5.4. Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Переменная растворимость компонентов в твердом состоянии дает возможность значительно упрочнять сплавы путем термической обработки. Это привело к широкому использованию сплавов этого типа — стареющих сплавов — в качестве конструкционных материалов повышенной и высокой прочности; применяют стареющие сплавы на алюминиевой, медной, железной, никелевой, кобальтовой, титановой и других основах.

Рассмотрим принцип упрочняющей термической обработки стареющих сплавов на примере системы с промежуточным соединением (рис. 5.4, а).

Рис. 5.4. Диаграмма состояния компонентов с переменной растворимостью в твердом состоянии: а — диаграмма равновесия; б — количество первичных (1) и вторичных (2) кристаллов в сплавах разного состава при температуре 20 — 25 °С (высота прямоугольника пропорциональна массе всего сплава)

К термически упрочняемым относятся сплавы составов от точки а до промежуточного соединения в которых при охлаждении из твердого раствора а выделяются вторичные кристаллы При этом степень упрочнения тем выше, чем больше масса вторичных кристаллов в равновесном сплаве (рис. 5.4, б).

Рассмотрим для примера сплав I состава точки с, который в равновесном состоянии имеет двухфазную структуру, состоящую из кристаллов твердого раствора а концентрации точки и и относительно крупных вторичных кристаллов Сопротивление движению дислокаций возрастает по мере уменьшения расстояний между частицами упрочняющей фазы, т. е. сплав I станет прочнее, когда вместо немногочисленных крупных включений образуется большое количество мелких. Наибольшее препятствие для движения дислокаций создают включения, отстоящие друг от друга на 25-50 межатомных расстояний. В большинстве стареющих сплавов желательная дисперсная структура образуется в результате термической обработки, состоящей из двух операций - закалки и старения.

При закалке сплавы нагревают до температур, обеспечивающих распад вторичных кристаллов. Для рассматриваемого сплава 1 такой будет температура, несколько превышающая (см. рис. 5.4, а). Быстрым охлаждением с температуры закалки полностью подавляют процесс выделения вторичных кристаллов и в результате получают однофазный сплав - пересыщенный компонентом В твердый раствор. Пересыщение твердого раствора относительно мало сказывается на повышении твердости и прочности, незначительно изменяется и пластичность сплавов.

Пересыщенный твердый раствор представляет собой неравновесную структуру с повышенным уровнем свободной энергии. Поэтому, как только подвижность атомов окажется достаточно большой, твердый раствор будет распадаться начнется процесс старения.

Старение, происходящее при повышенных температурах, называют искусственным. В сплавах на основе низкоплавких металлов старение может происходить при температуре 20-25 °С в процессе выдержки после закалки; такое старение называют естественным.

При старении уменьшается концентрация пересыщающего компонента в твердом растворе; этот компонент расходуется на образование выделений.

Тип выделений (кристаллическая структура), их размер и характер сопряженности с решеткой твердого раствора

зависят как от вида сплава, так и от условий старения, т. е. от температуры и времени выдержки.

В большинстве сплавов при старении получаются выделения нескольких типов.

При любой перегруппировке атомов в твердом растворе, в том числе и при зарождении выделений, необходимо преодолеть определенный энергетический барьер. Величину этого барьера называют энергией активации.

Энергия активации зарождения и роста выделений зависит от того, насколько отличается пространственная решетка выделений от пространственной решетки основного твердого раствора. При малом различии решеток энергия активации будет небольшой, а при большом - энергия активации возрастает. С увеличением температуры увеличивается кинетическая энергия атомов, и поэтому повышается вероятность преодоления более высокого энергетического барьера.

Уменьшение свободной энергии при распаде пересыщенного твердого раствора будет наибольшим при выделении равновесных кристаллов АШВИ, однако зарождение таких кристаллов, имеющих, как правило, сложную пространственную решетку, возможно только при достаточно высоких температурах. При невысоких температурах старения зарождаются неравновесные выделения с более простой кристаллической структурой.

В общем случае при распаде пересыщенных твердых растворов могут возникать образования следующих типов (они перечисляются в порядке возрастания энергии активации зарождения):

1) зоны Гинье-Престона; 2) кристаллы метастабильной фазы; 3) кристаллы стабильной фазы.

