Деформационное старение в сталях

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. М. Фарбер, О. В. Селиванова, 
В. А. Хотинов, О. Н. Полухина

ДЕФОРМАЦИОННОЕ 
СТАРЕНИЕ В СТАЛЯХ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки
22.03.02, 22.04.02 «Металлургия» 
и 22.03.01, 22.04.01 «Материаловедение 
и технологии материалов»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2018

УДК 669.1(075.8)
ББК 34.22я73
          Д39
Авторы:
В. М. Фарбер, О. В. Селиванова, В. А. Хотинов, О. Н. Полухина

Рецензенты:
замдиректора по научной работе проф., д‑р техн. наук В. П. Швейкин (Институт 
машиноведения УрО РАН);
старший научный сотрудник лаборатории пучковых воздействий канд. физ.‑мат. 
наук Н. В. Гущина (Институт электрофизики УрО РАН)

Научный редактор проф., д‑р техн. наук А. А. Попов

Д39
    Деформационное старение в сталях / В. М. Фарбер, О. В. Селиванова, В. А. Хотинов, О. Н. Полухина. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2018. — 72 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2389‑0

Пособие может быть полезно для знакомства с процессами, происходящими при старении сталей.
Учебное пособие окажет существенную помощь студентам при освоении дисциплин, 
предусмотренных учебным планом, в научно‑исследовательской деятельности, а также при 
выполнении выпускных работ, являющихся заключительной стадией обучения.
Учебное пособие предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Металлургия» и «Материаловедение и технологии материалов».

Библиогр.: 29 назв. Рис. 25. Табл. 6.

УДК 669.1(075.8)
ББК 34.22я73

Учебное издание

Фарбер Владимир Михайлович, Селиванова Ольга Владимировна,
Хотинов Владислав Альфредович, Полухина Ольга Николаевна

ДеФормационное Старение в СталяХ

Редактор И. В. Коршунова
Верстка О. П. Игнатьевой

Подписано в печать 10.05.2018. Формат 70×100/16. Бумага офсетная. Цифровая печать. 
Усл. печ. л. 5,8. Уч.‑изд. л. 4,30. Тираж 50 экз. Заказ 141

Издательство Уральского университета
Редакционно‑издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: +7 (343) 375‑48‑25, 375‑46‑85, 374‑19‑41
E‑mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско‑полиграфическом центре УрФУ
620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: +7 (343) 358‑93‑06, 350‑58‑20, 350‑90‑13
Факс: +7 (343) 358‑93‑06. http://print.urfu.ru

ISBN 978‑5‑7996‑2389‑0 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2018

Введение

Д

ля сталей явление деформационного старения имеет два 
аспекта. С одной стороны, это отрицательное явление, приводящее к снижению пластичности и вязкости, к нестабильности их свойств при эксплуатации изделий. С другой стороны, деформационное старение можно использовать как упрочняющую обработку, 
позволяющую в заданных условиях заметно повысить несущую способность изделия или конструкции без опасного увеличения склонности 
к хрупкому разрушению. В этом случае используются такие композиции сталей и режимы деформационного старения, которые позволяют достичь указанного эффекта в максимальной степени.
В зависимости от обработки, предшествующей старению, оно может быть двух основных типов: закалочное и деформационное. Наибольшее практическое значение имеет деформационное старение (ДС). 
В отличие от закалочного оно происходит при весьма низком содержании примесных атомов в твердом растворе, например при любом 
содержании углерода в железе и стали вплоть до 1∙10–4 мас. %. Закалочное старение дает заметный эффект в основном только для низкоуглеродистых сталей. Наконец, эффекты упрочнения и охрупчивания 
устойчивее при ДС, чем при закалочном старении, что делает ДС более опасным как отрицательное явление и более перспективным при 
применении в качестве упрочняющей обработки.
Деформационным старением принято называть изменение свойств 
металла, происходящее во время или после холодной или теплой пластической деформации. Наиболее важными следствиями ДС стали 
являются эффекты упрочнения и охрупчивания. Если указанные эффекты наблюдаются в основном при выдержке после деформации, 
то такое старение называют статическим, а если в течение самой деформации — динамическим.

1. Физические основы  
деформационного старения

Т

еория ДС в общем виде основывается на двух положениях, многократно подтвержденных практикой [1, 3]. Изменение свойств 
стали, характерное для ДС, происходит только в том случае:
1) если в металл в результате деформации (или другим способом) 
введено определенное количество «свежих» дислокаций;
2) концентрация примесных атомов, которые могут эффективно 
взаимодействовать с этими дислокациями, превышает 10–4 мас. %.
Следовательно, в основе ДС лежит механизм взаимодействия примесных атомов с дислокациями, которые введены в результате деформации. Формальным итогом этого взаимодействия является изменение 
расположения примесных атомов в объеме металла после ДС по сравнению с тем их расположением, которое существовало сразу после деформации. После ДС распределение примесных атомов в основном 
соответствует дислокационной структуре, созданной деформацией.
Процесс старения стали может быть описан как двухэтапный:
1) I этап — образование сегрегаций (атмосфер Коттрелла) на дислокациях и диффузия атомов углерода к границам зерен;
2) II этап — образование и рост частиц карбидов на дислокациях 
и границах зерен.
Для описания процесса старения на Ι этапе рассматривается классическая модель Коттрелла. В этой модели атомы углерода и (или) азота осаждаются на дислокациях, что приводит к закреплению дислокаций и упрочнению материала. Модель Коттрелла не может описать 
все особенности старения многофазных сталей. Данная модель не работает при существенном пересыщении твердого раствора. Плотность 
дислокаций относительно невелика — при концентрации углерода более 3∙10–4 мас. % все вакантные места около дислокаций оказываются занятыми, т. е. модель Коттрелла может хорошо описывать лишь  

