структурного состояния в условиях достаточной диффузионной подвижности атомов. В чистых металлах неравновесность структурного состояния состоит в избытке (для низких температур) концентраций вакансий, дислокаций и др. дефектов кристаллической решетки, а в сплавах и металлах технической чистоты — в сохранении при низких температурах пересыщенного твердого раствора.

Старение используется в качестве заключительной операции термической обработки для специального класса конструкционных материалов — стареющих или дисперсионно-твердеющих сплавов, для чего используется нагрев до температур, при которых из раствора выделяется избыточная фаза и металл упрочняется. В промышленности используется много сплавов на основе алюминия, магния, меди, никеля и др., которые упрочняются при таком виде ТО. Старение применимо к любому сплаву, в котором имеется пересыщенный твердый раствор, который стремится к самопроизвольному распаду и выделению из него избыточного компонента. Процесс выделения является типичным диффузионным превращением, ускоряющимся с ростом температуры.

Структурные изменения при старении металлов (как и при отпуске) происходят в несколько стадий:

1 стадия:в пересыщенном твердом растворе образуются скопления атомов легирующих элементов, которые называются кластерами.

В первой части методического пособия для характеристики однородности твердого раствора дано краткое понятие кластерам и состояниям границ между такими устойчивыми областями химической неоднородности и матричным раствором. Кластер — при рассмотрении процессов структурообразования в металлах кластером называют скопление примесных (растворенных) элементов в твердом растворе или комплексы (объединения) точечных дефектов, например, вакансий в кристаллической решетке. Вакансионный кластер образуется в результате столкновений вакансий и может расти за счет присоединения новых вакансий вплоть до возникновения вакансионных пор.

Если атомные размеры компонентов раствора различны, то такие кластеры могут вызывать упругие напряжения в окружающей среде. Между кластером и матрицей, по сути дела, нет четкой границы раздела, так как их структуры изоморфны. Поэтому было введено понятие когерентной межфазной границы (поверхности), под которой подразумевается некая атомная поверхность, на которой расположение атомов и расстояние между ними близки для обеих кристаллических структур без учета химической природы атомов. Когерентная граница — межфазная граница, на которой атомные плоскости одной фазы переходят, не прерываясь, в другую фазу, так, что атомы на границе принадлежат одновременно кристаллическим решеткам двух фаз.

В однофазном материале примером когерентной границы является плоскость двойникования между двумя кристаллами — двойниками.

При увеличении когерентной поверхности раздела фаз энергия искажений увеличивается до определенного критического предела, при котором возникают межфазные дислокации. Такая межфазная граница уже не является полностью когерентной, хотя отдельные ее участки между дислокациями могут быть когерентными. Такие границы называют полукогерентными. Если
расстояние между структурными дислокациями на границ раздела фаз мало, то такую границу называют некогерентной. Определить тип границ весьма сложно, но возможно электронной и автоионной микроскопией, либо косвенно рентгеноструктурным методом по изменению уровня искажений кристаллической решетки или методом внутреннего трения.

На первой стадии распада пересыщенного твердого раствора размер кластеров настолько мал, что он не обнаруживается стуктурными методами. С увеличением времени размеры кластеров растут и вызывают дифракционные эффекты на рентгенограммах. Кластеры, обнаруживаемые структурными методами, называют зонами Гинье–Престона (французский и английский ученые, одновременно обнаружившие это явление в 1938 г.).

Для зон Гинье–Престона (размер тонких пластинчатых дискообразных образований толщиной в несколько атомных слоев (0,5-1 нм) и длиной 1-10 нм) характерно гомогенное зарождение и они равномерно распределены в зернах твердого раствора. Зоны Гинье-Престона часто называют предвыделениями, но их можно рассматривать как полностью когерентные выделения.

2 стадияраспада пересыщенного твердого раствора при старении – собственно выделение частиц вторичной фазы. Эта стадия может идти через промежуточные стадии (т.е. a®Г-П®b 1 ®b).

3 стадиястарения – коагуляция выделившихся частиц вторичной фазы. Коагуляция выделений во время старения происходит вследствие переноса вещества через матричный раствор (из-за градиента концентраций) при растворении более мелких и росте более крупных частиц выделений.

Коагуляцию частиц можно наблюдать на всех стадиях распада, но наибольший интерес она представляет на 3-й стадии, т.к. является единственным структурным изменением стабильной вторичной фазы.

Процесс упрочнения металлов при старении проходит через максимум(рис. 3.1).Наибольшее упрочнение происходит на стадии возникновения в растворе зон Гинье–Престона и метастабильной промежуточной
фазы.

Такое упрочнение называют дисперсионным твердением.Упрочнение металлов и сплавов при старении или отпуске после закалки с образованием пересыщенного твердого раствора является распространенной операцией с целью повышения прочности. Разупрочнение при дальнейшем увеличении
выдержки в процессе старения называется перестариванием,и оно обусловлено действием двух факторов:

1) коагуляцией выделений метастабильной фазы;

2) частичной заменой когерентных частиц метастабильной фазы на некогерентные частицы стабильной фазы и их коагуляцией.

Рисунок 3.1 – Схема зависимости прочностных свойств от
продолжительности старения при разных температурах (Т₁ -3 с), которые трудно достичь в реальных условиях.

