Что такое старение металла: Старение металла, виды, искусственное, естественное, как происходит и от чего зависит

alexxlab | 21.01.2023 | 0 | Разное

Старение сплавов

Старение – это процесс термической обработки закаленного сплава, заключающийся в распаде пересыщенного твердого раствора с выделением частиц избыточной фазы. Данный процесс может протекать как при нормальной температуре – естественное старение, так и при повышенной температуре – искусственное старение.

Процессы старения свойственны как сталям, так и цветным сплавам. Кроме того, во многих цветных сплавах процесс старения протекает по типовой схеме.

После закалки без полиморфного превращения сплав состоит из α-пересыщенного твердого раствора, который находится в неустойчивом состоянии и при повышении температуры (или при нормальной температуре) начинает распадаться. На начальной стадии распада, в определенных местах кристаллической решетки, образуются зоны с повышенной концентрацией, растворенного при закалке, второго компонента. Эти зоны получили название зоны Гинье-Престона (зоны ГП или ЗГП), в честь имени французского (Гинье) и английского (Престон) ученых, обнаруживших данное явление в 1938 году. На начальном этапе ЗГП имеют небольшие размеры и называются зоны ГП-1. При дальнейшем развитии процесса эти зоны начинают расти и достигают размера 20-30 нм в диаметре. Эти зоны называются зонами ГП-2. Особой разницы между ними нет, кроме того, что в зонах ГП-2 атомы находятся в более упорядоченном положении.

Процесс образования и роста зон ГП-1 и ГП-2 называется зонным старением, когда в сплаве еще не выделяется вторая самостоятельная фаза. Образование ГП-1 и ГП-2 часто называют предвыделениями или подготовительной стадией образования (выделения) второй β-фазы. При дальнейшем развитии процесса, в сплаве начинает выделяться вторая фаза. Чаще всего она имеет промежуточные свойства и называется метастабильной β’-фазой. Данный процесс называется фазовым старением. На первоначальном этапе кристаллическая решетка β’-фазы когерентно связана с α-твердым раствором. Через некоторое время и/или при повышении температуры процесса эта когерентность нарушается и метастабильная β’ фаза становится стабильной β фазой, которая чаще всего представляет собой химическое соединение. Дальше происходит сфероидизация и коагуляция (укрупнение частиц) этой фазы. При коагуляции происходит снижение прочностных свойств сплава.

При старении прочность сплава повышается на этапе образования зон ГП и метастабильной β’ фазы, т.к. в этот период возникает максимальное искажение кристаллической решетки α-твердого раствора. Эти искажения, наряду с наличием зон ГП и β’ фазы, блокируют движение дислокаций в сплаве. Чем больше в сплаве зон ГП и β’ фазы, тем большей прочности удается достигнуть при старении. Такое упрочнение называют дисперсионным твердением

Во время сфероидизации и коагуляции β-фазы, прочность сплава снижается. Этот процесс называется перестариванием. Чаще всего целью старения является получение максимальной прочности сплава. Для этого делается полное старение. Когда необходимо получить комплекс прочностных и пластических свойств делается неполное старение на определенную структуру. Неполное старение регулируется температурой процесса и временем выдержки.

Изменение механических свойств сплава во время старения индивидуально и зависит от химического состава и предшествующей термической или пластической обработки. Пример изменения прочности дюралюминия при старении показан на схеме ниже*

Изменение прочности дюралюминия при различных температурах старения

*Источник фото: Учебник Материаловедение, Гуляев А.П., 1986 г., с.484

В общем случае старение сплавов – выделение избыточной фазы протекает по следующей схеме:

ГП1 – ГП2 – β’ – β

 

Старение цветных металлов, сталей и чугунов

В материаловедении старением называется один из распространенных способов варьирования свойствами некоторых видов цветных металлов и сплавов (исключая чугун). В то время как эксплуатационные характеристики могут изменяться в результате термической обработки – закалки или упрочнения, ряд свойств материала, которые были приобретены им в процессе выплавки, модифицируются именно вследствие старения в печах конвекционного типа (см. рис.1).

Тэги:Термообработка

Впервые процесс и температурные режимы его реализации был исследован немецким металлургом Альфредом Вильмом – изобретателем дюралюминия.

Виды и сущность процесса

Различают операции естественного и искусственного старения. Естественным старением называют этап термической обработки алюминиевых сплавов, при котором металл удаляют из закалочной ванны и дают ему набрать прочность при комнатной температуре. Искусственное старение металла производится при повышенной температуре, поэтому изменение прочности происходит за более короткий период времени.

