Что такое старение стали

Старение – это процесс изменения свойств металлов и сплавов, протекающий самопроизвольно после некоторых технологических операций в процессе длительной выдержки при комнатной температуре (естественное термическое старение стали), либо при умеренном нагреве (искусственное термическое старение). 

Зачем в таблице 3 ГОСТа 27772-2021 выделена отдельная позиция с требованиями к показателю на ударный изгиб строительных сталей после механического старения?

Последствия от старения стали

Для малоуглеродистых сталей старение рассматривают как отрицательное явление, так как оно увеличивает склонность к хрупкому разрушению. Для строительных конструкций, которые в процессе изготовления и монтажа подвергаются пластической деформации и сварке, понижение пластичности и повышение температуры порога хладноломкости в результате старения стали может стать причиной преждевременного разрушения при эксплуатации.

Физические процессы при старении стали

Старению стали способствуют загрязнение ее примесями. Малоуглеродистая сталь в равновесных условиях охлаждения имеет ферритную структуру, то есть атомы железа Fe вместе с примесными атомами внедрения (азота и углерода – главным образом) формируются в объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую решетку. При температурах 590 – 727 °С растворимость этих примесей в феррите максимальна. Если в последствии сталь быстро охладить, предельная растворимость азота и углерода приблизится к своему минимуму, на что система не успеет среагировать, примеси не успеют выделиться, и ферритная структура получится перенасыщенной углеродом и азотом. В таком случае, во время вылеживания при комнатной температуре (естественное термическое старение), атомы C и N начнут перемещаться к дефектам кристаллического строения внутри структуры (например, к дислокациям), образуя тем самым атмосферы Коттрелла (рисунок 1). Если выдержка производится при повышенных температурах (искусственное термическое старение), то получают развитие и другие упрочняющие фазы (карбиды, нитриды).

Рисунок 1 — Атмосфера Коттрелла

Образование атмосфер Коттрелла и дисперсных карбидов на дислокациях будет препятствовать движению последних при приложении внешних сил нагружения (рисунок 2).

Рисунок 2 — Классическая схема дислокационного механизма пластической деформации в стали

Блокировка движений дислокаций увеличивает вероятность возникновения развития хрупких трещин, так как уменьшается возможность релаксации напряжений при нагружении. Поэтому старение одновременно приводит к росту прочностных характеристик стали, но и к снижению её пластичности и ударной вязкости.

Изменение механических свойств стали из-за перенасыщения атомами внедрения ферритной структуры, в виду ускоренного охлаждения с повышенных температур, называют термическим старением (обработкой).

Сдвиги в кристаллических зернах, образующиеся при холодной деформации, также способствуют выделению атомов примесей из ферритной структуры из-за введения в систему определенного количества «свежих» дислокаций, поэтому старение может особенно интенсивно развиваться после наклепа или вибрационной нагрузки (повторно образуются атмосферы Коттрелла). Нагрев деформированного в холодном состоянии металла (после наклепа) до температуры 100-250°С ускоряет процесс старения.

Изменение механических свойств сталей во времени может происходить и после холодной пластической деформации – деформационное старение.

Введение присадок, связывающих азот и углерод, снижает эффект старения. Для связывания углерода применяют титан или ванадий, а для связывания азота – алюминий, цирконий или титан. Для определения склонности стали к старению используют метод механического старения.

Склонность стали к механическому старению

Если сталь используется для строительных конструкций, особенно сварных, то важно иметь информацию о влиянии старения на ударную вязкость. Пример влияния механического старения на положение сериальных кривых ударной вязкости низкоуглеродистой стали изображен на рисунке 3.

Рисунок 3 — Влияния деформационного старения на ударную вязкость малоуглеродистой стали в состояниях: 1 – исходное состояние; 2 – холодная деформация растяжением на 10%; 3 – выдержка после деформации в течение 1 мес при 20℃; 4 – выдержка после деформации в течение 1 ч при 250℃

Существует стандартная методика оценки склонности сталей к механическому старению (ГОСТ 7268-82), согласно которой находят среднее арифметическое значение ударной вязкости образцов в исходном состоянии KC и после обработки KCA, включающей холодную деформацию растяжением или сжатием на 10% и последующее старение при 250°С. После чего высчитывают показатель склонности металла к механическому старению C по следующей формуле:

В ГОСТ 27772-2021 регламентированы требования по ударной вязкости сталей категорий 8-14. Согласно нормативным данным, значения KCU после механического старения не должно быть менее 29 Дж/см² для выделенных ниже категорий строительных сталей.

Выдержка из таблицы 3 ГОСТ 27772-2021