3. Термическая обработка сплавов Al-Cu

Упрочняющая термическая обработка алюминиевых сплавов основана на изменении растворимости соединений в основном алюминиевом растворе, а конкретно для сплавов на изменении растворимости соединения в алюминии.

Рис. 391. Диаграмма состояния

Как видно из рис. 392, медь растворяется при комнатной температуре в количестве около а максимальная растворимость при эвтектической температуре равна Любой сплав, содержащий до , можно перевести в однофазное состояние соответствующим нагревом. Это состояние фиксируется быстрым охлаждением.

Необходимая скорость охлаждения при закалке определяется скоростью выпадения избыточных фаз из переохлажденного и пересыщенного твердого раствора. Для этой цели строят диаграммы изотермического превращения переохлажденного твердого раствора (С-образные диаграммы), пример которой приведен на рис. 393. Согласно этой диаграмме максимальная скорость превращения наблюдается вблизи

Полученный таким образом твердый раствор при содержании в нем меди более является пересыщенным. В таком пересыщенном и неустойчивом твердом растворе происходят изменения, в конечном итоге приводящие к выделению соединения и

сохранению в растворе лишь соответствующего равновесной системе количества меди Этот процесс называется старением. Если этот процесс происходит при комнатной температуре, то он называется естественным старением, а если при искусственном повышении температуры — то искусственным старением. Таким образом, видно, что термическая обработка алюминиевых сплавов состоит из двух циклов — закалки и старения.

Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе, — процессы, подготавливающие выделение, и непосредственно процессы выделения. Превращение, при котором происходят только процессы выделения, называется дисперсионным твердением (без сложных подготовительных процессов, о которых речь идет дальше).

Рис. 392. Диаграмма состояния

Рис. 393. Диаграмма изотермического распада переохлажденного твердого раствора в алюминиевых сплавах (указано начало распада):

Теоретические вопросы, связанные с закалкой алюминиевых сплавов, относительно просты: в процессе закалки фиксируется пересыщенный твердый раствор. Важно, чтобы охлаждение было достаточно быстрым.

Микроструктура хорошо иллюстрируется и объясняет фазовые изменения, вызванные закалкой.

На рис. 394, а и б представлена структура отожженного сплава . На фоне алюминиевого твердого раствора (почти чистого алюминия) видны включения На рис. 394, в приведена микроструктура того же сплава после закалки. Структура состоит из гомогенного твердого раствора. Нагрев до температуры закалки привел к полному растворению включений а охлаждение при закалке зафиксировало (насколько можно судить по микроструктуре) пересыщенный твердый раствор.

Познакомимся вначале с тем, как изменяются свойства сплава при старении.

В отожженном состоянии сплав имеет предел прочности . В свежезакаленном состоянии (т. е. при испытании сразу после закалки) предел прочности несколько выше

и составляет примерно 250 МПа. После старения предел прочности значительно возрастает и достигает 400 МПа.

При естественном старении (20 °С) прочность становится максимальной через 4—5 сут. после закалки, причем скорость упрочнения в первые часы значительно меньше, чем в последующие, но затем интенсивность упрочнения убывает.

Рис. 394. Структура сплава : а — в отожженном состоянии, Х900: б — то же, X 120; в - в закаленном состоянии. X 100

Типичный ход кривой упрочнения при естественном старении показан на рис. 395.

Начальный период, характеризующийся отсутствием или весьма слабым повышением прочности, называется инкубационным. Инкубационный период имеет важное технологическое значение, так как в этот момент сплав обладает большой способностью к пластической деформации и закаленные детали можно подвергать разнообразным технологическим операциям, связанным с деформацией (расклепке заклепок, гибке, отбортовке и т. д.). Через способность пластически деформироваться начинает резко уменьшаться, и эти операции становятся неосуществимыми.

Рис. 395. Изменение прочности при естественном старении алюминиевого сплава: 1 — закаленное состояние; 2 — отожженное состояние

Скорость старения сильно зависит от температуры (рис. 396): повышение температуры ускоряет процесс. Однако получаемая максимальная прочность тем ниже, чем выше температура старения. Кроме того, в результате старения при температуре выше явно отмечается разупрочнение сплава при выдержке более той, которая вызывает максимальное упрочнение, и тем скорее, чем выше температура.

При температурах ниже комнатной старение замедляется и при можно считать, что закаленное состояние практически устойчиво и старение не происходит.

Естественно, состаренное состояние сплава является неустойчивым. Если недолго выдержать подвергнутый естественному старению алюминиевый сплав при 200-250 °С, то он разупрочняется, выделившиеся дисперсные частицы избыточной фазы растворятся и сплав получит свойства, характерные для свежезакаленного состояния, так как он вновь приобретает способность к естественному старению (рис. 397).

Рис. 396. Кривые старения дюралюминия при различных температурах

Это явление (т. е. возвращение к свежезакаленному состоянию после кратковременного нагрева) называется возвратом.

Рассмотрим процессы, протекающие при старении сплава

Закалка фиксирует пересыщенный твердый раствор, поэтому вероятнее всего предположить, что в процессе старения выделяется избыточная фаза и что выделение ее в мелкодисперсном состоянии и вызывает изменение свойств.

