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. Хоти‑
нов, 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 ста‑
рении 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 направ‑
лению «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, приво‑
дящее к снижению пластичности и вязкости, к нестабильно‑
сти их свойств при эксплуатации изделий. С другой стороны, деформа‑
ционное старение можно использовать как упрочняющую обработку, 
позволяющую в заданных условиях заметно повысить несущую способ‑
ность изделия или конструкции без опасного увеличения склонности 
к хрупкому разрушению. В этом случае используются такие компози‑
ции сталей и режимы деформационного старения, которые позволя‑
ют достичь указанного эффекта в максимальной степени.
В зависимости от обработки, предшествующей старению, оно мо‑
жет быть двух основных типов: закалочное и деформационное. Наи‑
большее практическое значение имеет деформационное старение (ДС). 
В отличие от закалочного оно происходит при весьма низком содер‑
жании примесных атомов в твердом растворе, например при любом 
содержании углерода в железе и стали вплоть до 1∙10–4 мас. %. Зака‑
лочное старение дает заметный эффект в основном только для низко‑
углеродистых сталей. Наконец, эффекты упрочнения и охрупчивания 
устойчивее при ДС, чем при закалочном старении, что делает ДС бо‑
лее 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 пла‑
стической деформации. Наиболее важными следствиями ДС стали 
являются эффекты упрочнения и охрупчивания. Если указанные эф‑
фекты наблюдаются в основном при выдержке после деформации, 
то такое старение называют статическим, а если в течение самой де‑
формации — динамическим.

1. Физические основы  
деформационного старения

Т

еория ДС в общем виде основывается на двух положениях, мно‑
гократно 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 при‑
месных атомов с дислокациями, которые введены в результате дефор‑
мации. Формальным итогом этого взаимодействия является изменение 
расположения примесных атомов в объеме металла после ДС по срав‑
нению с тем их расположением, которое существовало сразу после де‑
формации. 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 дис‑
локациях 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 клас‑
сическая модель Коттрелла. В этой модели атомы углерода и (или) азо‑
та осаждаются на дислокациях, что приводит к закреплению дисло‑
каций и упрочнению материала. Модель Коттрелла не может описать 
все особенности старения многофазных сталей. Данная модель не ра‑
ботает при существенном пересыщении твердого раствора. Плотность 
дислокаций относительно невелика — при концентрации углерода бо‑
лее 3∙10–4 мас. % все вакантные места около дислокаций оказывают‑
ся 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 боль‑
шие объемные и направленные искажения, которые приводят к силь‑
ному 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 блокиро‑
ванию скольжения дислокаций в решетке и упрочнению кристалла. 
Чтобы началась пластическая деформация, дислокации нужно ото‑
рвать 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 особенно‑
стей. 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 слабо‑
го закрепления дислокаций примесными атомами упругая деформа‑
ция на кривой растяжения заканчивается либо образованием зуба те‑
кучести (кривая типа I, рис. 1, а), либо площадкой текучести (кривая 
типа II, рис. 1, б), стадия параболического деформационного упроч‑
нения имеет достаточно большую протяженность.
Другой особенностью механического поведения металла с эффек‑
том деформационного старения является возникновение уже на стадии 
упругой деформации участков металла, в которых протекает микро‑
пластическая деформация величиной ~0,2…1,0 % (явление предте‑
кучести) — кривая σ = f (δ) отклоняется от линейного хода (кривые 
типа III и IV, рис. 1, в, г). В этом случае ресурса пластичности метал‑
ла также хватает для деформационного упрочнения на стадии равно‑
мерного пластического течения.
В случае максимального закрепления дислокаций (максимальный 
эффект деформационного старения) отличительным признаком кри‑
вых 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 механиче‑
скими свойствами (деформацией предтекучести δпрт, деформацией 
на площадке текучести δт, равномерной деформацией δр, нижним 
пределом текучести σт
н, временным сопротивлением σв) на приме‑
ре трубных сталей 08Г2БМ и 05Г2Б с ферритобейнитной структу‑
рой (табл. 1 и 2).
В состоянии после контролируемой прокатки с ускоренным охлаж‑
дением (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 деформа‑
ционного упрочнения. Наблюдаемое пластическое поведение метал‑
ла на площадке текучести характерно для кривых типа V.
Нагрев на 150 °C приводит к смене типа кривой с V на II: исче‑
зает зуб текучести, упругая стадия заканчивается выходом на глад‑
кую площадку текучести, за которой следует параболический уча‑
сток 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

