金属的老化，类型，人工，自然，如何发生以及取决于什么

金属老化 这是一个相当缓慢的过程，会导致机械变化以及物理和化学性质的改变。

在 金属老化 受多种因素影响，包括：

• 原子和分子的热运动；
• 机械冲击（弯曲/压缩/撕裂等各种载荷）；
• 光辐射（尤其是人类看不见的辐射）；
• 磁场（磁化/消磁）等

金属老化的本质是达到一种平衡状态，在此期间金属的性质偏离正常值。具体而言，材料会变得更软、更脆、弹性更低等等。

金属老化的类型

自然老化和人工老化之间存在区别。

金属的人工时效是指快速获得所需成分和性能的过程。人工时效是通过热处理和塑性变形来实现的。例如，在生产硬铝时，需要对其进行数小时的人工时效。

自然老化是自然发生的，不需要任何附加条件。然而，老化过程会更加剧烈，时间会更长，温度也会接近20°C。

时效工艺在冶金和金属加工中的应用

时效处理是作为最终步骤的附加处理。它适用于某些金属和合金，其中过饱和固溶体会析出过量成分，并随着时间的推移自发分解。这种方法尤其适用于制备用于生产单个零部件的材料，而上述工艺对于这些零部件的生产至关重要。

老化后，金属的硬度和强度会增加，但其粘度和延展性会降低。然而，需要注意的是，这些值在材料的整个使用寿命期间都会保持不变。

钢材时效处理是为了改变其内部结构，通常在淬火后进行。生成的饱和氮和碳的固态铁素体溶液在加热时会分解。根据“时效”材料中碳夹杂物的含量，其内部结构呈现以下形式：

• 立方体;
• 球形;
• 圆盘状（薄板状）；
• 像针一样。

热处理（金属的人工时效）适用于合金，其中一种元素在固态下的溶解度会显著降低。随着温度的降低，这种特性会变得更加明显。

对于碳含量不高于0.05%的低碳钢，人工时效会导致过饱和α固溶体分解。结果，过剩相析出。经过这种处理后，延展性会降低，但硬度和强度会显著提高。这些正是最终冶金产品通常所需的品质。

Orowan的模型

图中显示的是Orowan模型，清晰地展现了位错运动。通过自然陈化可以达到最佳效果。然而，这需要耗费大量时间，对于连续、大批量生产来说既不经济也不实用（这不像在酒桶中沉淀葡萄酒或白兰地）。因此，有一些人工方法可以加速这些自然过程（可惜威士忌无法做到这一点）。然而，值得注意的是，人工陈化会显著降低材料的强度特性。

硬度取决于老化时间

所示的图表清楚地表明了上述问题：减少金属的时效时间并不会增加其强度特性。

时效过程很大程度上取决于碳和氮。这在低碳钢中尤为明显。随着温度降低，氮在α铁中的溶解度降低。例如，在590°C时，溶解氮含量为0.1%，但在20°C时，其含量降至0.004%。在时效过程中，α铁溶液会释放氮化物。因此，在热影响下，氮的影响不如碳的影响明显。

随着钢中碳含量的增加，热处理产生的组织变化也随之增加。α铁中可溶解的碳的最大含量为0.02-0.04%。在此含量下，淬火产品经自然时效处理后的硬度比退火后高出1.5倍。

时效处理是提高耐热合金（高镍合金）强度的主要方法。这类合金还包括铝、铜和镁基合金。此外，这些金属和合金的结构改变赋予了其矫顽力。

由于不同金属的结构分解温度不同，铝和铝铜合金在不同温度（100°C以上）下会发生降解，因此有低温结构分解和高温结构分解之分。

固溶体的分解有两种方式。第一种情况下，相粒子的形成和生长在整个体积内进行。第二种情况下，分解是不连续的（胞状）。在此过程中，胞体以群落的形式生长。群落具有胞状结构，生长从晶界开始，向内移动，尺寸逐渐减小。

机械和热老化

金属老化有两种类型：热老化和机械老化。让我们更详细地了解一下。

热老化

在热处理过程中，强化金属的相发生在其强度最高点。此时，亚稳态固溶相出现在吉尼尔-普雷斯顿区。这种金属和合金的强化通常被称为弥散强化。

强度对老化时间和温度的依赖性

随着暴露时间的延长，材料开始老化，强度特性随之下降。老化受以下因素影响：

• 凝固；
• 用不连贯的粒子部分替换粒子。

金属热老化的类型：

• 两阶段——淬火，然后在替代温度下保持，然后在升高的温度下保持以实现固溶体的均匀性。
• 淬火——淬火并自然冷却一段保温时间。
• 天然——适用于铝合金。
• 人工 – 通过加热至高于自然破坏温度的温度来对有色金属合金进行破坏。
• 稳定性——高时效温度和长保持时间有助于保持零件的尺寸和性能。

金属的机械老化

变形力导致钢材破坏发生在再结晶过程以下的温度范围内。这是由位错的形成和运动引起的。冷塑性变形会增加位错密度，而位错密度会随着载荷的增加而进一步增加。

金属机械性能的变化导致碳原子和氮原子向位于α溶液中的位错移动。到达位错后，原子形成云状结构（科特雷尔气团）。这些原子团阻碍了位错的移动，从而导致性能发生变化。热时效部件固有的性能得以显现。

虽然氮、镍和铜会显著影响变形的时效效应，但添加钒、钛和铌则完全消除了这种影响。因此，建议使用铝含量为0.02-0.07%的钢。

推荐的老化模式

热处理：

• 对于含碳量较高的钢：温度约130℃-150℃，保温时间约25-30小时；
• 对于有色金属合金：温度约250℃，保温时间约1小时。

塑料加工：

• 对于自然过程：温度约为20°C；
• 对于人工工艺流程：温度约250℃，保温时间约1小时。

根据每种金属和合金的成分，分别选择加热温度和保温时间。