5. Старение материалов

5.1. Старение материалов и сплавов

Старением материалов называют процессы изменения их физико-механических свойств во времени в условиях длительного хранения и эксплуатации. Обычно старение обусловлено недостаточно стабильным (неравновесным) состоянием материала и переходом его в стабильное (равновесное) состояние. Этот переход может быть связан со структурными превращениями или представляет собой релаксационной процесс.

При старении может происходить как ухудшение, так и улучшение определенных свойств материалов или нередко – улучшение одних свойств при одновременном ухудшении других. Иногда применяют искусственное старение материалов с целью улучшения или стабилизации некоторых их характеристик.

Металлические сплавы могут представлять собой химические соединения, твердые растворы внедрения или замещения и металлические соединения, являющиеся благодаря особенности металлического состояния вещества (час-тичному обезличиванию атомов различных металлических элементов при их

29

взаимодействии) промежуточной фазой между химическими соединениями и твердыми растворами.

К основным видам превращений в твердом состоянии относятся:

 аллотропическое превращение;

 мартенситное превращение и распад мартенситной структуры;

 растворение в твердом состоянии и распад пресыщенных твердых растворов;

 упорядочение и разупорядочение твердых растворов;

 образование твердого раствора из эвтектоидной смеси и эвтектоидный распад.

Перечисленные виды превращений могут быть разделены на две группы: превращения, протекающие без изменения химического состава образующихся при превращениях фаз (связанные только с изменениями кристаллической структуры), и превращения, сопровождающиеся образованием фаз с измененным химическим составом.

Некоторые из указанных превращений могут происходить в широком диапазоне температур, включая температуры, характерные для обычных условий эксплуатации; другие виды превращений происходят при определенных очень высоких или низких температурах, достигаемых не только при специальной термической обработке, но и при эксплуатации многих современных технических устройств: реактивных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, космических аппаратов и т. д. Наибольшее практическое значение имеют процессы старения, связанные с распадом пересыщенных твердых растворов (процессы выделения).

5.2. Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых растворов

Старение имеет особое значение для многих термически обрабатываемых сплавов на железной, алюминиевой, медной, магниевой, никелевой и кобальтовой основе. Способность к старению определяется увеличивающейся с температурой растворимостью компонента сплава в основном металле сплава, т. е. изменением предельного насыщения твердого раствора с изменением температуры. В процессе старения сплав, однофазный при высокой температуре, при более низкой температуре распадается на две (или более) фазы в соответствии с диаграммой состояний; при этом вторая фаза (выделение) может быть метал-

30

лическим соединением или новым твердым раствором с другим содержанием растворенного компонента.

Для скорости распада в большинстве случаев справедливы следующие

качественные закономерности:

скорость распада (выделения) тем больше, чем выше температура старения сплава;

при данной температуре в сплавах с низкой температурой плавления выделение идет быстрее, чем в тугоплавких сплавах;

нарушения кристаллической решетки исходного твердого раствора (матрицы) вследствие облучения и холодной деформации ускоряют процесс выделения;

присутствие растворимых или нерастворимых включений ускоряет процесс выделения.

Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых растворов, вызывает изменение механических и физических свойств сплава: прочности, твердости, электросопротивления, коэрцитивной силы, стойкости против коррозии и др. Процессы, протекающие на первых стадиях старения (появление субмикроскопической неоднородности в распределении атомов растворенного компонента, когерентная связь двух различных решеток, выпадение весьма дисперсных частиц), приводят к упрочнению сплава, увеличению его твердости, повышению сопротивления пластической деформации, связанному с тем, что изменения структуры сплавов на этих стадиях старения затрудняют перемещение дислокаций при пластической деформации.

Однако четвертая стадия  коагуляция дисперсных частиц  всегда связана со снижением прочности; наряду с коагуляцией частиц разупрочнение обусловлено потерей когерентности решеток новой фазы и твердого раствора, обеднением твердого раствора растворенным компонентом в процессе выделения. Вследствие этого изменение прочности, электросопротивления и коэрцитивной силы пересыщенного твердого раствора в процессе его старения характеризуется кривой с максимумом. При достаточно больших интервалах времени прочность снижается до значений, присущих сплаву до старения и меньших. Пониженная вследствие старения пластичность ведет к развитию межзеренного разрушения, что связано с присутствием локализованных выделений на границах зерен.

При распаде пересыщенных растворов снижается сопротивляемость сплава коррозии. В стареющих сплавах часто наблюдается коррозионное рас-

31

пределение под напряжением, связанное с локализованным выделением по границам зерен. Присутствие даже малых компонентов локализованных выделений может привести к возникновению растрескивания по границам зерен на участке детали, подвергнутом большим напряжениям.

Мартенситное превращение имеет место в сплавах с мартенситной структурой  специфической игольчатой микроструктурой металлических сплавов (сталей, сплавов Cu  Al, Cu  Sn и др.), некоторых металлов и даже неметаллических материалов. К мартенситным превращениям относят и аллотропические превращения в безуглеродистых сплавах железа с хромом, никелем, марганцем, а также аллотропические превращения в кобальте, титане, цирконии и в сплавах на основе титана и циркония.

Мартенситное превращение состоит в перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные. По сравнению с другими структурами стали мартенситная структура отличается наибольшей твердостью (а также наибольшими коэрцитивной силой и электросопротивлением), но одновременно и повышенной хрупкостью.