Старение металла

Старение металла – это процессы, протекающие в середине металла и вызывающие изменения физических и механических параметров, структуры находящейся внутри. Проистечение этих процессов может происходить настоящим путем (при большой продолжительности по времени и температуре, приближенной к 20°С) и искусственным влиянием (термической обработкой и пластическим деформированием).

Процесс старения

Старение в качестве температурной обработки применяется как последняя операция. Применима к тем металлам и сплавам, у которых пресыщенный твёрдый раствор может выделять лишний элемент и самопроизвольно распадаться.

В результате проведения процедуры старения у металла становятся больше твердость с прочностными свойствами, однако при этом уменьшаются вязкость с пластичностью, но эти значения будут сохранены в течении рабочего времени.

Старение стали выполняется для изменения структуры находящейся внутри после закалки. Получившийся твёрдый раствор феррита пресыщенный углеродом и азотом при нагреве распадается. Все зависит от количества содержания углерода в сплаве внутренняя структура может покупать форму:

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

Искусственное старение металла (термическая обработка) применяется к тем сплавам, в которых растворяемость одного элемента в твёрдом состоянии существенно уменьшена. Это вырисовывается при снижении температуры.

Во время искусственного старения в сталях с невысоким содержанием углерода, не выше 0,05%, распадается пресыщенный твёрдый альфа раствор. При этом выделяются избыточные фазы. Такая перемена приводит к тому, что уменьшается эластичность, но приводит к увеличению твердости и прочности.

На рисунке показана модель Орована, которая иллюстрирует перемещение дислокаций. Самого большого эффекта достичь возможно при естественном старении, но время затраченное на это будет существенным. Расширить скорость протекания процесса можно старением созданным искусственным путем, однако при этом характеристики прочности будут снижены.

Твердость в зависимости от времени старения

На графике четко видно, что уменьшение времени старения не дает возможность получить высокую твердость.

Течение процесса старения в большинстве случаев зависит от углерода и азота. Тем более это ощутимо в малоуглеродистых сталях. Азот с уменьшением температуры начинает хуже растворятся в альфа железе. К примеру, при температуре 590°С растворенного азота содержится 0,1%, однако уже при 20°С его содержание уменьшается до 0,004%. При старении альфа раствор выделяет нитриды. По этому воздействие азота менее выражено если сравнивать с тем же углеродом при температурном влиянии.

При увеличении углерода в сталях возрастает эффект изменения структуры, получаемый при термическом влиянии. Объем углерода, максимум которого может раствориться в альфа железе составляет 0,02-0,04%. При подобном содержании закаленное изделие, подвергнутое естественному старению обладает твердостью в 1,5 раза выше чем после отжига.

Старение – это главный способ увеличения прочности огнеупорных сплавов (с большим содержанием никеля). В эту же группу относятся сплавы на основе алюминия, меди, магния. Более того, измененная структура перечисленных выше металлов и сплавов придаёт им коэрцитивную силу.

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

Распад твёрдого раствора проходит по двум путям. В первом варианте это образование и рост частиц фазы идет по всему объему. В другом варианте распад прерывчатый (ячеистый). Во время него ячейки растут колониями. У колоний структура ячеистая, а рост идет от границы зерна и двигается во вовнутрь, делая меньше размер.

Механическое и термическое старение

Есть несколько видов старения металла: термическое и механическое. Рассмотрим любой из них более детально.

Термическое старение

Фаза упрочняющая металл во время термического влияния происходит в точке предела. Тут проходит метастабильный зазор раствора в зоне Гинье-Престона. Этот вид упрочнения металлов и сплавов называют дисперсионным.

Зависимость прочности от времени и температуры старения

При более долгой выдержке начинается перестаривание, другими словами снижение характеристик прочности. На это оказывают влияние:

• коагуляция;
• неполная замена частиц некогерентыми.

Виды термического старения металла:

• Двухступенчатое – закалка, после выдержка при температуре замещения, а потом выдерживание с очень высокой температурой для получения однородности твёрдого раствора.
• Закалочное – закалка и одна фаза выдержки с настоящим охлаждением.
• Природное – для сплавов алюминия.
• Искусственное – для сплавов из цветных металлов с нагревом до температуры выше той, которая применяется для естественной деструкции.
• Стабилизационное – большая температура старения и большой срок выдержки помогают сберечь размеры и свойства детали.

Механическое старение металла

Деструкция стали с помощью деформирующих усилий происходит в температурном диапазоне ниже процесса рекристаллизации. Вызвано это образованием и движением дислокаций. При холодной пластической деформации повышает плотность дислокаций, которые дальше намного больше становятся больше при увеличении нагрузок.

Изменяющиеся механичные свойства металла вызывает движение атомов углерода и азота к дислокациям, которые расположены в альфа растворе. Достигнув дислокаций атомы образовывают облака (атмосферы Котрелла). Данные накопления мешают движению дислокаций, из-за чего происходит изменение параметров. Появляются свойственные состаренным термической обработкой деталям свойства.

Если на эффект состаривания деформированием сильно оказывают влияние азот, никель и медь, то с добавками ванадия, титана и ниобия данный эффект полностью исчезает. По этому лучше всего применять сталь с содержанием алюминия 0,02-0,07%.

Предлагаемые режимы для проведения старения

• для сталей с большим 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 нормального процесса: температура порядка 20°С;
• для искусственного протекания процесса: температура порядка 250°С, время выдержки порядка 1 часа.

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

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.