СТАРЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
, изменение механич.,
физич. и химич. свойств металлов и сплавов, обусловленное термодинамич.
неравновесностью исходного состояния и постепенным приближением структуры
к равновесному состоянию в условиях достаточной диффузной подвижности атомов.
При быстром охлаждении от высоких темп-р (при закалке или после
кристаллизации и горячей пластич. деформации) металлы и сплавы полностью
или частично сохраняют атомную структуру, характерную для высокотемпературного
состояния. В чистых металлах неравномерность этой структуры состоит в избыточной
(для низких темп-р) концентрации вакансий и наличии др. дефектов
кристаллич. структуры. В сплавах неравновесность структуры может быть связана
с сохранением фаз, неустойчивых при низких темп-pax. Наиболее важно старение
сплавов, обусловленное процессами распада пересыщенного твёрдого раствора.
Состояние
пересыщения твёрдого раствора возникает после охлаждения сплавов от высоких
темп-р, поскольку обычно с повышением темп-ры растворимость примесей (или
специально вводимых легирующих элементов) растёт.
Имеется большое число сплавов, для к-рых
старение проводится как спец. операция термической обработки
и обеспечивает
получение комплекса важных механич. или физич. свойств. Старение, или "дисперсионное
твердение",- осн. способ упрочняющей термич. обработки сплавов на основе
Al (см. Алюминиевые сплавы), Mg, Cu, Ni. Кроме высокой прочности,
стареющие сплавы могут приобретать и др. ценные свойства, напр, высокую
коэрцитивную силу.
При достаточно большой степени пересыщения
твёрдый раствор оказывается полностью нестабильным и его расслоение идёт
во всей массе материала с образованием сначала неоднородного твёрдого раствора
с непрерывно меняющимся составом, а затем периодически расположенных частиц
с чёткими границами раздела. Распад такого типа наз. спинодальным и наблюдается
в ряде технически важных сплавов (сплавы для постоянных магнитов типа кунифе).
Более общим для стареющих сплавов является метастабильное состояние твёрдого
раствора, распад к-рого должен идти путём образования и роста зародышей
новой
фазы, а процесс зарождения требует преодоления
энергетич. барьера. Этот барьер оказывается существенно пониженным при
образовании когерентных частиц, т. е. частиц, у к-рых кристаллич. решётка
упруго сопряжена с решёткой исходного твёрдого раствора. При сравнительно
низких темп-pax распад твёрдых растворов часто останавливается на стадии
образования зон - весьма дисперсных областей, обогащённых избыточным компонентом
и сохраняющих кристаллич. структуру исходного раствора, впервые обнаруженных
по эффектам диффузного рассеяния рентгеновских лучей (зоны Гинье - Престона).
С помощью электронной микроскопии зоны Гинье - Престона наблюдали в сплавах
Al - Ag в виде сферич. частиц диам. 10А, в сплавах Al - Cu - в виде пластин
толщиной порядка периодов решётки (<10А). Образование зон характерно
для т. н. естеств. старения, к-рое протекает при комнатных темп-pax в случае
сплавов на основе Al, а также низкоуглеродистой стали или технич. железа,
где имеется твёрдый раствор (феррит), пересыщенный углеродом или
азотом. В нек-рых случаях зоны можно рассматривать как зародыши фазы выделения.
Понятию "естественное старение" противопоставляется
"искусственное старение", к-рое в случае алюминиевых сплавов (исторически
первых материалов, упрочняемых старением) проводилось при повышенных темп-pax
(выше 100 °С); в совр. лит-ре вместо этих терминов чаще используются термины
"низкотемпературное старение" и "высокотемпературное старение". В связи
с различиями процесса распада в разных температурных интервалах для нек-рых
сплавов оптимальный комплекс свойств достигается после сложного старения
в определ. последовательности при низкой и при более высокой темп-рах.
Различают 2 осн. механизма распада пересыщенного
твёрдого раствора: непрерывный, к-рый идёт путём образования и роста отд.
зародышей - частиц фазы, содержащей избыточный компонент твердого раствора,
и прерывистый (или ячеистый), при к-ром возникают и растут ячейки или колонии,
состоящие обычно из равновесных фаз - новой фазы, обогащённой избыточным
компонентом, и обеднённого (равновесного) твёрдого раствора. В первом случае
частицы образуются по всему объёму и их рост сопровождается постепенным
и непрерывным обеднением матричного твёрдого раствора. Во втором случае
происходит движение границы раздела колония - непревращённая область твёрдого
раствора. Колонии имеют обычно пластинчатое строение, зарождаются на границе
зерна, и их движущийся фронт представляет собой подвижную высокоугловую
границу с зерном исходного твёрдого раствора.
При распаде твёрдых растворов в условиях
высокой концентрации дефектов кристаллич. строения (дислокаций
и
др. X к-рые создаются предварит, сильной холодной деформацией, получают
особенно высокие значения прочности (см. Термомеханическая обработка
металлов).
Процессы распада твёрдых растворов могут приводить и к нежелательным изменениям
свойств сплавов, напр, к ухудшению пластичности и охрупчиванию низкоуглеродистой
котельной стали, к увеличению коэрцитивной силы и потерь на перемагничивание
электротехнич. железа. Некоторые сплавы склонны к т. н. "деформационному
старению". Сравнительно слабая холодная пластич. деформация, сама по себе
не очень сильно меняющая свойства материала, существенно ускоряет процессы
размежевания компонентов твёрдого раствора, к-рые приводят к образованию
сегрегатов (а затем выделений) возле дислокаций. Этот суммарный эффект
деформации и старения ("деформационное старение") резко ухудшает вязкость
и пластичность сплавов, что особенно нежелательно для материалов, подвергаемых
глубокой штамповке (например, листовая сталь для автомобилестроения). Специальным
легированием и термич. обработкой можно существенно снизить вредные эффекты
старения.
Лит.: С к а к о в Ю. А., Старение
металлических сплавов, в сб.: Металловедение (Материалы симпозиума), M.,
1971; Захарова M. И., Атомнокристаллическая структура и свойства металлов
и сплавов, M., 1972; Новиков И. И., Теория термической обработки металлов,
M., 1974; Тяпкин Ю. Д., Гаврилова А. В., Старение сплавов, в сб.: Итоги
науки и техники. Серия Металловедение и термическая обработка металлов,
т. 8, M., 1974. Ю. А. Скакав.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я