1.1. Классификация кривых растяжения с эффектом деформационного старения 

Таблица 2
начальные участки кривых растяжения σ = f (δ) и механические свойства  
стали 05Г2Б 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

III

0,8
2,5
610
645

2
150

σ 

δ 

V
0,4
4,5
660
675

3
250

σ 

δ

IV
0,2
3,5
610
640

4
350

σ 

δ 

II
–
2,5
680
690

5
450

σ 

δ 

II

–
6,5
625
650

6
550

σ 

δ 

II

–
4,0
610
640

7
680

σ 

δ 

II
–
6,0
590
640

1. Физические основы деформационного старения 

Повышение температуры нагрева до 250 °C приводит к смене типа 
кривой со II на IV: на упругом участке деформации появляется стадия 
предтекучести, на которой наблюдается микропластическая деформа‑
ция в отдельных благоприятно ориентированных зернах, в которых 
действуют максимальные касательные напряжения. При дальнейшем 
нагреве вплоть до 680 °C происходит слабое падение прочностных ха‑
рактеристик, связанное с распадом низкотемпературных продуктов 
распада аустенита (бейнита, мартенсита), но эффект деформацион‑
ного старения на кривой σ = f (δ), как и ее тип, сохраняются.
Таким образом, после КП и УО, а также после нагрева на 150 °C ста‑
дия предтекучести на кривых растяжения стали 08Г2БМ отсутствует, 
что свидетельствует о жестком закреплении всех носителей пласти‑
ческого течения. Появление деформации предтекучести после нагре‑
ва на 250 °C свидетельствует об уменьшении числа мест закрепления 
дислокационных отрезков, возможно, вследствие начала коагуляции 
карбидов цементитного типа. Дальнейший нагрев на 350 и 450 °C при‑
водит к коагуляции и растворению карбидов цементитного типа на‑
ряду с началом выделения частиц Cu (ε‑фазы).
При нагреве на 550 °C медь коагулирует, карбиды цементитного типа 
растворяются, что способствует некоторому высвобождению объемов 
зерен от дислокаций; начинается выделение карбида VC, что, в свою 
очередь, приводит к росту уровня предела прочности, более стабильно‑
му поведению металла на площадке текучести. При нагреве на 680 °C 
начинается коагуляция карбидов VC, что находит отражение в неко‑
тором увеличении деформации предтекучести и сохранении высокого 
уровня прочностных свойств. Следовательно, высокий отпуск не сни‑
мает деформационного старения, поскольку частицы, последователь‑
но выделяющиеся при нагреве фаз, стабильно закрепляют решеточ‑
ные и зернограничные дислокации.
Для кривых σ = f (δ) стали 05Г2Б после КП и УО характерны несколь‑
ко иные параметры, чем для кривых стали 08Г2БМ в том же состоянии 
(табл. 2). На кривой наблюдаются неярко выраженные зуб и площадка 
текучести, а также сравнительно протяженная стадия предтекучести.
Нагрев на 150 °C приводит к размытию зуба текучести, а на 250 °C — 
к полному его исчезновению и наличию ярко выраженной площад‑
ки текучести. Имеется деформация предтекучести, но ее величина за‑
метно ниже, чем в исходном состоянии. Уровень прочностных свойств 
сопоставим с оным после КП и УО.