Искусственное старение стали

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.

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.
Читайте также  Хомуты для соединения труб металлические стальные

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.

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.

Искусственное старение металла — механическое и термическое

Старе́ние ста́ли — изменение свойств материала (стали), протекающее во времени без заметного изменения микроструктуры. Такие процессы происходят главным образом в низкоуглеродистых сталях (менее 0,25 % С). При старении за счёт скопления атомов углерода на дислокациях или выделения избыточных фаз из феррита (карбидов, нитридов) повышаются прочность, порог хладноломкости, но снижается сопротивление хрупкому разрушению. Склонность стали к старению снижается при легировании её алюминием, титаном или ванадием.

Читайте также  Влияние ванадия на свойства стали

Термическое старение

При ускоренном охлаждении с 650—700 °C в низкоуглеродистой стали задерживается выделение третичного цементита и при нормальной температуре фиксируется перенасыщенный альфа-раствор (феррит). При последующей выдержке стали при нормальной температуре или при повышенной 50—150 °C происходит образование атмосфер Коттрелла или распад твёрдого раствора с выделением третичного цементита (ε-карбида) в виде дисперсных частиц. Старение технического железа (стали) также может быть вызвано выделением твёрдых частиц нитрида Fe16N2 или Fe4N.

Òåõíîëîãèÿ òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè ìåòàëëîâ

Îáùèå ñâåäåíèÿ. Ñòàðåíèåì íàçûâàþò èçìåíåíèå ñâîéñòâ ñïëàâîâ ñ òå÷åíèåì âðåìåíè.  ðåçóëüòàòå ñòàðåíèÿ èçìåíÿþòñÿ ôèçèêî-ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà. Ïðî÷íîñòü è òâåðäîñòü ïîâûøàþòñÿ, à ïëàñòè÷íîñòü è âÿçêîñòü ïîíèæàþòñÿ. Ñòàðåíèå ìîæåò ïðîèñõîäèòü ïðè òåìïåðàòóðå 20° Ñ (åñòåñòâåííîå ñòàðåíèå) èëè ïðè íàãðåâå äî íåâûñîêèõ òåìïåðàòóð (èñêóññòâåííîå ñòàðåíèå).

Ðàçëè÷àþò äâà âèäà ñòàðåíèÿ: 1) òåðìè÷åñêîå, ïðîòåêàþùåå â çàêàëåííîì ñïëàâå; 2) äåôîðìàöèîííîå (ìåõàíè÷åñêîå), ïðîèñõîäÿùåå â ñïëàâå, ïëàñòè÷åñêè äåôîðìèðîâàííîì ïðè òåìïåðàòóðå íèæå òåìïåðàòóðû ðåêðèñòàëëèçàöèè.

Òåðìè÷åñêîìó ñòàðåíèþ ïîäâåðãàþòñÿ ñïëàâû, îáëàäàþùèå îãðàíè÷åííîé ðàñòâîðèìîñòüþ â òâåðäîì ñîñòîÿíèè, êîãäà ðàñòâîðèìîñòü îäíîãî êîìïîíåíòà â äðóãîì óìåíüøàåòñÿ ñ ïîíèæåíèåì òåìïåðàòóðû. Äåôîðìàöèîííîå ñòàðåíèå íå ñâÿçàíî ñ äèàãðàììîé ñîñòîÿíèÿ ñïëàâà. Ê ñòàðåíèþ ñêëîííû ìíîãèå ñïëàâû æåëåçà è ñïëàâû öâåòíûõ ìåòàëëîâ. Ðåçóëüòàòû ñòàðåíèÿ ìîãóò áûòü ðàçíûìè.  îäíèõ ñëó÷àÿõ ñòàðåíèå ÿâëÿåòñÿ ïîëîæèòåëüíûì è åãî èñïîëüçóþò: 1) ïðè òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêå àëþìèíèåâûõ, ìàãíèåâûõ, òèòàíîâûõ è íåêîòîðûõ äðóãèõ öâåòíûõ ñïëàâîâ äëÿ ïîâûøåíèÿ èõ ïðî÷íîñòè è òâåðäîñòè (òåðìè÷åñêîå ñòàðåíèå); 2) äëÿ óïðî÷íåíèÿ äåòàëåé èç ïðóæèííûõ ñòàëåé, êîòîðûå ïðè ýêñïëóàòàöèè äîëæíû îáëàäàòü âûñîêèìè óïðóãèìè ïðî÷íîñòíûìè è óñòàëîñòíûìè ñâîéñòâàìè (äåôîðìàöèîííîå ñòàðåíèå).  äðóãèõ ñëó÷àÿõ ñòàðåíèå ÿâëÿåòñÿ îòðèöàòåëüíûì: ðåçêîå ñíèæåíèå óäàðíîé âÿçêîñòè è ïîâûøåíèå ïîðîãà õëàäíîëîìêîñòè â ðåçóëüòàòå ñòàðåíèÿ (îñîáåííî äåôîðìàöèîííîãî) ìîãóò ÿâèòüñÿ ïðè÷èíîé ðàçðóøåíèÿ êîíñòðóêöèè; óõóäøåíèå øòàìïóåìîñãè ëèñòîâîé ñòàëè; èçìåíåíèå ðàçìåðîâ çàêàëåííûõ äåòàëåé è èíñòðóìåíòà ïðè åñòåñòâåííîì ñòàðåíèè, ÷òî îñáåííî âðåäíî äëÿ òî÷íîãî èçìåðèòåëüíîãî èíñòðóìåíòà è ïðåöèçèîííûõ äåòàëåé (íàïðèìåð, ïîäøèïíèêîâ); ðàçìàãíè÷èâàíèå â ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè ñòàëüíûõ çàêàëåííûõ ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ; ïðåæäåâðåìåííîå ðàçðóøåíèå ðåëüñîâ â ïóòè.

