Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Старение металлов

Конструкторы и технологи обязаны знать, что металлические материалы могут стареть. Это старение выражается в том (и это очень важно для их применения), что они при определенных обстоятельствах теряют свою вязкость. Это более всего касается латуни и сталей с содержанием углерода менее 0,6%. Самые большие изменения обнаруживаются у стали с содержанием углерода менее 0,2% во время ее холодной прокатки или рихтовки листов или профилей. Такие процессы формоизменения, как гибка, отбортовка, окантовка, вытяжка, обжатие, также вызывают пластичные деформации, что приводит к выделению азота и углерода. Это выделение изменяет характер поведения материала. После этих вынужденных деформаций говорят о так называемом формовочном старении или наклепе. В первую очередь оно вызывает изменение механических свойств материала. Так, пределы прочности и текучести возрастают на 30%, а способность к формованию уменьшается на 15%.

На  131 показано, как меняется вид диаграммы напряжение-растяжение для склонной к старению стали после ее холодной прокатки. Кривая а относится к еще необработанному материалу с характерной областью течения вблизи предела текучести. На кривой б вследствие произведенной обработки это ярко выраженное течение отсутствует. Вместо предела текучести теперь для характеристики перехода от упругого к пластичному поведению появляется другой показатель. Кривая с характерна для склонной к старению стали, которая долгое время находилась при комнатной температуре или несколько часов при 200-250 °С. Мы видим уже упоминавшийся необратимый рост значений пределов текучести и прочности. При определенных нагрузках, впрочем, опять появляется область ярко выраженного течения. Эти изменения,  вопреки  всем   представлениям о старении, кажутся на первый взгляд положительными.     Увеличившаяся     упругая область и повысившийся предел прочности говорят    об    улучшении    прочностных свойств. Однако на размышления наводит ограниченное      пластичное      изменение формы, что указывает на хрупкость материала и уменьшение его вязкости.

Это можно доказать, если исследовать вязкое поведение нового и состарившегося материала. Важнейшим методом для доказательства старения считается ударное испытание образца на изгиб. Речь идет о способе испытаний, при котором надрезанный образец с помощью маятникового копра подвергается ударной нагрузке, а затем вычисляется затраченная на это работа. Руководство к испытанию предписывает использование искусственно состаренного материала. После 10%-ной вытяжки или обжима образец прокаливают в течение 1 или 2 часов при 250 °С. В результате можно установить, значительно ли отличаются кривые зависимости ударной вязкости от температуры для состарившегося материала от аналогичных кривых для нового. Старение сдвигает участок резкого возрастания ударной вязкости в область более высоких температур ( 132). Важно добиться, чтобы этот рост лежал в области как можно более низких температур. Кроме того, у состарившихся материалов меньше и сами значения ударной вязкости.

Конструктору подобные результаты говорят о том, что применение материала ограничено. Материалы с небольшой вязкостью при ударных нагрузках, при многоосных напряжениях и при низких температурах склонны к хрупкому поведению. Это значит, что конструкция может внезапно отказать без предварительных признаков, то есть без больших деформаций. При достаточной пластичности материал может легко менять свою форму, деформироваться, снимая или выравнивая при этом в определенном объеме критические напряжения.

Ответственность за явления старения у нелегированных сталей с низким содержанием углерода несут углерод и азот. Они при повышенных температурах очень мало растворимы в ос-железе, а при комнатной температуре вообще нерастворимы. При 723 °С углерод растворяется в железе в количестве 0,02%, а азот-0,1%. Ввиду этого для ликвидации вынужденного состояния пересыщения и азот, и углерод стремятся с понижением температуры к выделению. Этот процесс напоминает явления, происходящие в растворе соли, растворимость которой повышается с ростом температуры. Чем горячее жидкость, тем больше соли она может растворить без остатка. Если медленно охлаждать насыщенный раствор, то начинается постепенное выпадение кристаллов соли. Тем самым вновь достигается соответствующая температуре степень растворимости. Пересыщение исчезает.

При охлаждении жидких сплавов металлов перед стремлением азота и углерода высвободиться возникает много препятствий. По мере понижения температуры все более затрудняются процессы перемены мест в решетке, а при застывании выделение протекает особенно вяло. Таким образом, при быстром охлаждении, например при закалке из раскаленного состояния, возникают пересыщенные твердые растворы. В нашем случае азот и углерод остаются растворенными в а-железе. Как мы уже пояснили, это вынужденное состояние пересыщения является нестабильным. Избыточные составные части с течением времени опять стремятся высвободиться, причем им приходится протискиваться через прочно связанную решетку металла. Если такие выделения в виде нитрида и карбида железа приобретут критические размер и концентрацию, то материал начнет проявлять хрупкость. Так как в твердой металлической решетке все достойные внимания ближайшие места уже заняты, то выделившиеся с запозданием соединения могут поселиться только в случайных пропусках в решетке. Они появляются в основном на границах участков и затрудняют процессы изменения формы. Описанные процессы выделения являются диффузионными и очень сильно зависят от времени и температуры. Они ускоряются при повышенных температурах, а при комнатной протекают очень медленно. В последнем случае говорят о естественном старении материалов. Искусственное старение возникает тогда, когда быстро охлажденную сталь снова нагревают до значительных температур. Таким образом, уже через несколько минут можно судить, в чем проявляется старение.

Этот рассматриваемый нами метод называют в техническом лексиконе закалочным старением. В повседневной практике возникновению таких зависящих от температуры процессов выделения азота и углерода у нелегированных сталей способствует, например, зонный нагрев при сварке. Еще одним проявлением старения является так называемая синехрупкость или синеломкость сталей, появляющаяся, когда процессы формования ведутся в температурном интервале от 250 до 350 °С. (Название произошло от цвета поверхностей разлома.)

Итак, мы рассмотрели основные формы старения металлических материалов. В отличие от полимеров, для которых понятие старения является более комплексным, у металлов речь идет в первую очередь о снижении вязкости материалов.