Однако имеющийся экспериментальный материал не подтверждает эту первоначальную теорию, хотя по микроструктуре (под оптическим микроскопом) нельзя обнаружить выделений.

Вторая фаза (т. е. выделение из твердого раствора) отчетливо обнаруживается после искусственного старения при температуре выше (рис. 398). Однако когда металлографически обнаруживается вторая фаза, сплав не имеет максимальной прочности, так как продолжительность старения (отпуска) была значительно больше той, при которой (при данной температуре старения) получаются максимальные свойства.

Таким образом, металлографический анализ опровергает простую теорию выделения избыточной фазы. Однако, может быть, выделяющиеся частицы настолько мелки, что не могут быть обнаружены под микроскопом? Рентгеноструктурный анализ показывает также,

что при старении, когда сплав достигает максимальной прочности, избыточная фаза отсутствует.

Приведенные данные показывают, что при естественном старении не происходит выделений в обычном смысле, и упрочнение не связано с распадом твердого раствора.

Современные представления о механизме старения, подтверждаемые особым методом рентгеноструктурного анализа, таковы: в процессе естественного старения происходят подготовительные процессы к выделению, само же выделение может произойти лишь при более высоких температурах, обеспечивающих достаточную скорость атомным перемещением (диффузии).

Рис. 397. Кривые старения после возврата к свежеэ а кален ному состоянию (кратковременный нагрев при 230 °С.)

Рис. 398. Структура сплава , закаленного и искусственного состаренного при

Начальный период старения (назовем его первой стадией старения) заключается в том, что в пересыщенном твердом растворе атомы второго компонента (в данном случае атомы меди), расположенные в свежезакаленном сплаве в случайных местах, собираются в определенных местах кристаллической решетки. В результате этого процесса внутри кристалла образуются зоны повышенной концентрации растворенного компонента, так называемые зоны Гинье—Престона (зоны Г. П.)

Атомы меди на этой стадии старения из раствора не выделились, поэтому среднее значение параметра решетки не изменилось, Однако в местах повышенной концентрации второго компонента параметр должен быть иной, чем в обедненных местах, это создает

большие напряжения в кристалле и дробит блоки мозаики, что и приводит к повышению твердости.

Зоны Г. П. представляют собой тонкие пластинчатые, дискообразные образования толщиной в несколько атомных слоев и протяженностью в несколько десятков атомных слоев.

Содержание меди в зонах повышенное, но еще не отвечает формуле

Дальнейшее развитие процесса старения заключается в увеличении зон (толщина их достигает 1—4 нм и диаметр 20—30 нм) и повышении содержания в них меди до стехиометрического соотношения. Принято первые маленькие зоны называть зонами , а вторые большие, зонами Г. принципиальной разницы между которыми нет. Процесс старения, связанный с образованием зон называют также зонным старением, отмечая тем самым отличие от следующей стадии старения, которое по этой терминологии именуется фазовым старением.

После образования зон повышение температуры или увеличения выдержки при повышенных температурах, например приводит к преобразованию зон в фазу, обозначаемую через 0. Это уже выделения, т. е. новая фаза, которая имеет отличную решетку от твердого раствора, но и от стабильной -фазы и когерентно связанную с маточным твердым раствором. При дальнейшем повышении температуры -фаза превращается в стабильную -фазу и происходит ее коагуляция.

В простых сплавах (или в таких же сплавах, но с небольшим количеством магния — дюралюминий) процесс зонного старения протекает при комнатных температурах и приводит к максимальному упрочнению (см. рис. 396); при температурах зонное старение переходит в фазовое, а оно не приводит к получению максимальной прочности. При еще более высоких температурах происходит перерождение -фазы в -фазу (или прямое образование -фазы из твердого раствора), что дает еще меньшее упрочнение.

При каждой температуре старения образуются зоны разного размера, поэтому образовавшиеся при комнатной температуре зоны Г.П. малого размера оказываются при более высокой температуре (например, при неустойчивыми и «рассасываются» («растворяются»), так как при этой температуре устойчивыми являются образования большего размера. Следовательно, если нагреть естественно состаренный сплав до 150—200 °С, то ранее образовавшиеся участки небольшого размера «растворятся» и сплав возвратится в исходное свежезакаленное состояние. Этим объясняется явление возврата.

В заключение описания процессов старения следует отметить следующее. Во-первых, не всегда состояние старения с образованием зон Г. П. соответствует максимуму прочности, в некоторых

алюминиевых сплавах максимум прочности наблюдается при образовании метастабильной фазы 0.

Во-вторых, необязательно, чтобы процесс охватывал все три стадии он может начаться с непосредственного выделения -фазы и даже -фазы.

В-третьих, деление старения на естественное, протекающее при , искусственное, протекающее при есть деление технологическое, а не физическое, физическая классификация основана на процессах, происходящих при старении, и с этой точки зрения старение следует делить на зонное и фазовое . Фридляндер). Для дюралюминия ; естественное старение и зонное, как и искусственное и фазовое, одно и то же; но для других сплавов уже при комнатной температуре возможно образование фаз, а для других при комнатной температуре вообще старение (упрочнение) не происходит.