Старіння металу, види, штучне, природне, як і від чого залежить

Суть старіння металу у тому, що відбувається процес рівноважного стану, у якому властивості металу відхиляються від норми. А саме, матеріал може стати м'якшим, тендітнішим, менш пружним і т.д.

Типи старіння металів

Розрізняють природне старіння та штучне.

Штучне старіння металу це коли метал, що швидко набуває той склад і ті властивості, які необхідні. Досягається штучне старіння шляхом впливу термообробкою та пластичним деформуванням. Наприклад, при отриманні дюралюмінію його піддають на кілька годин штучному старінню.

старіння металу фото

Природне старіння відбувається відповідно природним шляхом і вимагає створення додаткових умов. Хоча більш інтенсивно процес йде за великої тривалості за часом і температурою, наближеною до 20°С.

Застосування процесів старіння в металургії та металообробці

Старіння як додаткова обробка застосовується як заключна операція. Використовується до деяких металів та сплавів, у яких пересичений твердий розчин може виділяти надлишковий компонент та розпадатися мимоволі з часом. Особливо актуальним є метод для підготовки матеріалів при створенні окремих вузлів і деталей, для яких описаний вище процес буде критичний.

Після старіння у металу зростають показники твердості із міцності, але при цьому знижуються в'язкість із пластичністю, проте важливо відзначити, що ці значення зберігаються протягом усього терміну служби матеріалу.

Старіння сталі виконують для зміни внутрішньої структури та застосовується після загартування. Так, отриманий твердий розчин фериту пересичений азотом та вуглецем при нагріванні розпадається. Залежно від обсягу включень вуглецю в «старілому» матеріалі, внутрішня структура набуває форм:

кубічну;
сферичну;
дископодібну (у вигляді тонких платівок);
голчасту.

Термообробка (штучне старіння металу) застосовується до тих сплавів, у яких розчинність одного елемента у твердому стані значно знижена. Ця властивість яскраво проявляється при зниженні температури.

У сталях з низьким вмістом вуглецю, не вище 0,05%, при штучному старінні, розпадається пересичений твердий розчин альфа. Як наслідок виділяються надлишкові фази. Після такої обробки знижується пластичність, але явно збільшується твердість та міцність. Саме ці якості часто потрібні в кінцевому продукті металургії.

Модель Орована

Модель Орована

На показаному малюнку продемонстровано модель Орована, що наочно ілюструє переміщення дислокацій. Отримати максимальний ефект можна при природному старінні, Однак на цю справу потрібно багато часу, що не вигідно і не практично у випадку з постійним і об'ємним виробництвом (адже це не вино/коньяк в бочках відстоюватиJ). Тому існують штучні методи прискорення цих природних процесів (шкода такого не провернути з вискариком J). Але варто відзначити, що при штучному «старінні» характеристики міцності матеріалу будуть помітно знижені.

Твердість в залежності від часу старіння

Твердість в залежності від часу старіння

Показаний графік наочно демонструє описану вище проблему – скорочення часу старіння металу не збільшує його характеристик міцності.

Перебіг процесу старіння багато в чому залежить від вуглецю та азоту. Особливо це помітно у маловуглецевих сталях. Азот із зменшенням температури починає гірше розчинятися в альфа-залізі. Наприклад, при температурі 590°З розчиненого азоту міститься 0,1%, але вже при 20°З його вміст знижується до 0,004%. При старінні альфа розчин виділяє нітриди. Тому вплив азоту менш виражено проти тим самим вуглецем при температурному впливі.

При збільшенні вуглецю в сталях збільшується ефект зміни структури, що отримується при термічній дії. Об'єм вуглецю, максимум якого може розчинитися в альфа залозі, становить 0,02-0,04%. При такому змісті загартований виріб, підданий природному старінню, має твердість у півтора рази вище ніж після відпалу.

Старіння - це основний спосіб збільшення міцності жароміцних сплавів (з високим вмістом нікелю). До цієї ж групи відносяться сплави на основі алюмінію, міді, магнію. Крім того, змінена структура перелічених вище металів і сплавів надає їм коерцитивну силу.

Алюмінієві та алюмінієво-мідні сплави піддаються деструкції за різних температур (понад 100°С) через розходження в температурі розпаду структури різних металів. Так виділяють низькотемпературну та високотемпературну зміну структури.

Розпад твердого розчину проходить двома шляхами. У першому випадку це утворення та зростання частинок фази йде по всьому обсягу. У другому випадку розпад уривчастий (комірчастий). Під час нього осередки ростуть колоніями. У колоній структура пориста, а зростання йде від межі зерна і рухається усередину, зменшуючи розмір.

Механічне та термічне старіння

Існує два види старіння металу: термічне та механічне. Розглянемо кожен із них докладніше.

Термічне старіння

Фаза, що зміцнює метал під час термічного впливу, відбувається в точці максимуму. Тут відбувається метастабільний проміжок розчину в зоні Гіньє-Престона. Такий вид зміцнення металів та сплавів прийнято називати дисперсійним.

Залежність міцності від часу та температури старіння

Залежність міцності від часу та температури старіння

При більш тривалій витримці починається перестарювання, тобто зниження характеристик міцності. На це впливають:

коагуляція;
часткова заміна частинок некогерентними.

Види термічного старіння металу:

Двоступінчасте - загартування, потім витримка при температурі заміщення, а потім витримування з підвищеною температурою для отримання однорідності твердого розчину.
Загартування – загартування та одна фаза витримки з природним охолодженням.
Природний – для алюмінієвих сплавів.
Штучне – для сплавів із кольорових металів із нагріванням до температури вище за ту, яка використовується для природної деструкції.
Стабілізаційне – висока температура старіння та тривалий термін витримки допомагають зберегти розміри та властивості деталі.

Механічне старіння металу

Деструкція сталі за допомогою деформуючих зусиль відбувається в діапазоні температур нижче за процес рекристалізації. Зумовлено це освітою та рухом дислокацій. При холодній пластичній деформації збільшує щільність дислокацій, які ще більше збільшуються при збільшенні навантажень.

Механічні властивості металу, що змінюються, викликає рух атомів вуглецю і азоту до дислокацій, які розміщені в альфа розчині. Досягши дислокацій атоми утворюють хмари (атмосфери Котрелла). Дані скупчення перешкоджають руху дислокацій, завдяки чому відбувається зміна властивостей. З'являються властиві зістареним термообробкою деталям якості.

Якщо ефект старіння деформуванням сильно впливають азот, нікель і мідь, то з добавками ванадію, титану і ніобію цей ефект повністю пропадає. Тому рекомендується використовувати сталь із вмістом алюмінію 0,02-0,07%.