Теоретические основы фазовых и структурных изменений при старении

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

Необходимая скорость охлаждения при закалке определяется скоростью распада пересыщенного твердого раствора (т.е. скоростью выделения избыточных фаз из переохлажденного и пересыщенного твердого раствора). Для определения критической скорости охлаждения при закалке строят диаграммы изотермического превращения переохлажденного твердого раствора (С-образные диаграммы для сплавов Al+4% Сu и Al+4% Zn приведены на рисунке 8). Согласно диаграмме максимальная скорость распада наблюдается вблизи температуры 250-300°С.

Рисунок 8 – Диаграмма изотермического распада переохлажденного твердого раствора в алюминиевых сплавах (указано начало распада):

1 – Аl + 4% Сu + 1,5% Mg; 2 – Al + 4% Zn + 2% Mg

Микроструктура двойных сплавов Аl–Сu иллюстрирует и объясняет фазовые изменения, вызванные закалкой (рис. 9). Нагрев до температуры закалки привел к полному растворению включений CuAl₂, а быстрое охлаждение зафиксировало пересыщенный твердый раствор (рис. 9,в).

Рисунок 9 – Структура сплава Аl + 4% Сu:

а, б – структура отожженного сплава Al + 4% Сu – на фоне алюминиевого твердого раствора (почти чистого алюминия) видны включения CuAl₂
(а – х 900; б – х120); в – микроструктура того же сплава после закалки – гомогенный твердый раствор (× 100).

Полученный после закалки твердый раствор является пересыщенным при содержании в нем меди более 0,2%. В таком пересыщенном и неустойчивом твердом растворе происходят изменения, приводящие к выделению фазы CuAl₂ и сохранению в растворе количества меди, соответствующего равновесной системе (0,2%) (рисунок 10). Этот процесс называется старением.

Рисунок 10 – Структура сплава Аl + 4% Сu, закаленного и искусственно состаренного при 250ºС, × 900

Старение существенно изменяет свойства сплава Al – Сu:

в отожженном состоянии сплав Al + 4% Сu имеет предел прочности
в = 200 МПа;

в свежезакаленном состоянии (т. е. при испытании сразу после закалки) предел прочности несколько повышается: в 250 МПа;

после старения предел прочности возрастает и достигает 400 МПа.

При естественном старении (20°С) прочность становится максимальной через 4–5 суток после закалки, причем скорость упрочнения в первые часы значительно меньше, чем в последующие, но затем интенсивность упрочнения убывает. Типичный ход кривой упрочнения при естественном старении показан на рисунке 11.

Рисунок 11 – Изменение прочности при естественном старении алюминиевого сплава:1 – закаленное состояние; 2 – отожженное

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 2–3 ч способность пластически деформироваться начинает резко уменьшаться и эти операции становятся неосуществимыми.

При искусственном старении изменение прочности сильно зависит от температуры и времени старения (рисунок 12):

Ø повышение температуры ускоряет процесс старения;

Ø получаемая максимальная прочность тем ниже, чем выше температура старения;

Ø в результате старения при температуре >150°С происходит разупрочнение сплава при выдержке более той, которая вызывает максимальное упрочнение, и тем скорее, чем выше температура; такое разупрочнение называют перестариванием;

при температурах, ниже комнатной, старение замедляется и при –50°С можно считать, что закаленное состояние устойчиво и старение не происходит.

Рисунок 12 – Кривые старения дюралюминия при различных температурах

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