Старение

Состояние сплавов после закалки можно охарактеризовать понятием метастабильного пересыщенного твердого раствора. Пересыщение твердого раствора при закалке может происходить одновременно одним или несколькими компонентами сплава, однако, в большинстве случаев, рассматривают пересыщение главными легирующими компонентами, образующими при распаде упрочняющие фазы. В качестве таковых, например, в сплавах системы алюминий – медь – магний – кремний такими элементами могут быть либо только медь, либо медь и магний, либо все три легирующих элемента.

Кроме пересыщения твердого раствора легирующими компонентами, закаленный сплав имеет повышенную концентрацию точечных дефектов (закалочных вакансий). Часто после закалки сплавы оказываются настолько метастабильными, что начальные стадии распада твердых растворов могут частично проходить либо непосредственно при закалочном охлаждении, либо при комнатной температуре сразу после него.

Схема процессов распада включает следующие основные стадии, развивающиеся друг за другом, и накладывающиеся своими начальными и конечными этапами на смежные процессы:

флуктуационное диффузионное перераспределение атомов растворенного вещества внутри объема переохлажденного пересыщенного твердого раствора с образованием микронеоднородностей (МН) твердого раствора, обогащенных атомами растворенного вещества;

образование зон твердого раствора с упорядоченным расположением атомов растворенного вещества в виде тонких дискообразных областей, характеризующихся искажением кристаллического строения в области перехода таких областей к окружающему твердому раствору и полной когерентностью их решеток (зоны Гинье-Престона 1 и 2 - ЗГП1 и ЗГП2);

образование и последующий рост зародышей метастабильной избыточной фазы, в отличие от ранее выделившихся ЗГП, характеризующихся собственной кристаллической решеткой, отличной от решетки матричного твердого раствора, но и не соответствующей решетке стабильной фазы, свойственной для равновесной системы компонентов;

образование зародышей стабильной фазы и их рост, сопровождающийся обеднением пересыщенного твердого раствора вплоть до равновесных концентраций;

коагуляция частиц выделившейся стабильной фазы.

Таким образом, цепочку превращений при распаде пересыщенных твердых растворов в связи с ростом температуры и длительности выдержки при старении можно представить в виде последовательности:

МН ® ЗГП1® ЗГП2 ® Q” ® Q’® Q® коагуляция частиц.

В результате полного завершения всех указанных процессов система стремится к восстановлению фазового равновесия, нарушенного операцией закалки. В этом случае фазовый состав и структура должна соответствовать равновесной фазовой диаграмме, хотя полного равновесия не удается достичь даже при самых высоких температурах старения.

Операции старения и отпуска, как правило, не проводятся при таких предельно высоких температурах, а ограничиваются лишь значениями, при которых развитие процессов распада доходит только до некоторых промежуточных стадий, не допуская развития последующих, что позволяет регулировать фазовый состав, структуру и свойства сплавов. Температуру старения устанавливают с учетом требований к свойствам для конкретного изделия. Каждая из стадий распада характеризуется своими закономерностями.

Основными технологическими параметрами старения являются температура нагрева и время выдержки. Зависимость основных прочностных свойств сплавов при старении, например, термически упрочняемых алюминиевых сплавов (рисунок 7.7) показывает, что влияние температуры старения на твердость и другие прочностные характеристики сплава при старении выражается кривой с максимумом (рисунок 7.7, а).

Рисунок 7.7. Характер изменения твердости (НВ) и других прочностных свойств сплавов при старении в зависимости от: а - температуры (Т); б - длительности выдержки (t); Зак - уровень твердости сплава в закаленном состоянии; Отж - то же, отвечающий отожженному состоянию сплава; 0 - 6 - различные температурные уровни старения (одинаковые для а и б)

Зависимости твердости от длительности выдержки и температуры старения (рисунок 7.7, б) имеют также либо форму кривой с максимумом (кривые 2 - 4), либо только части такой полной кривой (кривые 0, 1, 6), что характеризует развитие лишь ограниченной части процессов в непрерывной цепи распада твердого раствора, которые оказываются возможными при том или ином температурном уровне старения.

Естественное старение дуралюминов, т.е. старение при комнатной температуре, приводит преимущественно к упрочнению зонами Гинье-Престона. Этому эффекту соответствует кривая 1 (рисунок 7.7, б), характерной особенностью которой является выход ее на определенный уровень упрочнения, который не уменьшается в течение очень больших выдержек при комнатной температуре, обеспечивая надежную работу изделий в таких температурных условиях эксплуатации. Однако уровень упрочнения, достигаемый при естественном старении, не является предельным для большинства алюминиевых сплавов.

Более высокие значения прочностных свойств и особенно предела текучести сплавов, достигаются при искусственном старении, упрочнение при котором обеспечивается за счет выделения частиц промежуточных метастабильных фаз. Максимум на температурной кривой упрочнения (рисунок 7.7, а), по М.В.Захарову, соответствует температуре

Тmax = (0,55... 0,6)·Tпл.

Старение при температуре, обеспечивающей максимальные прочностные свойства, называется полным искусственным старением.

Однако после полного искусственного старения сплавы характеризуются очень низкими значениями пластических характеристик (относительное удлинение, сужение). Лучший комплекс механических свойств сплавов может быть получен при неполном (кратковременном) искусственном старении, на 20-30°С ниже температуры максимума (рисунок 7.7, а, температурный уровень 2), либо при стабилизирующем старении, также на 20 - 30 °С выше температуры максимума (рисунок 7.7, а, температурный уровень 4).

В обоих случаях прочностные свойства оказываются на 5 - 10% ниже максимальных, получаемых при полном искусственном старении, но пластические характеристики в 1,5 - 2,0 раза выше значений соответствующих свойств после полного старения. Дополнительным преимуществом неполного старения является более высокая коррозионная стойкость большинства алюминиевых сплавов по сравнению со сплавами, прошедшими полное искусственное старение.

Существенным преимуществом стабилизирующего искусственного старения является высокая стабильность структуры и свойств сплавов в процессе эксплуатации, особенно при повышенных рабочих температурах. Поэтому такому режиму старения подвергают сплавы, предназначенные для работы в условиях сложнонапряженного состояния и высоких рабочих температур (жаропрочные алюминиевые сплавы). Старение при наиболее высоких температурах называется разупрочняющим.

Эффект упрочнения сплавов при старении зависит от химического состава сплавов и его фазового и структурного состояния. В первом приближении уровень упрочнения почти линейно зависит от содержания элемента-упрочнителя в сплаве, а также от состава и структуры упрочняющей фазы.

Чем сложнее состав и структура фазы-упрочнителя, тем выше эффект упрочняющей термической обработки. Возможности упрочняющей термической обработки сплава и ожидаемые ее результаты могут быть определены при изучении диаграмм состояния рассматриваемой системы.