При непрерывном распаде в пересыщенном твердом растворе образуются и растут отдельные выделения частиц вторичной фазы. При этом происходит непрерывное уменьшение концентрации легирующих элементов по всему объему исходных зерен — это является характерной чертой этого процесса. По микроструктурным признакам непрерывный распад твердого раствора при старении подразделяется на равномерный (или общий) и локализованный. При равномерном распаде выделения образуются однородно по всему объему зерен (зарождение может быть гомогенным или гетерогенным). А при локализованном распаде выделения преимущественно образуются у границ зерен и субзерен, в полосах скольжения и т.д. (зарождение всегда гетерогенное).

Считается, что новая фаза в пересыщенном твердом растворе
зарождается:

— гомогенно — без участия дефектов кристаллического строения (дислокаций, дефектов упаковки);

— гетерогенно — при наличии дефектов решетки. А так как дефекты типа вакансий, являющиеся основными агентами при возникновении кластеров или областей ближнего порядка, присутствуют в металле при температурах даже выше кривой растворимости, то можно считать, что зарождение должно быть всегда гетерогенным. Но для упрощения классификации вакансии не вошли в число дефектов, поэтому, когда определяется механизм распада, подразумевается механизм образования зародышей вторичной фазы.

Прерывистый (ячеистый) распад.При этом распаде в зернах исходного раствора зарождаются и растут ячейки (колонии) двухфазной смеси a₁+ b, часто имеющие перлитное строение. Возможен локализованный распад пересыщенного твердого раствора по схеме, когда концентрация исходного раствора при старении остается до определенного времени неизменной, а при определенных условиях на границе ячейки, в узкой зоне, происходит резкий скачек концентрации от исходного до a₁ внутри ячейки.

Поскольку при двухфазном распаде параметр решетки твердого раствора меняется скачкообразно, то такой тип распада еще называется прерывистым, в отличие от непрерывного, при котором параметр матрицы (ее состав) при старении меняется непрерывно.

Изменение свойств сплавов, протекающее во времени после холодной пластической деформации, называют статическим деформационным
старением.

Если процесс деформационного старения происходит во время деформации, то его называют динамическим деформационным старением.

Отличие деформационного старения от обычного (или закалочного) обусловлено тем, что деформационное идет при наличии в металле значительного количества новых (свежих, образовавшихся) дислокаций, способных взаимодействовать с атомами растворенного компонента в условиях достаточной диффузионной подвижности этих атомов.

Эффекты упрочнения и охрупчивания сплавов при деформационном старении связаны с резким уменьшением подвижности дислокаций.

Различают следующие стадии деформационного старения(применительно к системам a-Fe- C,N):

1. увеличение количества атомов углерода или азота на дислокациях, приводящее к уменьшению расчетных расстояний между точками закрепления дислокаций (на этой стадии старения нет возврата — явления, при котором в сплаве, нагретом до некоторой температуры Т₂, которая выше первоначальной Т₁, не происходит растворения продуктов выделения, т.е. промежуточной (метастабильной) фазы);

2. увеличение количества атомов углерода или азота на дислокациях, сопровождающееся дальнейшим упрочнением сплава без изменения расстояния между точками закрепления дислокаций и без изменения длины площадки текучести (стадия характеризуется эффектом возврата — это свидетельствует о том, что сегрегации развиваются за счет размещения атомов примесей в позициях с меньшей энергией связи);

3. образование устойчивой фазы выделения (характеризуется резким повышением коэффициента упрочнения, охрупчиванием сплава и уменьшением эффекта возврата).

Деформационное старение развивается, если концентрация C+N существенно выше 10 -4 % (по массе). При значительной концентрации примеси и небольшой степени деформации происходит совмещение деформационного старения с закалочным старением. При этом, чем ниже температура старения, тем больше доля закалочного старения.

Деформационное старение может быть естественным, т.е. происходить после деформации при температуре окружающего воздуха 20°С.

Деформационное старение может быть искусственным, когда после деформации ≈10% металл подвергается нагреву (чаще всего такую операцию проводят при нагреве до 250°С в течение одного часа).

Для процесса деформационного старения характерными величинами являются параметры предела текучести и длины площадки текучести, которые отличаются высокой чувствительностью к количеству и подвижности дислокаций, размерам частиц вторичной фазы и расстоянию между ними, а, кроме того, эти характеристики коррелируют и со способностью стали к вытяжке при штамповке. Для оценки склонности сталей к деформационному старению используют характеристики разрушения — порог хладноломкости (Т₅₀) и ударную вязкость (KCU; KCV и др.), сравнивая их значения в исходном состоянии и после искусственного старения.

Существенное различие деформационного и закалочного старения обнаруживается в изменениях коэрцитивной силы, при дефомационном старении коэрцитивная сила изменяется незначительно.

Эффект деформационного старения практически не проявляется при добавлении в металл элементов, связывающих углерод и азот (например, ниобий, ванадий, титан и др.) в частицы вторичной фазы. Но выделения этих частиц упрочняет металл и затрудняет штамповку. Наиболее часто используется
введение в металл для глубокой штамповки алюминия, связывающего азот, что способствует повышению пластичности и образованию при холодной прокатке благоприятной текстуры.

В промышленности применяют различные способы для улучшения штампуемости листового металла, например, удаление из жидкого металла при плавке вредных примесей (азот, углерод), либо удаление из твердого металла этих элементов при нагреве в вакууме (такая операция является одной из разновидностей ХТО). В основе этой обработки лежит диффузионный процесс перемещения атомов вредных веществ из сердцевины к поверхности. Часто такие процессы проводят в вакууме или в защитной среде (например, обезуглероживание трансформаторной стали в среде водорода).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском: