Что называют старением материалов какое влияние на свойства материалов оказывает процесс старения
Старение материалов
Старение материалов — медленное самопроизвольное необратимое изменение свойств материалов. Старение происходит под действием теплового движения молекул и атомов, светового и иного излучения, механических воздействий, гравитационных и магнитных полей и других факторов. В результате материал переходит в более равновесное состояние. В экономике считается вредным процессом, так как свойства материала с течением времени отклоняются от спроектированных, обычно в худшую сторону.
Старение происходит, как правило, в твёрдых телах, полимерах и жидких смесях. В газах и низкомолекулярных чистых жидкостях старения не происходит из-за того, что они крайне быстро приходят в термодинамическое равновесие.
Основные виды старения:
Чтобы изготавливаемый материал имел стабильные свойства, нередко применяют искусственное старение.
Литература
Полезное
Смотреть что такое «Старение материалов» в других словарях:
Старение материалов — – изменение (ухудшение) физико химических и механических свойств, структуры материалов при эксплуатации и длительном хранении. [Терминологический словарь по бетону и железобетону. ФГУП «НИЦ «Строительство» НИИЖБ им. А. А. Гвоздева, Москва,… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
СТАРЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ — изменение физико химических и механических свойств и структуры материалов при эксплуатации и длительном хранении. Происходит в материалах с повышенным уровнем внутренней энергии … Большой Энциклопедический словарь
старение материалов — изменение физико химических и механических свойств и структуры материалов при эксплуатации и длительном хранении. Наиболее заметно в материалах с повышенным уровнем внутренней энергии. * * * СТАРЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ СТАРЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ, 1) изменение… … Энциклопедический словарь
СТАРЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ — самопроизвольное или искусственное изменение величины механических характеристик материалов во времени (Болгарский язык; Български) стареене на материалите (Чешский язык; Čeština) stárnutí materiálu (Немецкий язык; Deutsch) Alterung (Венгерский… … Строительный словарь
Старение металлов — – изменение механических, физических и химических свойств металлов и сплавов, протекающее либо самопроизвольно, в процессе длительной выдержки при комнатной температуре (естественное старение), либо при нагреве (искусственное старение).… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Старение — (деструкция) – необратимое изменение свойств материала в результате протекания внутренних физико химических процессов, вследствие влияния внешней среды и условий работы материала; способность переходить с течением времени из одного… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Старение полимеров — – самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале при эксплуатации и хранении. Причинами старения являются свет,… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Старение лакокрасочного покрытия — – необратимые изменения свойств лакокрасочного покрытия, наступающие со временем. [ГОСТ 28246 2006] Старение лакокрасочного покрытия – процесс необратимого изменения строения и (или) состава лакокрасочного покрытия, происходящий с… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Старение пленки — – необратимые изменения свойств пленки, которые протекают во времени. [ГОСТ 28246 89] Рубрика термина: Дефекты краски Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы, Автодороги … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Старение конденсатора — процесс необратимого изменения структуры и состава материалов диэлектрика конденсатора, приводящих к ухудшению его эксплуатационных свойств. Источник: ГОСТ 27390 87 (СТ СЭВ 5020 85). Конденсаторы самовосстанавливающиеся для повышения… … Официальная терминология
Старение металла
Старение металла – это процессы, протекающие внутри металла и вызывающие изменения физических и механических свойств, внутренней структуры. Проистечение данных процессов может происходить естественным путем (при большой длительности по времени и температуре, приближенной к 20°С) и искусственным воздействием (термообработкой и пластическим деформированием).
Процесс старения
Старение в качестве температурной обработки используется как заключительная операция. Применима к тем металлам и сплавам, у которых пресыщенный твердый раствор может выделять избыточный компонент и самопроизвольно распадаться.
После проведения процедуры старения у металла увеличиваются твердость с прочностью, но при этом снижаются вязкость с пластичностью, но эти значения сохраняются на протяжении срока работы.
Старение стали производится для изменения внутренней структуры после закалки. Полученный твердый раствор феррита пресыщенный углеродом и азотом при нагревании распадается. В зависимости от количества содержания углерода в сплаве внутренняя структура может приобретать форму:
Искусственное старение металла (термообработка) применяется к тем сплавам, в которых растворяемость одного элемента в твердом состоянии значительно снижена. Это проявляется при снижении температуры.
