Искусственное старение (металлургия)

Для низкоуглеродистых сталей искусственное старение проводится в температурном диапазоне 20—300 °C с последующей выдержкой от нескольких часов до нескольких лет. При этом со­дер­жа­щие­ся в сплавах азот и углерод пе­ре­хо­дят в сегрегации и выделяются в виде избыточных фаз из феррита на дислокациях, что приводит к повышению предела текучести. Следствием этого являются повышение прочности и хладноломкости, снижение сопротивления хрупкому разрушению и ухудшение пластичности. Кроме того, имеет место нарушение поверхностного слоя за счёт износа или коррозии. Для предотвращения отрицательного эффекта старения металла в «нестареющих сталях» понижают содержание углерода и азота или связывают их в соединения (карбид титана, нитрид железа или алюминия и др.)^[4].

Искусственное старение — это также основной способ упрочняющей термической обработки и для цветных металлов (Al, Mg, Cu, Ni и др.). Оно проводится при выдержке сплава ниже температуры предшествующей закалки с целью выделения из твёрдого раствора дисперсных (0,01—1 мкм) включений, что приводит к повышению прочности.

Искусственное старение для алюминиевых сплавов разделяют на четыре стадии. Первая стадия — зонное старение (сильное искажение кристаллической решётки за счёт повышенной концентрации легирующих элементов), при этом имеет место относительно низкий предел текучести (с его отношением его к пределу прочности 0,6—0,7) и сравнительно высокое относительное удлинение (более 10—15 %). Вторая стадия — фазовое старение (возникновение метастабильных фаз с повышением температуры старения и/или увеличением его длительности), здесь отмечается более высокое соотношение пределов текучести и прочности (0,9—0,95) и пониженная вязкость. Третья стадия — это коагуляционное старение или коагуляция (образование и обособление более крупных частиц), в ходе этого этапа (его называют также перестариванием) прочностные свойства алюминиевых сплавов достигают максимальных значений, а затем снижаются, и при этом значительно повышается сопротивление коррозии под напряжением. Четвёртая стадия называют отжигом, в ходе неё происходит окончательное упрочнение^[5].

В зависимости от режима, структурных изменений и получаемого комплекса свойств искусственное старение можно классифицировать на четыре вида:

• полное старение;
• неполное старение;
• коагуляционное старение (перестаривание);
• стабилизирующее старение.

Полное старение проходит при такой температуре нагрева и длительности выдержки, которые обеспечивают достижение максимальной прочности. Неполное старение идёт при более низкой температуре и/или с более короткой выдержкой (по сравнению с полным) для получения относительно высокой прочности при достаточной пластичности. Коагуляционное старение (перестаривание) проводится при повышенной температуре или большей выдержке (также по сравнению с полным старением) и имеет целью получить оптимальное сочетание высоких прочности, пластичности, коррозионной стойкости, электропроводности и других свойств. Стабилизирующее старение — это разновидность перестаривания, направленная на стабилизацию свойств и размеров изделия^[3].

На практике также применяют многоступенчатое искусственное старение, каждая из ступеней которого характеризуется своей температурой изотермической выдержки^[4].

Наиболее распространённым видом такой термической обработки является двухступенчатое (двойное) старение с выдержкой вначале при одной, а затем при другой температуре, при том, что температура первой ступени ниже, чем температура второй. Основная цель такого многоступенчатого старения — создать большое число центров выделений ещё на первой, низкотемпературной ступени, когда пересыщенность твёрдого раствора велика, а затем на второй, высокотемпературной ступени обеспечить необходимый распад раствора и оптимальный размер выделений. Это позволяет достичь более высокой плотности и однородности распределения выделений, чем в ходе одноступенчатого старения при повышенной температуре^[3].

Следует отметить, что 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. В таких случаях на первой ступени имеет место естественное старение, а обычное искусственное старение фактически становится высокотемпературной ступенью двойного старения^[3].

С другой стороны, искусственное старение подразделяют на два основных вида в зависимости от проведения процессов пластической деформации после закалки:

• термическое, или закалочное (только нагрев и выдержка);
• деформационное, или механическое (с предшествующей холодной деформацией).

Термическое старение протекает в результате изменения растворимости углерода в α-железе в зависимости от температуры. Такое старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твёрдого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений. В ходе этого процесса повышаются прочность и твёрдость, но одновременно резко снижается ударная вязкость и увеличивается порог хладноломкости. Повышение прочности при термическом старении связано с тем, что выделившиеся из феррита карбиды, нитриды и другие фазы создают препятствия для движения дислокаций^[6].

На практике чаще всего применяется деформационное старение, происходящее после или в процессе пластической деформации за счёт взаимодействия примесных атомов с дефектами кристаллической решётки (возникающими при этой деформации)^[2]. Деформационное старение, как и термическое, повышает прочность и твёрдость при одновременном значительном снижении ударной вязкости и увеличении порога хладноломкости. При этом основное упрочнение, по всей видимости, обусловлено не выделением избыточных фаз, а взаимодействием примесей (атомов углерода и азота) со скоплениями дислокаций, что затрудняет их движение^[6]. В отличие от термического (закалочного) старения, этот процесс может происходить при низком содержании примесных атомов в твёрдом растворе и практически для всего диапазона углеродистых сталей^[4].

В сталях возможно также термодеформационное старение, то есть одновременное протекание как термического, так и деформационного старения^[6].