Старение металла, виды, искусственное, естественное, как происходит и от чего зависит

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.

Модель Орована

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

Термическая обработка:

• 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.

Пластическая обработка:

• 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