При относительно низких температурах старение металла связывается со временем разложения твёрдых растворов, которое часто останавливается на операции образования так называемых зон Гинье-Престона – небольших участков с кристаллической структурой. Образование этих зон является характерным для алюминиевых сплавов, а также низкоуглеродистой стали или железа, в которых присутствует твёрдый раствор феррита, пересыщенного углеродом или азотом. В ряде случаев зоны Гинье-Престона выполняют роль зародышей фаз разделения.

Термообработка некоторых алюминиевых сплавов старением (по ГОСТ) способствует повышению:

• отношения предела текучести к пределу прочности на растяжение;
• вязкости разрушения;
• усталостной прочности и твёрдости при действии длительных динамических нагрузок.

Для сплавов, которые используются в этих состояниях, относительно высокая концентрация атомов и вакансий, удерживаемых быстрой термообработкой, вызывает быстрое образование зон Гинье-Престона (см. рис. 2). Поэтому прочность быстро увеличивается, достигая максимальных значений при выдержке в течение четырёх или пяти дней.

Естественное старение металла сопровождается некоторыми неблагоприятными эффектами, которые можно значительно уменьшить за счет специального легирования и его термической обработки. В некоторых случаях естественным образом стареющие сплавы могут подвергаться обработке холодом до тех пор, пока не будут выполнены дальнейшие операции. Например, механическое соединение заклёпками значительно легче выполнить для металла меньшей твёрдости.

Искусственное старение относится к такому виду коррозионных испытаний, в которых исходными факторами являются солнечный свет, кислород, тепло и вибрация. В определённых материалах эти явления ускоряют обычное старение металла. Подобные тесты используются для анализа результатов различных уровней механических напряжений в течение короткого промежутка времени.

С термической и химической точек зрения старением металла считаются любые процессы, в результате прохождения которых образуются зоны, перенасыщенные легирующими элементами. Они блокируют дислокации, что делает материал более прочным, твёрдым и менее пластичным. При искусственном старении температура заготовки должна быть ниже точки перекристаллизации, но достаточно высокой, чтобы зоны Гинье-Престона образовывались намного активнее. После этого, чтобы предотвратить дальнейшее разрастание таких зон, заготовку быстро охлаждают.

Рассмотрим специфику протекания данных процессов в наиболее распространённых видах металлов. Отметим, что любая марка сплава, которая поддаётся термообработке на твёрдый раствор, может подвергаться старению.

Алюминий и его сплавы

Алюминий обладает хорошими структурными характеристиками, но легко повреждается царапанием, а со временем (из-за образующейся окиси Al₂O₃) происходит изменение его цвета на светло-серый. Процесс старения металла состоит из четырёх этапов:

• нагрев до температур начала образования твёрдого раствора;
• быстрое охлаждение по линии солидуса, при которой образуется пересыщенный твёрдый раствор;
• вторичный нагрев до промежуточной температуры;
• выдержка при этой температуре и последующее естественное охлаждение (фактически с эффектом частичного отпуска).

Старение используют при изготовлении продукции из деформируемых сплавов В93, В95, Д1 и Д16, а также из литейного алюминия АЛ5 и ковочного АК. Успешнее всего обработке поддаются сплавы, которые образуют силициды магния: такие соединения блокируют дислокации и увеличивают прочность (см. рис. 3).

Медь и ее сплавы

Относительно меди данный процесс выполняют преимущественно с декоративными целями. Ограничением технологии является то, что с повышением твёрдости одновременно увеличивается и хрупкость.

Медь известна уникальным процессом старения под воздействием воздуха и воды, особенно морской. Происходит коррозия металла, при которой кислород воздуха напрямую вступает в реакцию с медью, изменяя внешний слой изделия. Это означает, что без слоя защиты медь естественным образом приобретает так называемую патину (см. рис. 4).

Термин «патинирование» определяет повышение стойкости металла к воздействию ветра, когда на поверхности образуется текстура и цвет, ассоциирующиеся с повышением «возраста» конструкции. Так, например, поступили со всемирно известной Статуей Свободы, см. рис. 5. Патинированные поверхности закрепляют с помощью ингибиторов, которые, способны замораживать текстуру и цвет. Патинирование не препятствует окислению поверхности под действием тепла, влаги и внешних загрязнений, поэтому потребуется периодическая очистка и шлифовка.

Некоторые медные конструкции в местах с интенсивным движением людей фактически делают отделку ярче, поскольку касание рук – причина предотвращения окисления. Масляные пятна усиливают радужные качества, присущие медной поверхности. Патинирование относится к операциям, которые можно сделать в домашних условиях.