1.1. Классификация кривых растяжения  с эффектом деформационного старения

начальную стадию старения и эффективно работает лишь при малом 
пересыщении феррита углеродом.
Согласно теории, предложенной Коттреллом и Билби и развитой 
в работах других исследователей, явление текучести описанного выше 
типа является результатом миграции внедренных атомов примесей 
к дислокациям. Примесь внедрения в ОЦК‑решетке вызывает большие объемные и направленные искажения, которые приводят к сильному взаимодействию как с краевыми, так и винтовыми дислокациями. 
При температурах, обеспечивающих подвижность внедренных атомов, 
последние будут мигрировать к дислокациям, причем полная энергия 
деформации кристалла будет уменьшаться. Это приводит к блокированию скольжения дислокаций в решетке и упрочнению кристалла. 
Чтобы началась пластическая деформация, дислокации нужно оторвать от окружающих их «атмосфер» примесей или от выделений; для 
этого требуется напряжение, большее чем напряжение, которое может 
перемещать дислокации в решетке твердого раствора.

1.1. Классификация кривых растяжения  
с эффектом деформационного старения

Эффект деформационного старения (ЭДС) проявляется на кривых 
растяжения в виде зуба, площадки текучести и ряда других особенностей. Предложенная градация кривых растяжения весьма условна, так 
как зачастую реальные кривые находятся по ряду параметров между 
конкретными типами. Здесь сознательно не рассматривается вопрос 
изменения высоты и протяженности площадки текучести (σт
н и δт), 
так как это обсуждается в главе 2.

Классификация кривых растяжения в условных координатах σ = f (δ) 
проведена по следующим параметрам (рис. 1):
· наличию зуба текучести;
· проявлению деформации предтекучести;
· негладкой (не «горизонтальной») площадке текучести;
· отсутствию параболического участка, s
s
т
в
@
.
Параметры каждого типа кривых характеризуют, в первую очередь, 
степень, закрепление и плотность носителей пластического течения 

1. Физические основы деформационного старения 

(дислокаций), а также механизм отрыва их от стопоров (атмосфер 
примесных атомов и (или) дисперсных частиц). Так, в случае слабого закрепления дислокаций примесными атомами упругая деформация на кривой растяжения заканчивается либо образованием зуба текучести (кривая типа I, рис. 1, а), либо площадкой текучести (кривая 
типа II, рис. 1, б), стадия параболического деформационного упрочнения имеет достаточно большую протяженность.
Другой особенностью механического поведения металла с эффектом деформационного старения является возникновение уже на стадии 
упругой деформации участков металла, в которых протекает микропластическая деформация величиной ~0,2…1,0 % (явление предтекучести) — кривая σ = f (δ) отклоняется от линейного хода (кривые 
типа III и IV, рис. 1, в, г). В этом случае ресурса пластичности металла также хватает для деформационного упрочнения на стадии равномерного пластического течения.
В случае максимального закрепления дислокаций (максимальный 
эффект деформационного старения) отличительным признаком кривых σ = f (δ) является практически полное исчезновение равномерной 
стадии пластического течения (кривые типа V и VI, рис. 1, д, г) при 
наибольшем приросте напряжений на площадке текучести Dsт.
Сопоставим предложенные типы кривых с другими механическими свойствами (деформацией предтекучести δпрт, деформацией 
на площадке текучести δт, равномерной деформацией δр, нижним 
пределом текучести σт
н, временным сопротивлением σв) на примере трубных сталей 08Г2БМ и 05Г2Б с ферритобейнитной структурой (табл. 1 и 2).
В состоянии после контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением (КП и УО), принятым за исходное, на кривой σ = f (δ) стали 
08Г2БМ наблюдается неярко выраженный зуб текучести, появление 
которого происходит на упругой стадии деформации. За площадкой 
текучести следует параболическая часть кривой — стадия деформационного упрочнения. Наблюдаемое пластическое поведение металла на площадке текучести характерно для кривых типа V.
Нагрев на 150 °C приводит к смене типа кривой с V на II: исчезает зуб текучести, упругая стадия заканчивается выходом на гладкую площадку текучести, за которой следует параболический участок кривой.

1.1. Классификация кривых растяжения с эффектом деформационного старения 

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

dпрт

dт

dпрт
dт

dт

dт

dт
dт

sт

н

sт

в
sт

dпрт

а
б

в
г

д
е

Рис. 1. Кривые растяжения сталей в условных координатах σ = f (δ):

а — I тип; б — II тип; в — III тип; г — IV тип; д — V тип; е — VI тип

1. Физические основы деформационного старения 

Таблица 1
начальные участки кривых растяжения σ = f (δ) и механические свойства  
стали 08Г2Бм в исходном состоянии (после контролируемой прокатки)  
и после нагрева при 150...680 оС и выдержки 30 мин

№
п/п
tн, оC
Кривая σ = f (δ) и ее тип
dпрт, % dт, %
sт
н, 
МПа
sв, 
МПа

1
–

σ 

δ

V
–
4,0
730
750

2
150

σ 

δ

II
–
5,0
740
750

3
250

σ 

δ 

IV

0,4
2,5
700
720

4
350

σ 

δ

IV

0,2
4,2
750
760

5
450

σ 

δ 

IV
0,2
5,0
710
730

6
550

σ 

δ 

IV

0,2
3,0
670
710

7
680

σ 

δ 

IV

0,4
3,5
660
700