Естественное старение (металлургия)

Процесс естественного старения был открыт и широко исследован в первой половине ХХ века.

В 1906 г. немецкий инженер Альфред Вильм открыл явление естественного старения, обнаружив, что вылеживание закалённого сплава алюминия с медью и магнием (дюралюминий) при комнатной температуре приводит к повышению твёрдости. На базе этого открытия Вильм получил патент на процесс закалки сплавов с последующим естественным старением, в результате которого повышаются твёрдость, предел прочности и предел текучести.

Следующий этап развития процесса старения наступил в 1919 г., когда американские исследователи Мерика, Вальтенберг и Скотт опубликовали статью, в которой впервые был дан анализ природы старения дюралюминия, согласно которому его старение связано с переменной растворимостью соединения СиАl₂ в алюминии. В 1921 г. Джеффрис и Арчер развили гипотезу дисперсионного твердения Мерика и предложили общую теорию упрочнения сплавов дисперсными частицами любого происхождения. Согласно этой теории, существует некоторая критическая степень дисперсности твёрдых частиц, соответствующая максимальным значениям твёрдости и прочности и легко достигаемая при распаде пересыщенных твёрдых растворов.

В 1932 г. Мерика, на основе анализа новых экспериментальных результатов, развил свои прежние объяснения механизма упрочнения при старении. Он предположил, что вследствие диффузии в пересыщенном твёрдом растворе образуются скопления атомов меди, не обособленные от решётки матрицы поверхностями раздела. Эти скопления обусловливают местное сжатие решётки, затрудняя скольжение при пластической деформации и вызывая упрочнение. Новые постулаты Мерика подтвердились в 1936 г., когда немецкие исследователи Вассерман и Вирте на стадии максимального упрочнения сплавов Аl—Си рентгенографически обнаружили образование в пересыщенном растворе промежуточной фазы, и в 1938 г., когда Гинье во Франции и Престон в Англии независимо друг от друга объяснили диффузное рассеяние естественно состаренных монокристаллов Аl—Си как результат образования в пересыщенном растворе малых областей, обогащённых медью.

Таким образом, исходное положение теории Мерика о том, что старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате образования дисперсных выделений при распаде пересыщенного твёрдого раствора, в основе своей оказалось правильным, и оно было в дальнейшем дополнено положениями о роли предвыделений и промежуточных фаз^[3].

Для сплавов на основе железа старение проводится в температурном диапазоне 20—300 °C с последующей выдержкой от нескольких часов до нескольких лет. При этом происходит повышение предела текучести по ме­ре пе­ре­хо­да со­дер­жа­щих­ся в спла­вах азота и углерода в сегрегации (химические неоднородности) и их выделения на дислокациях. При комнатной температуре естественное старение развивается в течение 15—16 суток, а при температуре 200—350 °C — в течение нескольких минут^[4].

Такие процессы без заметного изменения микроструктуры характерны, главным образом, для низкоуглеродистых сталей (содержащих менее 0,25 % С). За счёт скопления атомов углерода на дислокациях или выделения избыточных фаз из феррита (карбидов, нитридов) повышаются прочность и хладноломкость, но снижается сопротивление хрупкому разрушению. Легирование стали алюминием, титаном или ванадием понижает склонность стали к старению^[3].

Также закалка и естественное или искусственное старение используются для упрочнения алюминиевых сплавов с обеспечением достаточного уровня пластичности, трещиностойкости и сопротивления усталости^[5].

В производственных условиях не всегда можно загрузить изделия в печи для искусственного старения сразу после закалки, то есть между закалкой и искусственным старением неизбежен перерыв, иногда весьма длительный. Таким образом, естественное старение (даже если оно специально не планируется) обычно предшествует искусственному, которое фактически становится в этих условиях высокотемпературной ступенью двойного старения. Такое «непланируемое» естественное старение после закалки называют вылёживанием^[3].