10. Старение железа

Старение железа бывает двух видов - закалочное и деформационное.

При закалочном старении техническое железо нагревают до температуры ниже точки А₁ (600—700 °С), быстро охлаждают (закаливают) и затем снова нагревают до более низкой температуры (отпускают). Такого рода закалка и отпуск отличаются от описанных выше тем, что в данном случае железо в процессе старения остается в виде -фазы и не испытывает аллотропического превращения. Изменяется только концентрация содержащегося в нем в растворенном состоянии углерода. При нагревании перед закалкой до 600-700°С содержание углерода в феррите повышается соответственно линии PQ. При быстром охлаждении углерод не успевает выделиться и -раствор получается пересыщенным. Будучи нестабильным, -раствор стремится к распаду и распадается уже при комнатной температуре, выделяя очень мелкие частицы третичного Fe₃C, вследствие чего твердость железа повышается.

На рис. 23, а показано изменение твердости технического железа с течением времени при отпуске на разные температуры от 20 до 300 °С. Чем выше температура отпуска, тем круче начальная часть кривой, так как процесс выделения Fе₃С из феррита ускоряется вследствие увеличения скорости диффузии углерода в решетке -раствора. При 50 ⁰С твердость достигает более высоких значений, чем при 20 °С так как степень распада увеличилась и число мелких (дисперсных) частиц Fe₃C стало больше. Эти частицы упрочняют железо, препятствуя его деформации. Однако п ри повышении температуры не только увеличивается степень распада, но и растут кристаллиты упрочняющей фазы, в данном случае Fе₃С. Их рост (коагуляция) понижает уровень твердости. Если бы коагуляции не было, 50-градусная кривая поднялась бы еще выше. Влияние коагуляции видно по изменению твердости при отпуске на 100 °С. После выдержки приблизительно 2 часа твердость не только не растет, но даже понижается. Это следствие того, что с течением времени действие коагуляции оказывается преобладающим. Так же как и при повышении температуры, с течением времени в изотермических условиях увеличиваются степень распада и размер кристаллов упрочняющей фазы. При 100 ⁰С до 2-часовой выдержки преобладает влияние первого из этих факторов, а при большей выдержке - второго, поэтому на кривых твердости при отпуске 100°С имеется максимум. Следует отметить, что при отпуске 100° наибольшая твердость ниже, чем при 50 °С, а при 150°С ниже, чем при 100°С. Это указывает на увеличивающуюся с повышением температуры коагуляцию. Отпуск при 200 ⁰С даже при самых малых выдержках вызывает понижение твердости, так как при этой температуре упрочняющая фаза сразу же выделяется в виде сравнительно крупных кристаллитов. Поэтому зависимость твердости технического железа от температуры отпуска также описывается кривой с максимумом (рис. 23 б). При продолжительности отпуска 6 час. максимум твердости получается приблизительно при 80°С. С увеличением продолжительности отпуска максимум смещается к более низким температурам.

Старение происходит не только в техническом железе с содержанием углерода менее 0,025 %, но также и в малоуглеродистой доэвтектоидной стали. В этом случае, так же как и в техническом железе, имеет место распад пересыщенного феррита, в основном избыточного; что касается эвтектоидного цементита, то эта фаза в старении не участвует, и это одна из причин того, почему старение выражено тем в меньшей степени, чем больше в стали цементита.

Изменение твердости при старении объясняется теорией дислокаций. Выделившиеся при старении частицы второй фазы создают вокруг себя напряжения в основной фазе, матрице, из которой они выделились. Эти напряжения тем больше, чем больше структурное несоответствие твердого раствора и выделяющейся из него фазы. Упрочнение обусловлено сопротивлением, которое оказывают эти напряжения движению дислокаций.

П рохождение дислокации через препятствия показано на рис. 24. Приложенная сила выгибает дислокацию при ее приближении к препятствиям (линия А). При увеличении силы, или напряжения, прогибы увеличиваются (линия В) и дислокация огибает препятствия. Включения второй фазы, получившиеся при старении (на рис. 24 изображены точками), - это и есть препятствия, упрочняющие железо. При дальнейшем увеличении напряжения смежные участки соседних петель сливаются и дислокация проходит между включениями (линия С), вокруг которых остаются маленькие кольцеобразные дислокации.

Из теории следует, что максимальное упрочнение получается при дисперсности, которой соответствует критическое расстояние между частицами упрочняющей фазы, равное 25-50 межатомным расстояниям. При разупрочнении (ниспадающая ветвь на кривых рис. 23) выделившиеся частицы становятся крупными, различимыми под обычным световым микроскопом, величины порядка 10^-5 см. Их становится сравнительно мало, а расстояние между ними увеличивается на 2-3 порядка по сравнению с критическим.

Старение технического железа может быть следствием выделений из пересыщенного -раствора не только карбида, но также и нитрида Fe₄N. Старение - это очень распространенное явление во многих сплавах на основе различных металлов. Обязательным условием закалочного старения является повышение растворимости с температурой.

