Понятие о термообработке сплавов с переменной растворимостью компонентов

Термическая обработка многих цветных сплавов, например алюминие­вых, титановых и других, основана на наличии у них ограниченной, завися­щей от температуры взаимной растворимости компонентов. При отсутствии такой зависимости термообработка с целью существенного изменения свойств сплава невозможна.

Данный вид термообработки производится с целью упрочнения сплавов. Его принципиальная схема предусматривает нагрев двухфазного сплава до температуры полного растворения избыточной фазы и получения однофаз­ного строения (см. рис. 3.5, область выше линии FC). Затем сплав быстро охлаждают (закалка) для получения однофазной структуры пересыщенного твердого раствора с последующим повторным нагревом до более низкой температуры для формирования в закаленном сплаве эффективной фазовой и особенно дислокационной структуры.

Рассмотрим эту схему применительно к термообработке дюралюминов, основу которых составляют сплавы начального участка системы А1—Си

Cu,%

Рис 5.7. Начальный участок диа­граммы состояний системы А1— Си

(рис. 5.7). Содержание меди в них не­сколько ниже С". При закалке сплава / он нагревается выше точки t и после не­которой выдержки быстро охлаждается в воде. При этом фиксируется пересыщен­ный, нестабильный твердый раствор а меди в алюминии. Данный раствор является раствором замещения. В нем, в отличие от растворов внедрения, не мо­гут возникать существенные искажения кристаллической решетки, большие внутренние напряжения или другие бо­лее сильные, чем металлическая, виды межатомной связи. В связи с этим закал­ка не приводит к значительному повышению прочностных свойств, в част­ности твердости.

Однако правильно выбранным после закалки нагревом — старением — можно существенно изменить дислокационную структуру сплава и повысить его твердость в два-три раза. При старении в зависимости от температуры нагрева в пересыщенном твердом растворе происходят следующие стадии его распада.

1. Образование так называемых зон Гинье—Престона (ГП), представ­
ляющих собой высокодисперсные дискообразные участки твердого раствора,
сильно обогащенные растворенным компонентом (в данном случае медью).
Диаметр зон ГП составляет 10—50 нм, а толщина—несколько атомных слоев.

Температура начальной стадии распада зависит от природы компонен­тов. Для алюминиевых сплавов она колеблется от комнатной до 50—80 "С. Чем ниже температура, тем больше предолжительность этой стадии. Напри­мер, при обработке дюралюминов при комнатной температуре она требует до 5—6 сут, а при 50—80 °С — до 3 сут.

2. Образование неустойчивых, метастабильных высокодисперсных час­
тиц химических соединений, состав и кристаллическое строение которых по
мере повышения температуры изменяются. Число этих частиц очень велико,
а расстояния между ними слишком малы для свободного перемещения дис­
локаций.

Важной отличительной чертой образующихся метастабильных химиче­ских соединений является наличие у них когерентной связи с кристалличе­ской решеткой обедненного основного раствора.

Данная стадия происходит при более высоких температурах (80—150 °С у алюминиевых сплавов). Ее продолжительность — до суток.

3. Образование стабильных, обособившихся частиц химического соеди­
нения, хорошо различимых в нормальном а-растворе при наблюдении в

микроскоп. У дюралюминов такими частицами являются зерна СиА1₂, на­блюдаемые в нормальном а-растворе. Эти зерна на несколько порядков крупнее включений необособившейся метастабильной фазы. Расстояния ме­жду ними достаточно велики для свободного прохода дислокаций.

Для формирования наиболее эффективной дислокационной структуры, обеспечивающей заметное торможение дислокаций и значительное упрочне­ние сплава, применяется старение, происходящее на 1-й и 2-й стадиях распада.

У алюминиевых сплавов 1-я стадия распада происходит при комнатной температуре. Такое старение принято называть естественным, т. е. не тре­бующим специального нагрева. Старение на 2-й стадии распада называется искусственным.

У более тугоплавких сплавов обе стадии старения протекают при темпе­ратурах, намного превышающих комнатную («естественную»), поэтому им назначается только искусственное старение.

Легко понять, что главной причиной упрочнения рассматриваемых сплавов после закалки и старения является формирование зон ГП и высоко­дисперсных необособившихся частиц метастабильного химического соеди­нения, которые представляют собой эффективные стопоры в дислокацион­ной структуре этих сплавов. Старению подвергаются некоторые марки жа­ропрочных сталей и сплавов, включая никелевые.

Что касается дислокаций, то они формируются источниками Франка— Рида во время закалки под воздействием возникающих в сплаве термических и фазовых напряжений. Плотность дислокаций при старении вплоть до на­ступления 3-й стадии заметно не уменьшается. Более того, во время пласти­ческой деформации при нагружении сами упомянутые стопоры являются факторами, способствующими формированию источников Франка—Рида и генерированию новых дислокаций. Третья стадия старения приводит к разу­прочнению сплава вследствие снижения плотности дислокаций и образова­ния крупных, разрозненных включений стабильного химического соедине­ния СиА1₂ в нормальном а-растворе.