Нержавеющие стали

Процессы старения таких типов сталей чаще называют дисперсионным твердением. Некоторые марки нержавейки (не подвергаемые цементации или отпуску) при правильно выбранной технологии получают чрезвычайно высокую прочность и твёрдость (см. рис. 6).

Нержавеющие стали с дисперсионным твердением представляют собой семейство коррозионно-стойких сплавов, некоторые из которых могут подвергаться термообработке для обеспечения прочности на разрыв от 850 МПа до 1700 МПа и предела текучести от 520 МПа до более 1500 МПа. Они используются в нефтегазовой, ядерной и аэрокосмической промышленности, где требуется сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости и низкой, но приемлемой степени ударной вязкости.

Семейство нержавеющих сталей с дисперсионным твердением можно разделить на три основных типа:

• низкоуглеродистые мартенситные;
• полуаустенитные;
• аустенитные.

При старении сталей первого типа мартенситное превращение происходит при низких температурах, обычно около 250 °C, при температуре 480-620 °C прочность дополнительно повышается.

Для состаривания аустенитно-мартенситных сталей после обработки на твёрдый раствор применяют повторное нагревание до 750 °C за 2 часа перед охлаждением до комнатной температуры. Далее некоторые из этих сплавов охлаждают до -50, -60 °C в течение восьми часов, чтобы обеспечить полное превращение в стабильную аустенитную/мартенситную структуру (см. рис.7).

Старение нержавеющих сталей повышает их прочность, сохраняя при этом достаточную ударную вязкость, что важно при формировании сварных соединений. Некоторые из марок дисперсионно твердеющих сталей могут использоваться при криогенных температурах.

Стареть способны также некоторые марки магниевых, титановых и никелевых сплавов. Важно только, чтобы они поддавались термообработке на твёрдый раствор.

Что такое старение металла?

9 июля 2021 г. 9 июля 2021 г. | 10:26

Одним из наиболее распространенных способов изменения характеристик металлического сплава является его старение. Хотя нагрев и закалка или деформационное упрочнение могут изменить характеристики многих металлов, некоторые металлические сплавы преднамеренно предназначены для старения. Старение может изменить физические и эстетические качества сплава, придав ему черты, которые значительно отличаются от его несостаренной формы.

Что такое старение металла?

Старение металла – это процесс, который может происходить искусственно или происходить естественным путем на металлических сплавах, прошедших термообработку на твердый раствор. Естественное старение происходит в течение всего срока службы металлического сплава. Металлические осадки образуются за счет пересыщения легирующих компонентов внутри металлического сплава в процессе естественного старения. Эти выделения препятствуют дислокациям металла, повышая прочность и твердость металлического сплава и снижая его пластичность. Искусственное старение — это метод ускорения развития выделений в металлическом сплаве, нагретом на раствор, со скоростью, значительно превышающей естественное старение. Металлический сплав, подвергнутый термообработке на твердый раствор, искусственно старят, повышая его температуру до уровня ниже температуры рекристаллизации, но достаточно высокого, чтобы ускорить образование осадка. Металлический сплав затем быстро охлаждают, чтобы предотвратить дальнейшее изменение выделений металла после того, как выделения легирующих элементов достигли желаемого размера.

Какие металлы можно состарить?

Различные металлические сплавы, поддающиеся термообработке на твердый раствор, могут подвергаться старению для изменения их физических свойств:
Алюминий: Все алюминиевые сплавы серий 2XXX, 6XXX и 7XXX могут различные формы получают свою силу от искусственного старения. 6061-T6 — один из самых популярных алюминиевых сплавов со старением. В форме -T6 он содержит осадки силицида магния, которые предотвращают дислокации и существенно повышают прочность и твердость.
Нержавеющая сталь: Из-за осаждения металлического сплава в их структуре, 17/10P, 17/4PH и 17/7PH представляют собой несколько типичных сплавов нержавеющей стали, которые обладают исключительно высокой прочностью и твердостью при соответствующем старении.
Медные сплавы: Медно-бериллиевые сплавы С17200 и С17300 широко используются в промышленности. Медь, которая, как известно, является мягкой и пластичной, на самом деле может быть довольно твердой, прочной и хрупкой при правильном легировании компонентов и методах старения.
Другие металлические сплавы: Если в их химическом составе есть легирующие компоненты, которые делают их пригодными для термообработки на твердый раствор, такие металлы, как титан, никель и магний, а также ряд других, могут подвергаться старению.