Во время искусственного старения в сталях с низким содержанием углерода, не выше 0,05%, распадается пресыщенный твердый альфа раствор. При этом выделяются избыточные фазы. Такая метаморфоза приводит к тому, что снижается пластичность, но приводит к увеличению твердости и прочности.
На рисунке показана модель Орована, которая иллюстрирует перемещение дислокаций. Максимального эффекта добиться возможно при естественном старении, но время затраченное на это будет значительным. Увеличить скорость протекания процесса можно искусственным старением, но при этом прочностные характеристики будут снижены.
Твердость в зависимости от времени старения
На графике отчетливо видно, что сокращение времени старения не позволяет получить высокую твердость.
Течение процесса старения во многом зависит от углерода и азота. Особенно это заметно в малоуглеродистых сталях. Азот с уменьшением температуры начинает хуже растворятся в альфа железе. Например, при температуре 590°С растворенного азота содержится 0,1%, но уже при 20°С его содержание снижается до 0,004%. При старении альфа раствор выделяет нитриды. Поэтому влияние азота менее выражено по сравнению с тем же углеродом при температурном воздействии.
При увеличении углерода в сталях увеличивается эффект изменения структуры, получаемый при термическом воздействии. Объем углерода, максимум которого может раствориться в альфа железе составляет 0,02-0,04%. При таком содержании закаленное изделие, подвергнутое естественному старению обладает твердостью в полтора раза выше чем после отжига.
Старение – это основной способ увеличения прочности жаропрочных сплавов (с высоким содержанием никеля). В эту же группу относятся сплавы на основе алюминия, меди, магния. Кроме того, измененная структура вышеперечисленных металлов и сплавов придает им коэрцитивную силу.
Алюминиевые и алюминисто-медные сплавы подвергаются деструкции при различных температурах (свыше 100°С) из-за различия в температуре распада структуры разных металлов. Так выделяют низкотемпературное и высокотемпературное изменение структуры.
Распад твердого раствора проходит по двум путям. В первом случае это образование и рост частиц фазы идет по всему объему. Во втором случае распад прерывистый (ячеистый). Во время него ячейки растут колониями. У колоний структура ячеистая, а рост идет от границы зерна и движется во внутрь, уменьшая размер.
Механическое и термическое старение
Существует два вида старения металла: термическое и механическое. Рассмотрим каждый из них более подробно.
Термическое старение
Фаза упрочняющая металл во время термического воздействия происходит в точке максимума. Здесь проходит метастабильный промежуток раствора в зоне Гинье-Престона. Такой вид упрочнения металлов и сплавов принято называть дисперсионным.
Зависимость прочности от времени и температуры старения
При более длительной выдержке начинается перестаривание, то есть снижение прочностных характеристик. На это влияют:
Виды термического старения металла:
Механическое старение металла
Деструкция стали при помощи деформирующих усилий происходит в диапазоне температур ниже процесса рекристаллизации. Обусловлено это образованием и движением дислокаций. При холодной пластической деформации увеличивает плотность дислокаций, которые далее еще больше увеличиваются при увеличении нагрузок.
Изменяющиеся механические свойства металла вызывает движение атомов углерода и азота к дислокациям, которые размещены в альфа растворе. Достигнув дислокаций атомы образуют облака (атмосферы Котрелла). Данные скопления препятствуют движению дислокаций, благодаря чему происходит изменение свойств. Появляются присущие состаренным термообработкой деталям свойства.
Если на эффект старения деформированием сильно влияют азот, никель и медь, то с добавками ванадия, титана и ниобия данный эффект полностью пропадает. Поэтому рекомендуется использовать сталь с содержанием алюминия 0,02-0,07%.
Рекомендуемые режимы для проведения старения
Температура нагрева и время выдержки подбирается индивидуально к каждой марке металла и к сплаву в зависимости от их состава.
Старение металла, виды, искусственное, естественное, как происходит и от чего зависит
Старение металлов достаточно медленный процесс, в результате которого происходят механические изменения, изменение физических и химических свойств.
На старение металлов оказывает влияние целый ряд факторов, среди которых:
Суть старения металла заключается в том, что происходит процесс равновесного состояния, при котором свойства металла отклоняются от нормы. А именно, материал может стать более мягким, хрупким, менее упругим и т.д.
Типы старения металлов
Различают естественное старение и искусственное.