äèàãðàììû). Ïîýòîìó íèçêîóãëåðîäèñòàÿ ñòàëü ñïîñîáíà ïîäâåðãàòüñÿ ïðîöåññó òåðìè÷åñêîãî ñòàðåíèÿ.

-ðàñòâîðå (ðèñ. 38),â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïîâûøàþòñÿ òâåðäîñòü è ïðî÷íîñòü è ïîíèæàåòñÿ ïëàñòè÷íîñòü.

. Âûäåëèâøèåñÿ ÷àñòèöû ñòàíîâÿòñÿ áîëåå êðóïíûìè, ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè óâåëè÷èâàåòñÿ, ÷òî â ìåíüøåé ñòåïåíè ïðåïÿòñòâóåò ïåðåìåùåíèþ äèñëîêàöèé â òâåðäîì ðàñòâîðå è ïîýòîìó òâåðäîñòü ïîíèæàåòñÿ.

Êðîìå óãëåðîäà íà ïðîöåññ ñòàðåíèÿ íèçêîóãëåðîäèñòîé ñòàëè âëèÿåò àçîò, ðàñòâîðèìîñòü êîòîðîãî â à-æåëåçå óìåíüøàåòñÿ ñ ïîíèæåíèåì òåìïåðàòóðû (ñ 0,1% N ïðè 590° Ñ äî 0,004% N ïðè òåìïåðàòóðå 20å Ñ). Ïðè ñòàðåíèè èç ïåðåñûùåííîãî à-ðàñòâîðà âûäåëÿþòñÿ íèòðèäû, íî ïî ñðàâíåíèþ ñ óãëåðîäîì àçîò îêàçûâàåò ìåíüøåå âëèÿíèå íà òåðìè÷åñêîå ñòåðåíèå.

Íàèáîëüøèé ýôôåêò òåðìè÷åñêîãî ñòàðåíèÿ íàáëþäàåòñÿ ó ñòàëåé ñ êîíöåíòðàöèåé óãëåðîäà, ðàâíîé èëè áëèçêîé ìàêñèìàëüíîé ðàñòâîðèìîñòè óãëåðîäà â à-æåëåçå (0,02—0,04% Ñ); íàïðèìåð, òâåðäîñòü æåëåçà òèïà Àðìêî (0,02% Ñ) ïîñëå çàêàëêè è åñòåñòâåííîãî ñòàðåíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ òâåðäîñòüþ â îòîææåííîì ñîñòîÿíèè óâåëè÷èâàåòñÿ íà 175%.

Ñ óâåëè÷åíèåì ñîäåðæàíèÿ óãëåðîäà ñêëîííîñòü ñòàëè ê òåðìè÷åñêîìó ñòàðåíèþ óìåíüøàåòñÿ.

Ïðåäøåñòâóþùàÿ òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà íà ñêëîííîñòü íèçêîóãëåðîäèñòîé ñòàëè ê òåðìè÷åñêîìó ñòàðåíèþ âëèÿåò ñëåäóþùèì îáðàçîì: íàèáîëüøèé ýôôåêò íàáëþäàåòñÿ â ñòàëè, ïîäâåðãíóòîé çàêàëêå, â ìåíüøåé ñòåïåíè ïîñëå íîðìàëèçàöèè, à ïîñëå îòæèãà èëè çàêàëêè è âûñîêîãî îòïóñêà ñòàëü ñòàðåíèþ íå ïîäâåðæåíà.

