金属材料时效现象及其对机械性能的影响与应用

日常生活中，经常发现低碳钢板等材料经过热加工或冷加工后，在室温下放置一段时间后其力学性能发生变化。金属材料的性能随时间发生变化的现象称为老化。 。

限制条件

老化往往会导致材料性能变差，在实际生产中应注意防止。但也可以掌握其变化规律，以便在生产中利用。由于钢的化学成分不同、预热加工或冷加工不同以及使用温度不同，钢的时效也有不同的性能。

当钢经固溶处理后快速冷却至时效温度时，合金元素将处于过饱和状态。此时，如果合金元素仍有扩散能力，那么随着时间的推移，钢中的合金元素会从固溶体中脱落（或析出），引起材料性能的变化，这种变化称为老化。时效过程的定义：材料性能随时间的推移发生的所有相关变化统称为时效过程。

老化条件：

1）在合金元素中具有一定的溶解度；

2）溶解度随温度降低而降低；

3）高温下固溶的合金元素快速冷却后变为过饱和；

4）在低温下，合金元素仍有一定的扩散速度。

老化现象是由非平衡状态转变为平衡状态的自发现象。如果固溶处理后以极慢的速度冷却达到平衡状态而没有冷变形，则不会发生时效现象。

钢的时效现象主要是由钢中的碳、氮间隙原子引起的。碳和氮是钢中的间隙原子。间隙原子在室温下一般具有一定的扩散能力。它们的溶解度随着温度的降低而降低。因此，只要固溶处理后迅速冷却，造成过饱和状态，就会产生时效现象。因此，时效现象可分为淬火时效和应变时效（变形时效、机械时效）。淬火时效是固溶体快速冷却到一定温度而引起的沉淀硬化。在此温度下，第二相元素变得过饱和。在较高温度和多次应用下会发生沉淀，导致屈服强度、拉伸强度和硬化度增加。

应变时效是某些材料塑性变形后发生的现象。对于低碳钢板，应变时效导致不连续屈服再次发生，屈服强度和硬度增加，韧性下降，抗拉强度无明显变化。

性能变化

随着材料的老化，其性能会发生较大的变化，主要包括以下变化：

1）材料硬度增加；

2）钢材的强度（屈服强度增加，抗拉强度增加或不变）、塑性和韧性（伸长率、断面收缩率、抗冲击功）下降；

3）一些电性能和物理性能也发生了变化，如电阻减小、矫顽力增大等。

影响因素

钢中的碳、氮间隙原子是引起时效的基本元素。这些元素的原子在室温下仍然具有扩散能力。因此，当快速冷却造成的过饱和固溶体处于不平衡状态时，必然会出现时效现象。淬火时效主要依靠碳和氮化物的弥散和析出，而形变时效则是位错附近碳、氮原子富集，钉扎位错的结果。位错的密度随钢的化学成分、热处理和冷变形等因素而变化。有人曾经计算过，当钢中碳、氮的过饱和度达到0.0001%以上时，就会出现时效现象。钢中含碳量越高，α-Fe中固溶碳量越高，时效效应越明显。然而，当钢中的碳含量太大以致于组织中出现渗碳体时，时效效果就会降低。实验表明，当碳含量在0.25%左右时，时效后性能变化最大。

由于氢原子的扩散系数较大，放置时间较长，氢原子会从钢中析出。这就是氢原子引起的老化现象。钢中的硼原子可以是间隙原子或替代原子，从而抑制老化。氧原子对老化没有太大影响。研究指出，铝脱氧钢可以降低钢的时效敏感性。并不是铝有很强的脱氧能力，降低了钢中的氧含量，而是铝和氮之间存在很强的相互作用。真正起作用的亲和力不是铝与氧结合（酸不溶性铝），而是仍然残留在钢水中的铝（酸溶性铝）。钢中的铝和氮会形成AlN，AlN的溶解度也随着温度的降低而降低。但由于铝的存在，氮在固溶体中的溶解度比不存在铝时大大降低，因此铝对抑制钢的时效有非常明显的作用。除铝外，钛、钒、钼、铌、铬、硅、锰、铜、砷、锡等合金元素均对钢的时效产生影响。

已到期

老化过程是从非平衡状态转变为平衡状态的自发现象。碳、氮等间隙原子处于过饱和状态，在低温下依靠其扩散能力从固溶体中脱落（或沉淀），导致材料性能恶化。变化的过程。为了保证带钢具有我们所要求的各种性能，必须采取相应的生产工艺措施，防止带钢老化的发生。这些相应的生产工艺措施就是所谓的过时效。

连续退火炉内设置过时效工段，用于对一些有过时效要求的钢种（如DQ-AK、DDQ-AK、DP钢、TRIP钢）进行时效处理，即在该钢种的过时效温度范围内，将带钢保持足够的过时效时间，使碳、氮等间隙原子充分析出。但它们的析出方式与普通低碳钢有很大不同。较大的差异主要是由于添加了铝、钒、铌等合金元素，这些元素会与氮形成稳定的氮化物并同时析出，强化铁素体基体（称为第二相弥散硬化）并细化晶粒，提高钢的强度和强度。可以显着提高韧性，同时抑制较低温度下的时效现象。例如，在铝脱氧镇静钢中，添加足够量的铝，使得除了与氧结合（添加铝作为脱氧剂）之外，还有相当数量（0.02-0.04%）保留在固溶体中。剩余的铝可以用来固氮，即通过轧制后缓慢冷却或在700-800℃保温，铝和氮可以形成稳定的AlN，可以减弱甚至完全消除通常在较低温度下出现的时效现象。温度。同时，高度分散的AlN颗粒可以阻止1000℃以下奥氏体晶粒的长大（与铝的浓度有关），使该钢成为本质上细晶粒的钢。另外，由于合金元素的存在，使钢中的碳和氮凝固。钢材变形后，虽然出现大量位错和空位缺陷，但没有碳、氮快速位移形成科里奥利气团，从而减少了形变时效的发生。

老化的实际应用

如果汽车车身零件，如前翼子板、车顶板等采用冷冲压加工，当低碳钢板发生物理屈服（不增加应力的屈服）时，会出现局部突然屈服。 ，钢板变形不均匀，造成钢板表面变形、起皱。为了避免这种缺陷，首先应消除物理屈服。实践证明，冲压前对变形量较小（0.8-1.5%变形量）的退火钢板进行轧制，可以消除物理屈服。然而，这种物理屈服现象的消除只是暂时现象。如果过了一定时间，物理屈服现象就会再次出现。由此可见，形变时效对深拉钢板的危害很大。为了避免变形和老化现象的发生，在生产中采用以下方法：

通过小变形轧制消除物理屈服现象后，及时进行冲压加工；

如果不能及时进行冲压加工，应将钢板存放在低于零度的环境中，这样可以抑制和延缓老化过程；用IF钢代替制作钢板，并对冷轧钢板进行退火。