Старіння металів
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Старіння металів

Старіння металів, зміна механічних, фізичних і хімічних властивостей металів і сплавів, обумовлене термодинамічною нерівнованістю вихідного стану і поступовим наближенням структури до рівноважного стану в умовах достатньої дифузної рухливості атомів. При швидкому охолоджуванні від високих температур (при гарту або після кристалізації і гарячою пластичною деформації) метали і сплави повністю або частково зберігають атомну структуру, характерну для високотемпературного стану. У чистих металах нерівномірність цієї структури полягає в надлишковій (для низьких температур) концентрації вакансій і наявності ін. дефектів кристалічної структури. У сплавах нерівнованість структури може бути пов'язана із збереженням фаз, нестійких при низьких температурах. Найбільш важливе старіння сплавів, обумовлене процесами розпаду пересиченого твердого розчину . Стан пересичення твердого розчину виникає після охолоджування сплавів від високих температур, оскільки зазвичай з підвищенням температури розчинність домішок (або легуючих елементів, що спеціально вводяться) зростає.

загрузка...

  Є велике число сплавів, для яких старіння проводиться як спеціальна операція термічної обробки і забезпечує здобуття комплексу важливих механічних або фізичних властивостей. Старіння, або «дисперсійне тверднення», — основний спосіб що зміцнює термічну обробки сплавів на основі Al (див. Алюмінієві сплави ), Mg, Cu, Ni. Окрім високої міцності, старіючі сплави можуть набувати і ін. коштовні властивості, наприклад високу коерцитівную силу.

  При чималій мірі пересичення твердий розчин виявляється повністю нестабільним і його розшарування йде у всій масі матеріалу з освітою спочатку неоднорідного твердого розчину з безперервно змінним складом, а потім періодично розташованих часток з чіткими кордонами розділу. Розпад такого типа називається спінодальним і спостерігається в ряду технічно важливих сплавів (сплави для постійних магнітів типа куніфе). Загальнішим для старіючих сплавів є метастабільний стан твердого розчину, розпад якого повинен йти шляхом освіти і зростання зародків нової фази, а процес зародження вимагає подолання енергетичного бар'єру. Цей бар'єр виявляється істотно зниженим при утворенні когерентних часток, тобто часток, в яких кристалічна решітка пружно зв'язана з гратами вихідного твердого розчину. При порівняно низьких температурах розпад твердих розчинів часто зупиняється на стадії утворення зон — вельми дисперсних областей, збагачених надлишковим компонентом і що зберігають кристалічну структуру вихідного розчину, вперше виявлених по ефектах дифузного розсіяння рентгенівських променів (зони Гинье — Престона). За допомогою електронної мікроскопії зони Гинье — Престона спостерігали в сплавах Al — Ag у вигляді сферичних часток діаметром ~10Å, у сплавах Al — Cu — у вигляді пластин товщиною порядку періодів грат (<10Å). Утворення зон характерне для т.з. природного старіння, яке протікає при кімнатних температурах в разі сплавів на основі Al, а також низковуглецевої сталі або технічного заліза, де є твердий розчин ( ферит ), пересичений вуглецем або азотом. В деяких випадках зони можна розглядати як зародки фази виділення.

  Поняттю «Природне старіння» протиставляється «штучне старіння», яке в разі алюмінієвих сплавів (історично перших матеріалів, що зміцнюються старінням) проводилося при підвищених температурах (вище 100°С); у сучасній літературі замість цих термінів частіше використовуються терміни «низькотемпературне старіння» і «високотемпературне старіння». У зв'язку з відмінностями процесу розпаду в різних температурних інтервалах для деяких сплавів оптимальний комплекс властивостей досягається після складного старіння в певній послідовності при низькій і при вищою температурах.

  Розрізняють 2 основних механізму розпаду пересиченого твердого розчину: безперервний, який йде шляхом освіти і зростання окремих зародків — часток фази, що містить надлишковий компонент твердого розчину, і переривистий (або комірчастий), при якому виникають і зростають вічка або колонії, що складаються зазвичай з рівноважних фаз — нової фази, збагаченої надлишковим компонентом, і збідненого (рівноважного) твердого розчину. У першому випадку частки утворюються за всім обсягом і їх зростання супроводиться поступовим і безперервним збідненням матричного твердого розчину. У другому випадку відбувається рух кордону розділу колонія — неперетворена область твердого розчину. Колонії мають зазвичай пластинчасту будову, зароджуються на кордоні зерна, і їх рухомий фронт є рухливим висококутовим кордоном із зерном вихідного твердого розчину.

  При розпаді твердих розчинів в умовах високої концентрації дефектів кристалічної будови ( дислокацій і ін.), які створюються передуватиме. сильною холодною деформацією, набувають особливо високих значень міцності (див. Термомеханічна обробка металів). Процеси розпаду твердих розчинів можуть приводити і до небажаних змін властивостей сплавів, наприклад до погіршення пластичності і окрихчування низковуглецевої котельної стали, до збільшення коерцитівной сили і втрат на перемагнічування електротехнічного заліза. Деякі сплави схильні до т.з. «деформаційному старінню». Порівняно слабка холодна пластична деформація, сама по собі не що дуже сильно міняє властивості матеріалу, істотно прискорює процеси розмежування компонентів твердого розчину, які приводять до утворення сегрегатов (а потім виділень) біля дислокацій. Цей сумарний ефект деформації і старіння («деформаційне старіння») різко погіршує в'язкість і пластичність сплавів, що особливо небажано для матеріалів, що піддаються глибокому штампуванню (наприклад, листова сталь для автомобілебудування). Спеціальним легуванням і термічною обробкою можна істотно понизити шкідливі ефекти старіння.

  Літ.: Ськаков Ю. А., Старіння металевих сплавів, в збірці: Металознавство (Матеріали симпозіуму), М., 1971; Захарова М. І., Атомно-кристалічна структура і властивості металів і сплавів, М., 1972; Новіков І. І., Теорія термічної обробки металів, М., 1974: Тяпкин Ю. Д., Гаврілова А. Ст, Старіння сплавів, в збірці: Підсумки науки і техніки. Серія Металознавство і термічна обробка металів, т. 8, М., 1974.

  Ю. А. Ськаков.