Старение (металлургия)

Процесс естественного старения был открыт и широко исследован в Европе и США в первой половине ХХ века. Пионером в этой области стал немецкий инженер Альфред Вильм, который в 1906 г., обнаружил, что вылёживание закалённого сплава алюминия с медью и магнием (дюралюминий) при комнатной температуре приводит к повышению твёрдости. В последующте десятилетия наибольший вклад в развитие естественного старения внесли американские исследователи Мерика, Вальтенберг и Скотт, немецкие учёные Вассерман и Вирте, а также француз Гинье и англичанин Престон. Их исследования подтвердили, что старение связано с переменной растворимостью избыточной фазы сплавов, а упрочнение в ходе этого процесса обусловлено образованием дисперсных выделений при распаде пересыщенного твёрдого раствора. Таким образом, исходная теория Мерики в основе своей оказалась правильной и была в дальнейшем дополнена новыми тезисами^[4].

Для сплавов на основе железа старение происходит в температурном диапазоне 20—300 °C с последующей выдержкой от нескольких часов до нескольких лет. При этом по ме­ре пе­ре­хо­да со­дер­жа­щих­ся в этих сплавах азота и углерода в сегрегации (химические неоднородности) и их выделения на дислокациях повышается предел текучести.

Такие процессы, протекающие без заметного изменения микроструктуры, имеют место чаще всего для низкоуглеродистых сталей (содержащих менее 0,25 % С). Механические свойства таких сталей изменяются в этом случае следующим образом: прочность и хладноломкость повышаются за счёт скопления атомов углерода на дислокациях или выделения из феррита избыточных фаз, а сопротивление хрупкому разрушению снижается. Легирование стали такими элементами как алюминий, титан или ванадий уменьшает возможности старения для стали^[3].

В ходе старения могут протекать неблагоприятные процессы, которые ухудшают пластичность и вязкость, а также свойства поверхностного слоя из-за износа или коррозии. Для предотвращения отрицательного эффекта старения металла могут помочь обезуглероживание и деазотирование или связывание их в карбиды или нитриды. При необходимости можно проверить металл на склонность к старению с помощью экспресс-контроля. Такой контроль основан на сравнении ударной вязкости до и после холодной деформации с выдержкой при 250 °C^[3].

Старение (дисперсионное твердение) — это основной способ упрочняющей термической обработки не только для сталей, но также и для сплавов на основе цветных металлов (Al, Mg, Cu, Ni и др.). Повышение прочности достигается за счёт выдержки таких сплавов ниже температуры предшествующей закалки и выделения из твёрдого раствора дисперсных (0,01—1 мкм) включений.

Для алюминиевых сплавов этот процесс разделяют на четыре стадии. На первой из них в сплавах возникают зоны Гинье — Престона, в которых за счёт повышенной концентрации легирующих элементов имеет место сильное искажение кристаллической решётки (стадия зонного старения). Следующая стадия фазового старения сопровождается повышением температуры старения и/или увеличением его длительности, в ходе чего в алюминиевом сплаве возникают метастабильные фазы. На третьем этапе (стадия коагуляции) в метастабильных фазах появляются более крупные частицы, которые в дальнейшем, на последнем этапе, обособляются и ещё более укрупняются (стадия отжига)^[5].

При этом каждой стадии старения алюминиевых сплавов присущ свой комплекс механических свойств. Так, для зонного старения характерен относительно низкий предел текучести (с отношением его к пределу прочности порядка 0,6—0,7) и сравнительно высокое относительное удлинение (более 10—15 %), в то время как для фазового старения отмечают более высокое соотношение пределов текучести и прочности (0,9—0,95) и пониженную вязкость. Отмечается, что на стадии коагуляции (перестаривания) прочностные свойства достигают максимума, а затем снижаются, при этом значительно повышается сопротивление коррозии под напряжением^[5].

Естественное старение происходит при термической обработки после закалки, в результате процесса изотермической выдержки через полиморфное превращение и приводит к дисперсионному упрочнению или твердению, а также к снижению пластичности и ударной вязкости. При комнатной температуре естественное старение развивается в течение 15—16 суток, а при повышенной температуре (200—350 °C) — в течение нескольких минут^[1][2].