Перестаривание

Перестаривание возникает при старении металлического сплава, независимо от того, происходит ли оно естественным или искусственным путем. Это происходит, когда размер преципитатов изменяется в результате процесса старения, который осуществляется за пределами той точки, в которой это полезно для применения. Это часто приводит к потере прочности и твердости. Сварка или холодная обработка металла – два типичных метода для достижения этой цели. Чтобы гарантировать сохранение необходимых механических характеристик, важно оценить, нужно ли повторно подвергать термообрабатываемый на твердый раствор металл искусственному старению с использованием одной из этих двух процедур.

Piping Mart

Pipingmart – это портал B2B, специализирующийся на промышленных, металлических и трубопроводных изделиях. Кроме того, делитесь последней информацией и новостями, касающимися продуктов, материалов и различных типов марок, чтобы помочь бизнесу в этой отрасли.

Старение металла | Zahner — Инновации и сотрудничество для достижения невероятного

РЕСУРСЫ

Процесс старения различных металлов

Многие из основных строительных металлов со временем физически трансформируются. При взаимодействии природных условий окружающей среды с металлом его поверхность меняет текстуру и цвет. Первоначально формируется основной оксидный слой. Оксидный слой быстро превращается в гидроксид. Вскоре после этого слой гидроксида начинает соединяться с другими элементами в атмосфере. В итоге поверхность металла имеет стабильный минеральный состав, очень устойчивый к дальнейшим изменениям. Этот процесс старения проявляется в природном алюминии, меди и медных сплавах, свинце, стали и цинке.

Инженеры Zahner создали ряд поверхностей, которые усиливают процесс атмосферного воздействия, чтобы придать металлической поверхности текстуру и цвет, желаемые клиентами. Для внутренних работ эти патинированные поверхности можно зафиксировать с помощью ингибиторов, которые практически заморозят текстуру и цвет при определенном состоянии патины.

Наружные применения более сложны, потому что сочетание тепла, влаги и загрязнения приводит к тому, что металлические поверхности продолжают изменяться. Можно принять определенные меры, чтобы отсрочить этот переход, и некоторые патинированные поверхности более устойчивы, чем другие.

МУЗЕЙ ДЕ ЯНГА, ОТ НЕОБРАБОТАННОЙ МЕДИ ДО ВЫВЕЗДЕННОЙ МЕДИ.

Выше показано патинирование металлической поверхности в Музее де Янга, проект, который Захнер завершил в 2005 году. Первоначально архитекторы хотели придать музею светло-золотистый оттенок, но это намерение эволюционировало по мере развития разговора, и команда дизайнеров хотела, чтобы музей слился с лесным окружением и появился как древняя местная структура.

Захнер помог принять это решение. Сторонники целостности, устойчивости и эволюции меди, мы попросили клиентов немного поверить в материал, объяснив, что со временем он перейдет от яркого золотисто-красного к темно-коричневому, к черному и, наконец, он медленно превратится в землистую зелень.

Другие металлы, установленные снаружи, такие как патина цинка и стали, сохраняют свой цвет с течением времени, слегка темнея или светлея в некоторых случаях в зависимости от погоды, загрязнения и близости к воде.

Результаты далеки от статического окрашенного внешнего вида; Отделка Zahner, как правило, отражает естественную красоту металла и окружающих его элементов. Закрашивать желтизну, трещины, отслоения и царапины довольно легко. Поверхности из натурального металла стареют более изощренно, увеличиваясь и углубляясь по интенсивности.

Нержавеющая сталь в сравнении с алюминием

Эти два металла в чем-то похожи внешне, но их поведение во времени не может отличаться друг от друга. Нержавеющая сталь — потрясающий материал благодаря своей способности сохранять свой внешний вид в течение десятилетий, в то время как алюминий имеет хорошие структурные характеристики, но в качестве готовой поверхности он менее чем желателен.

Алюминий легко царапается и со временем белеет. Поверхность алюминия становится мутной под воздействием дождя и солнца. Поэтому Zahner редко использует этот материал в качестве готовой поверхности, вместо этого используя материал из-за его структурных свойств.

Отпечатки пальцев на металле

Подобно стеклу, на отражающих металлических поверхностях остаются отпечатки пальцев. Как и стекло, эти поверхности можно чистить. Масла с рук людей могут пропитаться металлическими поверхностями, но с помощью подходящего чистящего средства многие из этих поверхностей можно очистить.

Как правило, если поверхность будет находиться в зоне с интенсивным движением, мы рекомендуем предварительно состаренную поверхность, например предварительно состаренную цинковую, которая представляет собой серию матовых поверхностей, на которых меньше остаются отпечатки пальцев.

В некоторых случаях отпечатки пальцев на металле действительно желательны. Например, использование некоторых медных материалов в местах с интенсивным движением действительно осветлит отделку, поскольку руки людей предотвращают окисление меди.