Старение технического железа, как правило, нежелательно из-за того, что наряду с повышением твердости и прочности имеет место сильное понижение пластичности и железо становится хрупким. Особенно это нежелательно для листового железа, подвергающегося в производстве холодной штамповке.

Закалочное старение железа, получающееся, как уже говорилось, даже при комнатной температуре, может возникнуть без специально проводимой закалки. В частности, в тонком листовом железе при его охлаждении на воздухе после горячей прокатки или ускоренном охлаждении в печи при отжиге получается пересыщенный углеродом феррит, распад которого приведет к нежелательным последствиям старения. В производстве стремятся к устранению этого явления, для чего применяют отжиг с очень медленным охлаждением, при котором получается стабильный феррит, соответственно линии PQ.

Для многих сплавов на основе никеля, меди, железа, алюминия и др. старение используется как технологический метод придания им желательных физических и механических свойств (упругость, жаропрочность, коэрцитивная сила и т. д.).

П ри деформационном старении техническое железо так же, как и при закалочном старении, упрочняется и становится малопластичным: Деформационным старением называют процесс изменения свойств после холодной деформации (наклепа) и нагрева, до сравнительно низких температур. Наибольшее изменение свойств имеет место при нагреве до 200 °С. Однако даже при комнатной температуре, т. е. без нагрева, с течением времени наклепанное железо упрочняется и становится малопластичным.

Одним из признаков деформационного старения является появление площадки текучести на кривой растяжения (). Чем дальше зашло старение, тем сильнее выражена площадка текучести¹. После деформационного старения на отполированном и специально протравленном шлифе выступают фигуры или линии течения, так называемые линии Чернова-Людерса (рис.25), под определенным углом к действующей силе. Чем хрупче материал, тем острее этот угол. При холодной штамповке листового железа, подвергавшегося деформационному старению, появляются местные, неравномерно распределенные перенапряжения, приводящие к рванинам, т. е. к производственному браку. Чтобы избежать такого брака, железо следует перед штамповкой отжечь с очень медленным охлаждением для устранения хрупкости, которая могла появиться при хранении железа вследствие деформационного старения.

Согласно С. Т. Конобеевскому, деформационное старение связано не с выделениями какой-либо фазы из пересыщенного твердого раствора, а только с перераспределением атомов при­меси в решетке растворителя.

На рис.26 приведена двухмерная модель решетки феррита. Кружками обозначены атомы железа сравнительно большого диаметра точками - атомы углерода с меньшим диаметром. В результате искажений при холодной деформации в решетке феррита возникают места растяжения и сжатия. Атомы углерода, находящегося в растворе, при нагревании или даже при комнатной температуре перемещаются в места сжатия, а атомы железа - в растянутые места решетки. На рис. 26 видны скопления этих атомов (внизу и вверху соответственно). Под влиянием наклепа и последующего нагрева происходит, таким образом, восходящая диффузия. Скопления углерода влияют на механические свойства так же, как дисперсные выделения. Fe₃C при закалочном старении.

Описанные представления о механизме деформационного старения косвенно подтверждаются тем, что оно идет в чистейшем железе, содержащем менее 0,006 % С; менее 0,01 % N и т. п., т. е. безусловно не пересыщенном углеродом или другими примесями, в то время как закалочное старение в таком железе не имеет места. После появления теории дислокаций теория, предложенная С. Т. Конобеевским, уточнена - атомные скопления рассматриваются как «облака Коттрелла» вокруг дислокаций. Наклеп увеличивает плотность дислокаций и тем самым количество скоплений атомов углерода или азота. Эта теория подтверждается тем, что энергия активации старения приблизительно равна энергии активации диффузии углерода и азота в феррите, а время, необходимое для наибольшего упрочнения, по порядку величины совпадает с рассчитанным теоретически временем образования «облаков Коттрелла»

Если листовое железо после деформационного старения подвергнуть отжигу с медленным охлаждением, то оно снова становится пластичным. Однако в ряде случаев это трудно сделать, так как при отжиге поверхность листа окисляется, изменяется его толщина; особенно это заметно при отжиге тонкого листа. Поэтому предложен другой метод повышения пластичности. Лист подвергают в специальных валках знакопеременному волнообразному изгибу, при котором его толщина не меняется. При такой деформации со слабым обжатием происходит перегруппировка дислокаций, они вырываются из окружающих и блокирующих их «облаков», вследствие чего увеличивается их подвижность и материал становится более пластичным. Сразу же после такой знакопеременной деформации лист хорошо штампуется, так как атомы углерода или азота не успевают еще образовать облака Коттрелла вокруг дислокаций в их новом положении и металл остается в течение некоторого времени пластичным. Однако после такой деформации он снова подвержен деформационному старению. Если он полежит некоторое время при комнатной температуре или тем более, если будет нагрет, он опять упрочнится, станет малопластичным и непригодным для холодной штамповки, так как снова вокруг дислокаций в их новом положении образуются скопления атомов, находящихся в растворе внедрения (углерод, азот).