Достаточно часто применяют не однократное, а двухступенчатое (двойное) старение. При этом выдержка на каждой стадии проходит при разных температурах. Как правило, температура первой ступени является ниже, чем температура второй. В производственных условиях нередко возникают ситуации, когда не получается загрузить изделия в печи для искусственного старения сразу после закалки. Таким образом, возникает неизбежный перерыв между закалкой и искусственным старением, причём этот перерыв порой оказывается весьма длительным. Получается, что подобное незапланированное естественное старение предшествует искусственному, а последнее реально становится высокотемпературной ступенью двойного старения. Такое незапланированное естественное старение после закалки называют вылёживанием^[4].

Искусственное старение протекает при нагреве и сопровождается образованием зон с метастабильными и/или стабильными фазами^[2]. В зависимости от режима, структурных изменений и получаемого комплекса свойств искусственное старение можно подразделить на полное, неполное, коагуляционное (перестаривание) и стабилизирующее^[4].

• Полное искусственное старение проводят при такой температуре нагрева и длительности выдержки, которые обеспечивают максимальную прочность.
• Неполное искусственное старение осуществляют или при более низкой температуре и с более короткой выдержкой (по сравнению с полным старением), это позволяет получить относительно высокую прочность при достаточном уровне пластичности.
• Коагуляционное старение (перестаривание) — это процесс, проводимый при повышенной температуре или большей выдержке (по сравнению с полным старением), оно имеет целью получить оптимальную комбинацию высоких прочности, пластичности, коррозионной стойкости, электропроводности и других свойств. Такое сочетание достигается благодаря большей степени распада твёрдого раствора и коагуляции выделений.
• Стабилизирующее старение — это разновидность перестаривания, основной целью которого является не достижение каких-либо свойств и размеров изделия, а их стабилизация.

Практикуется также такое искусственное старение, которое осуществляется в несколько этапов (ступеней), каждая из которых характеризуется своей, специально подобранной температурой изотермической выдержки^[2].

С другой стороны, в зависимости от факта проведения процессов пластической деформации после закалки, искусственное старение подразделяют на два других основных вида: термическое, или закалочное (только нагрев и выдержка) и деформационное, или механическое (с предшествующей холодной деформацией).

Термическое старение — это процесс упрочнения металла или сплава за счёт дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твёрдого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений. Большое влияние в ходе этого процесса для сталей имеют изменения растворимости углерода избыточной фазы в α-железе в зависимости от температуры.

В низкоуглеродистой стали в ходе ускоренного охлаждения с температуры 650—700 °C выделение третичного цементита задерживается, в результате чего при достижении нормальной температуры фиксируется пересыщенный мартенсит. В ходе старения стали возможно и выделение из твёрдого раствора нитридов железа. Что касается высокоуглеродистых сталей, то в них не происходит самостоятельное выделение карбидов, поскольку перлитном превращении активирует большое количество цементитных частиц. Выделившиеся из феррита карбиды, нитриды и другие фазы препятствуют движению дислокаций, благодаря чему повышается прочность^[6].

Деформационное старение — это процесс, протекающий после пластической деформации, проходящей ниже температуры рекристаллизации. При нагреве деформированной стали возможно образование частиц карбидов и метастабильных (стабильных) нитридных фаз. Деформационное старение может резко ухудшает штампуемость листовой продукции, поэтому многие углеродистые стали обязательно предварительно подвергают испытаниям на их склонность к такому процессу^[6]. В отличие от термического старения, деформационное старение всего марочного сортамента углеродистых сталей может проходить и при низком содержании примесных атомов в твёрдом растворе^[3].

На практике встречается динамическое деформационное старение металла — процесс, протекающий непосредственно в ходе пластической деформации ниже температур рекристаллизации; такую «тёплую» деформацию используют чаще всего для дополнительного упрочнения продукции, например пружинной проволоки и ленты^[3]. Ещё один вариант механического старения сталей — термодеформационное старение, то есть одновременное протекание как термического, так и деформационного старения^[6].