3.5 Влияние термического старения

Старением называют изменения свойств материала, которые происходят со временем (рисунок 5.8.) В зависимости от природы металла или сплава и от характера (природы) того или иного измеряемого свойства изменения могут проявляться как при выдержке при комнатной температуре, так и при повышенных или пониженных температурах.

Понятие термического старения предусматривает нагрев стали, находящейся в неравновесном, метастабильном структурном состоянии, на определенную температуру с целью получения более стабильного состояния после нагрева и соответствующего охлаждения. В результате достигают лучших свойств материала и, главное, постоянства их значений во времени. Эта обработка направлена на преднамеренные изменения свойств, которые при комнатной температуре или при температуре эксплуатации произошли бы только через длительное время, неуправляемо и неравномерно по сечению реальных изделий.

В общем случае причиной старения стали является пресыщение феррита углеродом и азотом, а также другими примесями, которое в ряде случаев неизбежно происходит при обусловленном технологией неравновесном охлаждении с высоких температур.

Это пресыщение уменьшается при вылеживании в течение длительного времени при комнатной температуре; существенно быстрее уменьшается пресыщение при нагреве. Изменения свойств, связанные с этими процессами выделения избыточного количества примесей из феррита, имеют особое значение для углеродистых сталей с очень низким содержанием углерода, в которых ферритная матрица является преобладающей структурой. Когда пересыщенный углеродом и азотом феррит до старения подвергается холодной деформации, происходит значительное ускорение протекающих при последующем старении процессов; этот вид старения носит название деформационного. На рисунок 3.2 в качестве примера показано изменение механических свойств тонкого листа из мягкой кипящей (нераскисленной) стали в результате деформационного старения.

Рисунок 5.8 - Изменение механических свойств при естественном ста рении

Для низкоуглеродистых сталей склонных к старению операция термического старения проводится обычно вслед за рекристаллизационным отжигом. Существуют две различные возможности получения термически стабильного структурного состояния в склонных к старению сталях:

1 – создание требуемого стабильного состояния матрицы с частицами выделений (соединений углерода и азота) непосредственно в результате регламентированного и обусловленного технологией охлаждения с высоких температур;

2 - создание требуемого стабильного структурного состояния при осуществлении дополнительной термической обработки – термического (или искусственного) старения.

Рисунок 5.9 - Температурно-временные циклы для рекристаллизационного отжига с нагревом в межкритическом интервале и последующего остаривания при регулируемом охлаждении

Первая возможность может быть в принципе реализована двумя способами (рисунок 5.9):

а) путем поддержания требуемых малых скоростей охлаждения в благоприятном для выделения стабильных фаз районе температур - для малоуглеродистых сталей от 400 до 200°С во время непрерывного охлаждения (анизотермическое остаривание);

б) путем изотермической выдержки малоуглеродистых сталей при температуре между 300 и 400°С в процессе охлаждения и завершающего медленного охлаждения до комнатной температуры (изотермическое остаривание).

Эти оба варианта процесса для малоуглеродистой стали часто применяются в сочетании с предшествовавшим рекристаллизационным (после холодной прокатки) отжигом с нагревом в двухфазной области.