Старение и образование новых фаз

Старение в жаропрочных сталях и сплавах происходит в результате мелкодисперсных выделений упрочняющих фаз из пересыщенных твердых растворов с ограниченной растворимостью,

В процессе старения различают три стадии распада пересыщенных твердых растворов. Обычно принято считать, что в первой, подготовительной или начальной, стадии распада в определенных местах кристаллической решетки происходит диффузионное накопление атомов ограниченно растворяющихся элементов.

В результате этой стадии распада изменяются некоторые физические свойства стали или сплава, но твердость и прочность почти не повышаются.

Во второй стадии распада происходит образование новой фазы в виде самостоятельных дисперсных частиц с иной ориентировкой и границами новой фазы. На этой стадии распада наблюдается значительное повышение твердости и прочности, а также изменение других свойств стали и сплавов.

Третья, последняя, стадия распада характеризуется коагуляцией, постепенным укрупнением образовавшейся новой упрочняющей фазы. В результате третьей стадии распада происходит разупрочнение твердого раствора и снижение твердости, жаропрочности и соответствующее изменение других свойств, причем, чем выше температура и длительнее время температурного воздействия, тем дальше заходит распад в этой стадии процесса.

Предварительная или одновременная с температурным воздействием пластическая деформация в значительной степени ускоряет процесс старения пересыщенных твердых растворов на всех его стадиях.

Процессы старения присущи обыкновенной углеродистой стали, сталям, легированным медью, бериллием, бором, ванадием, титаном, ниобием, а также главным образом аустенитным сталям и сплавам.

Обычно многие стали и сплавы, особенно аустенитные, в меньшей или большей степени имеют пересыщенный твердый раствор, имеют большую или меньшую стабильность в отношении процесса старения под влиянием длительного температурного воздействия.

Так, например, старение обыкновенной углеродистой стали возможно за счет изменения температурой растворимости углерода и азота. Дисперсионное упрочнение в аустенитных сталях и сплавах может быть достигнуто за счет карбидной фазы или за счет интерметаллических соединений.

В связи с этим, значительный интерес при выборе той или иной стали для практического использования ее в качестве жаропрочного материала представляют вопросы, связанные с влиянием длительного температурного воздействия на процессы упрочнения и разупрочнения при старении. Как известно, эти процессы приводят к соответствующему изменению пределов длительной прочности и ползучести, а во многих случаях и к снижению длительной пластичности.

Для сталей и сплавов, жаропрочные свойства которых могут быть значительно повышены за счет процесса старения пересыщенных твердых растворов с выделением упрочняющих фаз карбидов, нитридов, наибольший интерес представляет не только вторая стадия процесса старения, называемая часто дисперсионным твердением, но и третья стадия процесса – разупрочнение. Разупрочнение представляет интерес, поскольку условия работы жаропрочных сплавов прежде всего определяются температурой и длительностью второго периода старения и ограничиваются температурой начала третьей стадии процесса, т. е. температурой разупрочнения.

Температура дисперсионного упрочнения и температура начала разупрочнения стареющих сталей и сплавов зависят от многих факторов и прежде всего от прочности межатомной связи в твердом растворе и упрочняющей фазе, от скорости процессов диффузии и самодиффузии, от состояния границ зерен и структуры.

Данные некоторых авторов показывают, что для деталей, предназначенных для длительной службы при повышенных температурах, стали и сплавы, сильно упрочненные путем дисперсионного твердения, не могут быть рекомендованы. Это справедливо особенно в тех случаях, когда рабочая температура близка к оптимальной температуре старения, при которой они не имеют преимуществ по сравнению с нестареющими сплавами и сталями.

Применяемые до настоящего времени в котлостроении аустенитные стали являются малостареющими. В хромоникельвольфрамомолибденовой аустенитной стали с течением времени изменяется состав карбидной фазы по содержанию хрома и наблюдается значительное упрочнение, снижение пластичности и ударной вязкости.

Известная хромоникелевая сталь марки 10Х18Н9Т, стабилизированная титаном, в процессе длительных выдержек при 550–650° также оказывается нестабильной. Из твердого раствора хромоникелевой стали с течением времени выделяется карбид хрома.

Влияние процессов старения и образования новых фаз на свойства некоторых жаропрочных сталей, предназначенных для длительного срока службы – отрицательно.