В процессе эксплуатации металлоконструкций и изделий всегда присутствует воздействие внешних климатических и механических нагрузок. В результате постепенно характеристики стали ухудшаются. Процесс старения неизбежен, но в естественной среде он протекает достаточно медленно. При необходимости используют разные возможности, чтобы ускорить этот процесс, создать для него необходимые условия.
Какие факторы влияют на старение металла
Изменения химических и физических свойств стали, механические деформации – основные последствия старения металлов. Состояние стали отклоняется от нормы. Материал становится более мягким, менее упругим и прочным, изменяется его структура и внешний вид.
Основными факторами, оказывающими влияние на скорость протекания реакции, являются:
- Тепловое перемещение атомов и молекул сказывается на структуре стали, чаще всего ухудшая ее свойства.
- Внешние нагрузки, направленные на сгибание, растягивание, сжатие стали, также негативно сказываются на состоянии изделий.
- Невидимое и видимое для человеческого глаза излучение – одна из основных причин старения металла и деталей из него.
- Постоянное намагничивание и размагничивание, другие аналогичные воздействия сказываются на скорости и интенсивности старения.
Подобные процессы не всегда являются нежелательными. В некоторых случаях старение меняет характеристики изделий в том направлении, которое требуется. В таких ситуациях применяются различные средства и технологии для повышения скорости изменения параметров.
Особенности естественного старения металла
Искусственное и естественное старение – это два процесса, отличающие по времени достижения измененного состояния металла. В первом случае для получения нужных характеристики стали используются специальные технологии. Добиться необходимых параметров можно за несколько часов. Способы пластического деформирования и термической обработки – оптимальные варианты.
Естественное старение выполняется без использования специальных технологий. Оптимальная температура окружающей среды для ускорения получения результата составляет примерно 20 градусов. Если температура ниже или выше, то скорость старения стали несколько падает.
Термическое старения стали
Одна из наиболее востребованных технологий – термическая обработка стали. При термическом воздействии в определенный момент происходит существенный рост прочности металла. Если тепловое воздействие не снять через определенный промежуток времени, то прочность падает ниже первоначального уровня.
При перестаривании стали прочность снижается за счет процессов коагуляции и частичной замены частиц некогерентными. Существует несколько вариантов термического воздействия:
- Двухступенчатая закалка представляет собой нагрев до определенной температуры и последующее выдерживание. Следующий этап – еще большее повышение температуры и выдерживание для повышения прочности.
- Закалочное старение, при котором сталь нагревается до необходимого уровня и выдерживается с последующим естественным охлаждением.
- Сплавы из цветных металлов подвергаются искусственному старению. Сталь нагревается до более высокой температуры, чем при обычной деструкции.
- Естественное старение применяется для алюминия и сплавов с большим содержанием данного металла.
- Нагрев до высокой температуры и выдерживание в течение длительного времени характеризуют стабилизационный процесс старения.
Указанные технологии и способы позволяют добиться необходимых результатов. В зависимости от марки стали и требуемых параметров выбирается подходящий вариант.
Механическое старение металла
Кроме термической обработки существуют технологии механического старения стали. Каждый способ предполагает приложение деформирующих нагрузок в определенном диапазоне температур. Холодная пластическая деформация позволяет добиться увеличения плотности стали, поднять основные характеристики.
Движение атомов углерода и азота при изменении механических нагрузок позволяет получить свойства, аналогичные параметрам при термической обработке. Лучше всего механическому старению поддается сталь с содержанием алюминия от 0,02 до 0,07 процента.
Как используется процесс старения стали
Искусственное и естественное старение являются технологическими операциями, завершающими металлообработку. Если детали и заготовки из некоторых марок стали в процессе эксплуатации склонны к быстрому ухудшению технических характеристик, то старение позволяет добиться необходимой прочности. При производстве отдельных узлов, механизмов и агрегатов данная технология актуальна.
Для металлических деталей после правильно проведенного процесса растут показатели прочности и твердости. Но при этом параметры пластичности и вязкости ухудшаются. Новые параметры остаются неизменными на всем сроке службы металла.
В зависимости от используемой технологии внутренняя структура стали может принимать кубическую, сферическую, дискообразную, игольчатую форму. Каждый вариант имеет определенные преимущества и недостатки. Способы старения можно комбинировать для получения необходимых свойств металла.
Обе рассмотренные технологии распространены и востребованы. Использование данных методов предполагает создание определенных условий и соответствующие финансовые затраты. Результат напрямую зависит от качества выстроенного технологического процесса, опыта и навыков персонала предприятия.
Несмотря на кажущуюся сложность, процессы являются хорошо отработанными и позволяют добиться необходимого результата без брака, перестаривания, деформации заготовок. Полученные детали, за счет улучшения прочности и твердости, получают более широкий диапазон применения и увеличенный срок эксплуатации.