Зоны Гинье-Престона (зоны ГП) представляют собой весьма малые (субмикроскопические) объемы твердого раствора с резко повышенной концентрацией растворенного компонента, сохраняющие решетку растворителя. Скопление растворенных атомов вызывает местное изменение периода решетки твердого раствора. При значительной разнице в размерах атомов А и В, как это, например, наблюдается в сплавах , зоны ГП имеют форму дисков, толщина которых (учитывая искажения решетки) составляет несколько межатомных расстояний (рис. 5.5, а), диаметр 10-50 нм. Диски закономерно ориентированы относительно пространственной решетки растворителя. При небольшом различии в атомных диаметрах компонентов, как, например, в сплавах Al-Zn,

Рис. 5.5. Типы выделений из пересыщенного твердого раствора: а - зона Гинье — Престона; 1 — атомы растворителя; 2 — растворенные атомы; б — кристаллы метастабильной фазы (когерентное выделение); в — кристаллы стабильной фазы (некогерентное выделение)

обогащенные зоны имеют форму сфер.

Многочисленные зоны ГП затрудняют движение дислокаций - для прохождения дислокации через зону и окружающую ее область с искаженной решеткой требуется приложить более высокое напряжение.

Метастабильные фазы имеют иную пространственную решетку, чем твердый раствор, однако существует сходство в расположении атомов в определенных атомных плоскостях той или другой решетки, что вызывает образование когерентной (или полукогерентной) границы раздела. Когерентная граница при некотором различии кристаллической структуры приводит к появлению переходной зоны с искаженной решеткой (рис. 5.5,б). Для метастабильных фаз характерна высокая дисперсность, что значительно повышает сопротивление движению дислокаций.

Стабильная фаза имеет сложную пространственную решетку с пониженным числом элементов симметрии и с большим числом атомов в элементарной ячейке.

Вторичные кристаллы со стабильной структурой в большинстве сплавов выделяются в виде достаточно крупных частиц. Значительное различие кристаллической структуры твердого раствора и стабильных кристаллов приводит к образованию некогерентной границы раздела (рис. 5.5, в) и, сооответственно, к минимальным искажениям решетки твердого раствора вблизи границы. Упрочнение сплава при образовании стабильных кристаллов оказывается меньшим, чем при образовании зон ГП и метастабильных когерентных кристаллов.

Кривые старения (рис. 5.6) принято строить в координатах твердость -длительность старения (при постоянной температуре). Условно примем, что максимальное упрочнение сплава (см. рис. 5.4) достигается при выделении зон ГП.

Температура выбрана настолько невысокой, что распада пересыщенного твердого раствора не происходит и, соответственно, не наблюдается изменения твердости (прочности) закаленного сплава.

Старение при температуре вызывает повышение прочности вследствие образования зон ГП; если данная температура недостаточна для того, чтобы активировать зарождение метастабильных кристаллов, то твердость (прочность) достигнет максимального значения и в дальнейшем не будет изменяться сколь угодно длительное время (рис. 5.6, сплошная линия). Если температура достаточна для зарождения метастабильных кристаллов, то твердость после достижения максимального значения начнет понижаться, сплав будет «перестариваться» (рис. 5.6, штриховая

Рис. 5.6. Изменение твердости при старении сплава I (см. рис. 5.4). Схема: 1 — образование зон ГП; 2 — образование метастабильной фазы; 3 — образование стабильной фазы

линия). Сначала твердость будет снижаться вследствие замены зон ГП метастабильными кристаллами, а при увеличении времени старения - вследствие превращения этих кристаллов в стабильные кристаллы Если время выдержки достаточно велико, происходит коагуляция стабильных кристаллов. Коагуляцией называют рост кристаллов той фазы, которая распределена в виде включений в основе сплава. Рост кристаллов второй фазы происходит путем распада наиболее мелких и потому неустойчивых частиц и последующей диффузии растворенного компонента к более устойчивым частицам. Коагуляция приближает структуру сплава к равновесной.

Старение при температуре начинается с выделения метастабильных кристаллов, появление которых не приводит к получению такой высокой прочности, как при выделении зон ГП (согласно условию). Так как температура старения более высокая, чем в предыдущем случае, максимум на кривой старения достигается быстрее; с большей скоростью протекает и перестаривание - образование кристаллов и их коагуляция.

Старение при температуре не вызывает значительного упрочнения сплава, так как выделяющиеся при этой температуре стабильные кристаллы имеют относительно крупные размеры и коагулируют быстрее, чем при температуре

Степень упрочнения при старении может быть очень высокой. Так, твердость и временное сопротивление дюралюминов при оптимальных условиях старения увеличиваются в 2 раза, в бериллиевых бронзах - в 3 раза.

Термическую обработку, приводящую к получению стабильной структуры (стабильные кристаллы после коагуляции), называют стабилизацией; термин подчеркивает получение более устойчивой структуры при возможном нагреве сплава в условиях эксплуатации.