Искусственное старение металла это когда металл, быстро приобретает тот состав и те свойства, которые необходимы. Достигается искусственное старение путем воздействия термообработкой и пластическим деформированием. Например, при получении дюралюминия его подвергают на несколько часов искусственному старению.
Естественное старение происходит соответственно естественным путем и не требует создания дополнительных условий. Хотя более интенсивно процесс идет при большой длительности по времени и температуре, приближенной к 20°С.
Применение процессов старения в металлургии и металлообработке
Старение в качестве дополнительной обработки применяется как заключительная операция. Используется к некоторым металлам и сплавам, у которых пресыщенный твердый раствор может выделять избыточный компонент и распадаться самопроизвольно с течением времени. Особенно актуален метод для подготовки материалов при создании отдельных узлов и деталей, для которых описанный выше процесс будет критичен.
После старения у металла возрастают показатели твердости с прочности, но при этом снижаются вязкость с пластичностью, однако важно отметить, что эти значения сохраняются на протяжении всего срока службы материала.
Старение стали выполняют для изменения внутренней структуры и применяется после закалки. Так, полученный твердый раствор феррита пресыщенный азотом и углеродом при нагревании распадается. В зависимости от объема включений углерода в «стареющем» материале, внутренняя структура приобретает формы:
Термообработка (искусственное старение металла) применяется к тем сплавам, в которых растворяемость одного элемента в твердом состоянии значительно снижена. Это свойство ярко проявляется при снижении температуры.
В сталях с низким содержанием углерода, не выше 0,05%, при искусственном старении, распадается пресыщенный твердый альфа раствор. Как результат выделяются избыточные фазы. После такой обработки снижается пластичность, но явно увеличивается твердость и прочность. А именно эти качества часто требуются в конечном продукте металлургии.
На показанном рисунке продемонстрирована модель Орована, наглядно иллюстрирующая перемещение дислокаций. Получить максимальный эффект можно при естественном старении, Однако на это дело потребуется большое количество времени, что не выгодно и не практично в случае с постоянным и объемным производством (это ведь не вино/коньяк в бочках отстаиватьJ). Поэтому существуют искусственные методы по ускорению этих естественных процессов (жаль такого не провернуть с вискарикомJ). Но стоит отметить, что при искусственном «старении» прочностные характеристики материала будут заметно снижены.
Твердость в зависимости от времени старения
Показанный график наглядно демонстрирует описанную выше проблему – сокращение времени старения металла не увеличивает его прочностных характеристик.
Течение процесса старения во многом зависит от углерода и азота. Особенно это заметно в малоуглеродистых сталях. Азот с уменьшением температуры начинает хуже растворятся в альфа железе. Например, при температуре 590°С растворенного азота содержится 0,1%, но уже при 20°С его содержание снижается до 0,004%. При старении альфа раствор выделяет нитриды. Поэтому влияние азота менее выражено по сравнению с тем же углеродом при температурном воздействии.
Старение полимерных материалов
Старение — пластмасса
Старение пластмасс в различных химических средах изучают на специальных образцах, имеющих форму диска диаметром 50 мм.
Старение пластмасс проявляется в потере свойств с течением времени. Действие температуры, влажности, света, воды, длительное пребывание в атмосферных условиях ускоряют процесс старения пластмасс.
Под старением пластмасс понимают необратимое изменение важнейших эксплуатационных свойств, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале под влиянием условий испытания или эксплуатации. На практике, как правило, полимерный материал подвергается комплексному воздействию перечисленных факторов.
| Изменение излучательной способности ксеноновой лампы в аппарате Ксенотест-450. |
Для изучения старения пластмасс и других материалов наибольший интерес представляет измерение освещенности.
В почве и морской воде старение пластмасс протекает очень замедленно, что обеспечивает длительный срок службы этого покрытия. Наибольшей прочностью и стойкостью обладают лавсановые, полиамидные и толстые перхлорвиниловые пленки.
Стабилизаторы — специальные добавки для замедления процессов старения пластмасс были рассмотрены ранее.
При одновременном действии повышенной температуры и влажности процесс старения пластмасс ускоряется. В пластмассах происходят необратимые процессы, приводящие к резкому снижению их прочности.