Äåôîðìàöèîííîå ñòàðåíèå íèçêîóãëåðîäèñòîé ñòàëè. Äåôîðìàöèîííîìó ñòàðåíèþ ïîäâåðæåíà ñòàëü, ïëàñòè÷åñêè äåôîðìèðîâàííàÿ ïðè òåìïåðàòóðå íèæå òåìïåðàòóðû ðåêðèñòàëëèçàöèè. Äåôîðìàöèîííîå ñòàðåíèå îáúÿñíÿåòñÿ òåîðèåé äèñëîêàöèé. Ïðè õîëîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè âîçðàñòàåò êîëè÷åñòâî (ïëîòíîñòü) äèñëîêàöèé, óâåëè÷èâàþùååñÿ ñ ïîâûøåíèåì ñòåïåíè äåôîðìàöèè. Ïðè ñòàðåíèè àòîìû àçîòà è óãëåðîäà, íàõîäÿùèåñÿ â à-ðàñòâîðå, ïåðåìåùàþòñÿ ê äèñëîêàöèÿì, îáðàçóÿ âîêðóã íèõ ñêîïëåíèÿ, íàçûâàåìûå îáëàêàìè (àòìîñôåðàìè) Êîòðåëëà . Ýòè ñêîïëåíèÿ àòîìîâ áëîêèðóþò äèñëîêàöèè, çàòðóäíÿþò èõ ïåðåìåùåíèå ïðè ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè, â ñâÿçè ñ ÷åì òâåðäîñòü è ïðî÷íîñòü ñòàëè ïîâûøàþòñÿ, à ïëàñòè÷íîñòü ïîíèæàåòñÿ.

Ñòàðåíèå ïðîÿâëÿåòñÿ â íèçêîóãëåðîäèñòîé ñòàëè ñðàçó, åñëè äåôîðìàöèÿ åå ïðîèçâîäèòñÿ ïðè òåìïåðàòóðå 200—300° Ñ. Õðóïêîñòü ñòàëè, âîçíèêàþùàÿ íåïîñðåäñòâåííî ïîñëå äåôîðìàöèè â óêàçàííîì òåìïåðàòóðíîì èíòåðâàëå, ñîîòâåòñòâóþùåì ïîÿâëåíèþ íà ïîâåðõíîñòè ñòàëüíîé äåòàëè ñèíåãî öâåòà ïîáåæàëîñòè, íàçûâàþò ñèíåëîìêîñòüþ.

Íà äåôîðìàöèîííîå ñòàðåíèå â îñíîâíîì âëèÿåò àçîò; ìåäü è íèêåëü óâåëè÷èâàþò èíòåíñèâíîñòü äåôîðìàöèîííîãî ñòàðåíèÿ, à àëþìèíèé è êðåìíèé çíà÷èòåëüíî ñíèæàþò åãî ýôôåêò; õðîì, âàíàäèé è òèòàí ïðè îïðåäåëåííûõ êîíöåíòðàöèÿõ èñêëþ÷àþò äåôîðìàöèîííîå ñòàðåíèå.

Ýêîíîìè÷íåå ïðèìåíÿòü ñòàëü, ñîäåðæàùóþ àëþìèíèé. Àëþìèíèé ñâÿçûâàåò àçîò â íèòðèäû, à äëÿ óìåíüøåíèÿ âëèÿíèÿ óãëåðîäà ïðèìåíÿåòñÿ ñïåöèàëüíàÿ òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà äî è ïîñëå äåôîðìèðîâàíèÿ. Òàêîé ñòàëüþ ÿâëÿåòñÿ ëèñòîâàÿ ñòàëü ìàðêè 08Þ (0,02—0,07% À1).

Èçìåíåíèå ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ ïðè äåôîðìàöèîííîì ñòàðåíèè çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû, ñòåïåíè è ñïîñîáà äåôîðìàöèè è äëèòåëüíîñòè ñòàðåíèÿ. Ïðè åñòåñòâåííîì äåôîðìàöèîííîì ñòàðåíèè ïðîöåññ èäåò ìåäëåííî è çàêàí÷èâàåòñÿ ÷åðåç 15 ñóòîê ñ ìàêñèìàëüíûì óïðî÷íåíèåì. Ïðè èñêóññòâåííîì äåôîðìàöèîííîì ñòàðåíèè ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû è âûäåðæêè òâåðäîñòü ñíèæàåòñÿ. Ïà ñêëîííîñòü ñòàëè ê äåôîðìàöèîííîìó ñòàðåíèþ â ïàè áîëüøåé ñòåïåíè âëèÿåò äåôîðìàöèÿ ñæàòèåì ïðè ñòåïåíè äåôîðìàöèè äî 10%.  ñâÿçè ñ íåáëàãîïðèÿòíûì âëèÿíèåì äåôîðìàöèîííîãî ñòàðåíèÿ íà ñâîéñòâà ñòàëè äëÿ íåêîòîðûõ íèç êîóãëå ðîäè ñòûõ ñòàëåé ïðåäóñìîòðåíî ñïåöèàëüíîå èñïûòàíèå íà ñêëîííîñòü ê äåôîðìàöèîííîìó ñòàðåíèþ.

