1.4. Старение

Старением называют процесс распада пересыщенных твердых растворов, в которых при закалке полиморфных превращений не происходило. Они обладают ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и при старении происходит образование зон, обогащенных атомами легирующих элементов, которые искажают пространственно – кристаллическую решетку (ПКР) и повышают прочность и твердость при ОМД, снижают пластичность и ударную вязкость.

Старение металлических материалов наблюдается только в сплавах, подверженных закалке без полиморфного превращения, а также в сталях с малым содержанием углерода (мартенситно-стареющие стали).

Старение бывает естественным и искусственным. Естественным называют старение, которое происходит при комнатной температуре. Старение, происходящее при повышенных относительно комнатной температурах, называется искусственным. Естественное и искусственное старения представляют собой два различных процесса. Естественное старение, обусловленное образованием зон, обогащенных атомами легирующих элементов – зон типа Гинье – Престона (ЗГП), называется зонным старением. Скорость образования зон мала, что объясняется замедленной диффузией атомов легирующих элементов в связи с температурой старения. При увеличении температуры старения возможно образование стабильных фаз типа θ`-фаз (типа CuAl₂), когерентных с матричным раствором. Такое старение называется фазовым. При этом старении обеспечивается максимально возможная твердость и прочность для данной температуры старения. Для каждой марки сплава устанавливается своя оптимальная температура искусственного старения.

Время выдержки в печи при термической обработке деталей зависит от формы и размеров изделия. Ориентировочные нормы нагрева стали приведены в таблице 1 приложения 1.

2. Деформационно-термическая обработка

Деформационно-термическая обработка (ДТО) – сочетает в себе процессы термической обработки и пластической деформации. В зависимости от того, когда осуществляют деформацию – до протекания фазового превращения или после, различают термомеханическую (ТМО) и механико-термическую обработку (МТО).

Термомеханическая обработка (ТМО) включает в себя, в зависимости от условий деформации аустенита, высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомеханические обработки (рисунок 9).

Рисунок 9. Схема термомеханической обработки стали: а – ВТМО; б – НТМО (заштрихованная зона – интервал температур рекристаллизации)

При ВТМО (рисунок 9, а) сталь деформируют при температуре выше температуры A₃ и сразу закаливают с тем, чтобы не допустить развития рекристаллизации аустенита. При НТМО (рисунок 9, б) деформация проводится в области повышенной устойчивости аустенита (400 – 600 ºС). Рекристаллизация при этих температурах не происходит, однако необходимо избегать образования бейнитных структур.

ТМО обоих видов заканчивается низким отпуском при 100 – 200 ºС. При ТМО повышается весь комплекс механических свойств и особенно пластичность и вязкость, что наиболее важно для высокопрочного состояния. По сравнению с обычной обработкой прирост прочности при ТМО составляет 200 – 500 МПа, т.е. 10 – 20%. Характеристики пластичности и ударной вязкости повышаются в 1,5 – 2,0 раза.

Улучшение комплекса механических свойств обусловлено формированием специфического структурного состояния. Деформация создает в аустените высокую плотность дислокаций, образующих из-за процесса полигонизации устойчивую ячеистую субструктуру, которая наследуется мартенситом при закалке. При этом субграницы тормозят движение дислокаций и локализируют деформацию внутри зурна; в результате прочность повышается.

Наибольшее упрочнение (σ_в ≤ 2800 МПа) достигается при НТМО. Однако ее проведение технологически более сложно, чем ВТМО из-за высоких степеней пластической деформации и обжатия (50 – 90%). Ее можно применять для изделий небольшого сечения и простой формы (лист, лента, прутки и др.). Кроме того, НТМО пригодна для легированных сталей с большой устойчивостью переохлажденного аустенита.

ВТМО обеспечивает меньшее упрочнение (σ_в ≤ 2400 МПа), но более высокие пластичность и вязкость. ВТМО могут подвергаться любые металлы и сплавы, даже не упрочняемые термической обработкой. Особенно эффективна ВТМО для чистого вакуумированного металла. Кроме того, ВТМО более технологична, так как аустенит выше точки A₃ пластичен и стабилен. При деформации не требуются большие степени обжатия; предельное упрочнение достигается при деформации на 20 – 40%. Для ВТМО пригодны любые конструкционные стали.

Область ВТМО расширяет явление обратимости эффекта упрочнения: свойства, полученные при ВТМО, наследуются после повторной закалки, а это позволяет закладывать определенный ресурс свойств в стальные полуфабрикаты в тонких сечениях (ленты, лисы, трубы), подвергая их ВТМО на металлургическом заводе.

Улучшение свойств среднеуглеродистых легированных сталей возможно при холодной пластической деформации низкоотпущенного мартенсита. Небольшая деформация (5 – 20%) увеличивает временное сопротивлении и особенно предел текучести сталей.

Наиболее высокая прочность (σ_в ≈ 3000 МПа) получена сочетанием ВТМО с последующей холодной пластической деформацией низкоотпущенных среднеуглеродистых сталей (стали 30, 35, 40, 45, 50).