Защита полимеров от старения
Поскольку старение многих полимеров протекает в основном по механизму цепных радикальных реакций, то при защите полимеров от старения нужно в первую очередь исходить их таких мер, которые были бы направлены па подавление этих реакций. Промышленным путем защиты полимеров от старения, стабилизации свойств изделий из них во времени является введение в полимеры на стадии переработки малых (до 5%) добавок низкомолекулярных — стабилизаторов. Общее назначение стабилизатора состоит в рассеянии на своих молекулах энергии, которая могла бы привести к разрушению полимера.
Стабилизаторы, подавляющие развитие цепных реакций деструкции, называют ингибиторам. Следовательно, стабилизатор-ингибитор— это вещество, распадающееся с образованием радикалов. Эффективность стабилизатора тем выше, чем менее активен в развитии цепных реакций и более устойчив во времени его радикал.
Стабилизаторы, препятствующие развитию окислительных реакций в полимерах, называют антиоксидантами. По механизму действия антиоксиданты делятся на две большие группы. Первую группу составляют вещества (ингибиторы), которые реагируют со свободными полимерными и радикалами на стадии их образования. К этой группе относятся широко применяемые на практике соединения на основе ароматических аминов и фенолов с разветвленными алкильными заместителями. Ко второй группе относятся вещества, не способные к образованию свободных радикалов, но уменьшающие разложение образующихся в макромолекулах полимерных гидроперекисей. Последние в определенных условиях сами становятся источником новых свободных радикалов, которые углубляют развитие реакций деструкции полимеров. Вещества, разрушающие полимерные гидроперекиси без образования радикалов, называют превентивными антиоксидантами. Превентивными антиоксидантами являются сульфиды, тиофосфаты и др.
Эффективную защиту от термоокислительного старения обеспечивает применение пары антиоксидантов, действующий по разным механизмам, взаимоусиленный стабилизирующий эффект смесью двух антиоксидантов называют синергизмом.
Многие антиоксиданты проявляют активность при температурах, не превышающих 280оС. При более высоких температурах полимеры защищают от термоокисления металлами, оксидами металлов переменной валентности. Тонкодисперсные порошки этих добавок поглощают кислород, и термоокислительная деструкция заменяется термической, которая всегда протекает медленнее.
Для защиты полимеров от светового старения применяют светостабилизаторы, действие которых основано как на поглощении солнечного света (УФ-абсорберы), так и на торможении реакций деструкции. Последние инициируются в полимере светом, но развиваются в его отсутствие. Защитное действие УФ-абсорберов заключается в том, что вся поглощенная ими энергия расходуется на перестройку макромолекул. Возвращение к начальной структуре сопровождается выделением теплоты, не опасной для полимера.
Активными светостабилизаторами для многих промышленных полимеров являются неорганические пигменты (TiO2, ZnS), канальная сажа, производные резорцина и т. д.
В настоящее время накоплен большой материал по механизму старения полимеров, разработаны эффективные меры комплексной защиты их от всех видов разрушения. При оценке эффективности стабилизаторов учитывают не только их активность в химических реакциях, но и способность совмещаться с полимерами, доступность, дешевизну и токсические свойства.
Защитить от старения полимер можно также путем изменения его физической структуры. Для этого полимер подвергают специальной механический или термической обработке или вводят в него добавки — структурообразователи.
Старение материалов
Старением называются процессы изменения свойств материалов во времени при длительной эксплуатации или хранения.
Старение материалов обусловлено в основном рекристаллизацией материалов, диффузией, хемосорбцией, химическими реакциями, коррозионными процессами и увлажнением, вызывающих изменение начальных свойств материалов, из которых изготовлены элементы. Эти изменения могут привести к повреждению элемента и к опасности возникновения критического отказа системы.
При старении может происходить как ухудшение, так и улучшение определенных свойств материалов или нередко – улучшение одних свойств при одновременном ухудшении других. Иногда применяют искусственное старение материалов с целью улучшения или стабилизации некоторых их характеристик.
Изменения свойств в процессе старения, как правило, обусловлены постепенными переходами от исходных нестабильности или неравновесного состояния к равновесному, которые сопровождаются структурными превращениями или релаксационными явлениями. Естественно, что на скорость старения влияют внешние условия (эксплуатации или хранения).