Ñòàðåíèå âûñîêîóãëåðîäèñòîé ñòàëè. Ðàçìåðû äåòàëåé èç çàêàëåííîé âûñîêîóãëåðîäèñòîé ñòàëè (â êîòîðîé ïîñëå íàãðåâà è îõëàæäåíèÿ ïðîèçîøëè èçìåíåíèÿ îáúåìà) ïðè äëèòåëüíîì âûëåæèâàíèè ïðè òåìïåðàòóðå 20° Ñ (åñòåñòâåííîå ñòàðåíèå) ïîñòåïåííî èçìåíÿþòñÿ.

Ñòàáèëèçàöèÿ íàïðÿæåííîãî ñîñòîÿíèÿ äîñòèãàåòñÿ èñêóññòâåííûì ñòàðåíèåì ïðè 125—150° Ñ ñ âûäåðæêîé 25—30 ÷. Îáðàáîòêó öåëåñîîáðàçíî âåñòè â ñëåäóþùåé òåõíîëîãè÷åñêîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè: çàêàëêà, íèçêèé îòïóñê, ïðåäâàðèòåëüíîå øëèôîâàíèå, ñòàðåíèå, ÷èñòîâîå øëèôîâàíèå. Åñëè æåëàòåëüíî ñîõðàíèòü ïîñëå çàêàëêè áîëåå âûñîêóþ òâåðäîñòü, ñòàðåíèå öåëåñîîáðàçíî ïðîâîäèòü ïðè 125—130° Ñ.

) àóñòåíèò ïðè ïîñëåäóþùåé

âûäåðæêå ïðè òåìïåðàòóðå 20° Ñ â ìàðòåíñèò íå ïðåâðàùàåòñÿ.

áëèçêà ê 0° Ñ. Ïîýòîìó äëÿ

ñòàáèëèçàöèè îñòàòî÷íîãî àóñòåíèòà äîñòàòî÷íî îõëàæäåíèå äî òåìïåðàòóð, áëèçêèõ ê 0° Ñ.

Механическое старение

Механическое или деформационное старение — это процесс, протекающий после пластической деформации, если она происходит ниже температуры рекристаллизации. Такое старение развивается в течение 15—16 суток при комнатной температуре и в течение нескольких минут при 200—350 °C. При нагреве деформированной стали возможно образование частиц карбидов и метастабильной нитридной фазы Fe16N2 или стабильного нитрида Fe4N. Развитие деформационного старения резко ухудшает штампуемость листовой стали, поэтому многие углеродистые стали подвергают обязательно испытаниям на склонность их к деформационному старению.

Режимы старения

Чтобы искусственно состарить материал, необходимо знать марку металла или основу, на которой он изготовлен (химический состав). От этого зависит режим выполнения операции. Сюда входит выбор температуры нагрева и время выдержки. Ориентировочные данные указаны в таблице.

Металл или сплав на его основе Температура нагрева, °C Время выдержки, час
Алюминий 100÷235 1÷17
Медь 160÷330 2÷25
Титан 550 1
Магний 170÷180 16
Никель 690÷710 16
Сталь с высоким содержанием углерода 130÷150 25÷30

Операция может выполняться без предварительной закалки заготовок или деталей и с ней. И тут важно правильно подобрать температуру нагрева: она должна быть ниже той, при которой происходила закалка. В любом случае это оговаривается в технологическом процессе по изготовлению той или иной детали, который разрабатывают специалисты на производстве с учетом применяемого оборудования и режимов старения.

Скорость нагрева до температуры, с какой производится операция, особой роли не играет. Однако для алюминия и его сплавов лучше выполнять медленный нагрев. Это повысит прочность изделия.

Старение черных, цветных металлов и их сплавов является распространенным технологическим процессом, позволяющим добиться нужных свойств. Операция должна производиться с учётом структурных и физико-химических особенностей марки металла на качественном оборудовании, специально предназначенном для проведения искусственного старения. Такие печи выпускают отечественные и зарубежные производители в широком ассортименте. Они соответствуют современным требованиям к энергосбережению и безопасности, простоты в управлении и обслуживании. Работают на разных температурных режимах. Многие из моделей могут встраиваться в конвейерные линии, что позволяют повысить производительность труда. Различаются такие печи объемом садки, производительностью, мощностью и наличием дополнительных функций, которые упрощают выполнение такого вида термообработки.

Просим тех, кто занимался вопросами старения и выполнял такие операции, поделиться опытом в комментариях к тексту.

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.