Испытание стали на склонность к старению

Под термином «старение» понимают изменение механических свойств стали с течением времени. Процесс, протекающий при комнатной температуре, называют естественным старением, а в условиях нагрева — искусственным старением. Особая опасность старения заключается в том, что нежелательная уже сама по себе нестабильность механических свойств развивается в наиболее неблагоприятном направлении: происходят постепенное упрочнение и охрупчивание стали. Упрочнение выражается в повышении твердости, предела текучести и, в меньшей мере, предела прочности стали, а охрупчивание — в уменьшении пластичности и вязкости.

Старение протекает без заметного изменения ферритно-перлитной структуры, свойственной низкоуглеродистой горячекатаной стали. В общем случае оно обусловлено уменьшением растворимости в а-железе примесных атомов внедрения (прежде всего углерода и азота), которое наблюдается при понижении температуры от 650—700 °С до комнатной. При ускоренном охлаждении (например, от температуры конца прокатки или в зоне термического влияния после сварки) примесные атомы не успевают выделиться из а-твердого раствора и при комнатной температуре образуется неравновесный перенасыщенный а-раствор. С течением времени наблюдается постепенное перераспределение атомов внедрения к дислокациям (линейным дефектам кристаллической решетки), где атомы скапливаются и образуют так называемые атмосферы Коттрелла. Движение дислокаций затрудняется, что и вызывает увеличение прочности и падение пластичности стали. Процесс старения значительно интенсифицируется при нагреве до 50—150 °С, так как при этом возрастает диффузионная подвижность примесных атомов.

При изготовлении и монтаже корпусных конструкций многие технологические операции (например, гибка, правка, механическая резка) связаны с холодной пластической деформацией проката. Это способствует усилению процесса старения в силу повышения плотности дислокаций.

Изменение во времени механических свойств стали, происходящее после холодной пластической деформации, называют механическим (деформационным) старением. Повышение температуры способствует увеличению скорости механического старения.

При температурах старения до 100 °С ведущую роль играет азот, в то время как воздействие углерода на процесс старения стали значительно усиливается лишь при нагреве выше 200 °С.

Суммарная концентрация азота и углерода в твердом растворе, достаточная для развития деформационного старения, составляет 0,000 2—0,000 4 %.

Кислород сравнительно слабо влияет на деформационное старение стали в силу малой растворимости и низкой диффузионной подвижности его атомов в а-железе. Водород, наоборот, имеет слишком высокую подвижность атомов при комнатной и повышенной температурах. Поэтому по сравнению с азотом и углеродом его влияние на закрепление дислокации и, таким образом, на деформационное старение практически не проявляется.

Казалось бы, путь устранения склонности стали к механическому старению очевиден: необходимо довести до минимума содержание примесей внедрения (прежде всего азота) при выплавке и разливке стали. Однако на практике существующие технологии производства стали в мартеновских печах и кислородных конвертерах не гарантируют получения металла с содержанием азота менее 0,002—0,004 и кислорода менее 0,005 %. Эти значения на порядок превышают их допустимое содержание в феррите нестареющей стали. Для уменьшения концентрации газов в расплавленной стали применяют метод вакуумной дегазации, а также рафинирующие (очищающие) переплавы.

Наряду с совершенствованием методов металлургического производства стали используют и другой путь подавления ее склонности к механическому старению. В расплавленную сталь вводят модификаторы — элементы, уменьшающие концентрацию азота и углерода в а-растворе путем связывания их в виде нитридов и карбидов. Наибольший эффект обеспечивает модифицирование алюминием, титаном и ванадием. Причем алюминий используется и как раскислитель. Образовавшиеся при затвердевании высокодисперсные включения нитридов и карбидов типа A1N, VN, V(CN) и других способствуют также получению мелкозернистой структуры стали.

Склонность стали к механическому старению (ГОСТ 7268—82) определяют по величине показателя c = [(KV— —KVA)/KV]100 %, где KV и KVA — средние арифметические значения работы удара (Дж), затраченной при испытании серии образцов на ударный изгиб. Для испытаний вырезают не менее чем по три образца из заготовок двух типов: одну из них подвергают предварительной деформации, из другой контрольные образцы вырезают в исходном состоянии. При толщине проката 12 мм и более вырезают заготовки сечением 12X12 и длиной не менее 250 мм. При меньшей толщине проката поперечное сечение заготовок равно аХ12 мм, где а — фактическая толщина проката. Одну заготовку с нанесенной на ней расчетной длиной 120, 160 мм или более растягивают до получения 10±0,5 % остаточного удлинения. Деформированные образцы до испытаний подвергают искусственному старению при температуре 250 ±10 °С с выдержкой в течение 1 ч и последующим охлаждением на воздухе.

По требованиям Регистра СССР образцы, подвергнутые старению, должны выдерживать не менее 50 % минимальной работы удара KV (для сталей высшей категории качества) или обеспечивать ударную вязкость KCU (для сталей первой категории качества), устанавливаемые для стали в исходном состоянии. Помимо этого во всех случаях работа удара должна быть не менее 27 Дж (2,8 кгс-м), а ударная вязкость — не менее 29 Дж/см² (3 кгс · м/см²).