В металлах и сплавах процессы старения могут быть связаны с аллотропическими или мартенситными превращениями, упорядочением и разупорядочением твердых растворов, распадом мартенситной структуры, образованием твердых растворов и их распадом и др. все это сопровождается либо изменением кристаллической структуры, либо образованием фаз и изменением химического состава. Для металлов и сплавов наиболее существенны процессы распада пересыщенных твердых растворов и распада мартенситной структуры. Следствием старения металлов и сплавов является изменение прочности, твёрдости, коррозионной стойкости и т.д. Аллотропические изменения характерны для некоторых чистых металлов: железо, титан, цирконий, олово и др. В аллотропических превращениях возможны существенные изменения объема материала. Как правило, эти превращения развиваются автокаталитически.
Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых растворов, вызывает изменение механических и физических свойств сплава: прочности, твердости, электросопротивления, коэрцитивной силы, стойкости против коррозии и др. Процессы, протекающие на первых стадиях старения (появление субмикроскопической неоднородности в распределении атомов растворенного компонента, когерентная связь двух различных решеток, выпадение весьма дисперсных частиц), приводят к упрочнению сплава, увеличению его твердости, повышению сопротивления пластической деформации, связанному с тем, что изменения структуры сплавов на этих стадиях старения затрудняют перемещение дислокаций при пластической деформации.
При распаде пересыщенных растворов снижается сопротивляемость сплава коррозии. В стареющих сплавах часто наблюдается коррозионное распределение под напряжением, связанное с локализованным выделением по границам зерен. Присутствие даже малых компонентов локализованных выделений может привести к возникновению растрескивания по границам зерен на участке детали, подвергнутом большим напряжениям.
Мартенситное превращение состоит в перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные. По сравнению с другими структурами стали мартенситная структура отличается наибольшей твердостью (а также наибольшими коэрцитивной силой и электросопротивлением), но одновременно и повышенной хрупкостью.
Физико-механические свойства полимеров зависят от их химического состава и структуры. Старение полимеров в основном обусловлено процессами, вызывающими деструкцию, т.е. распад основных цепей макромолекул или изменение их строения. Отрицательно сказываются и обратные процессы образования новых связей и сшивка макромолекул. Макромолекулы полимеров в основном подвергаются термической, фотохимической и окислительной деструкции.
Процессы (реакции) деструкции делят на четыре группы, различающиеся механизмом и кинетикой:
1) реакции, индуцированные физическими факторами, протекающие: а) с разрывом цепи; б) без разрыва цепи;
2) реакции, индуцированные химическими агентами, протекающие: а) с разрывом цепи; б) без разрыва цепи.
При старении пластических материалов могут изменяться структура, молекулярный вес, химический состав, взаимодействие макромолекул, определяющие физико-механические свойства этих материалов. Происходящее часто при старении в результате деструкции уменьшение длины цепи и молекулярного веса полимеров существенно ухудшает их механические свойства: снижает прочность при растяжении, увеличивает хрупкость при низких температурах, снижает стойкость к истиранию. В результате процессов структурирования повышаются нерастворимость полимеров, их твердость и прочность; при этом увеличивается хрупкость и снижаются пластичность и эластичность. При длительной выдержке полимера в условиях постоянной достаточно высокой температуры его прочность может сначала уменьшиться вследствие деструкции цепи, а затем вновь увеличиться благодаря структурированию. В конце концов, прочность понижается в результате полного разложения полимера.
Ухудшение со временем параметров и характеристик полупроводниковых приборов обусловлено физико-химическими процессами в полупроводниках, механизм которых определяется главным образом двумя их особенностями:
— высокой чувствительностью поверхности полупроводников с (p-n)-переходами как к физическим условиям, так и к химической природе окружающей среды;
— высокой чувствительностью свойств полупроводников к примесям, неоднородностям и дефектам структуры полупроводников.
Процессы, вызывающие изменения параметров и характеристик приборов, в значительной степени зависят от внешних условий и режимов работы: окружающей температуры, влажности, давления, состава окружающей газовой среды, механических нагрузок, рассеиваемой мощности, вида электрической нагрузки, длительности работы и других факторов. Характер влияния ряда внешних воздействий показан в табл. 1. Во всех случаях окружающая температура и рассеиваемая мощность в наибольшей степени ускоряют процессы изменения параметров, определяющих отказы. Значительная зависимость параметров от температуры является принципиальной особенностью полупроводниковых приборов, связанной с физическими свойствами полупроводников.
Дата добавления: 2015-03-19 ; просмотров: 2901 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