4.8.2.2. Закалка

Закалка − термическая обработка материалов, заключающая­ся в нагреве и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературного состояния материала или предотвращения (подавления) нежелательных процессов, происходящих при медлен­ном охлаждении. В результате закалки, как правило, образуется нерав­новесная структура. Разновидность закалки − поверхностная закалка.

Температурный режим закалки включает в себя:

1. нагрев сплава до температуры фазового превращения;

2. быстрое охлаждение (охлаждающие среды − вода, масло, расплавленные соли, свинец, воздух и др.).

Область применения закалки − материалы (в ос­новном сплавы), имеющие пре­вращения в твердом состоянии (переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад вы­сокотемпературного твердого раствора по эвтектической ре­акции и др.).

Рассмотрим закалку для металлических сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии (рис. 4.24). Для состава «с» температурой закалки будет t^/ (температура на 30-50 °С выше критической линии). Быстрым охлаждением от температуры закалки полностью подавляют выделение вторичных кристаллов и в результате получают однофазный сплав, представляющий собой пересыщенный компонентом В твердый раствор. Структура такого сплава неравновесная (рис. 4.25).

Закалка неорганических стекол заключается в их нагреве до температуры выше Т_ст и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или масла.

Закалка существенно влияет на физические свойства. Так, в сплавах она изменяет структурно-чувствительные физические и химические свойства: увеличиваются прочность, хрупкость, удельное электросопротивление, коэрцитивная сила, возрастает коррозионная стойкость.

Рис. 4.24. Диаграмма состояния компонентов с переменной растворимостью в твердом состоянии	Рис. 4.25. Схематическое изображение структуры: а – сплава в равновесном состоянии; б – закаленного сплава

При закалке особенно сильно упрочняются сплавы, претерпе­вающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного механизма фазового превращения, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящего к измельчению кристаллов фаз, образующих эвтектоидную смесь.

Поверхностная закалка изделий, в отличие от объемной закалки, позволяет упрочнять только поверхностный слой на определенную глубину. Ее можно проводить двумя способами. По первому способу нагревают только поверхностный слой, который затем закаливают при охлаждении. Во втором способе нагревают все изделие, но при закалке охлаждают только поверхностный слой со скоростью больше критической.

4.8.2.3. Отпуск и искусственное старение

Термин «отпуск» обычно используют применительно к сталям и дру­гим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение (двухфазные алюминиевые бронзы, некоторые сплавы на основе титана и др.). Термин «старение» чаще всего используют применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения (сплавы на основе алюминия, аустенитные стали, никелевые сплавы и др.).

Отпуск и искусственное старение металлов − термическая обработка закаленных сплавов (главным образом, стали), включаю­щая нагрев (ниже 0,4 t_пл), выдержку и охлаждение. Скорость охлаж­дения не влияет на структуру и свойства сплавов. Цель − достижение оптимального сочетания прочности, пластичности и ударной вязкости.

При отпуске и искусственном старении в предварительно зака­ленных сплавах нагрев вызывает процессы распада пересыщенного твердого раствора (метастабильной фазы), в результате которых происходят фазовые превращения.

Механизм распада пересыщенного твердого раствора заклю­чается в следующем. На первой стадии внутри пересыщенного твер­дого раствора происходит направленная диффузия атомов пересы­щающего компонента и скопление их в определенных участках кри­сталлической решетки. На второй стадии в этих участках формируются очень малые области с новой кристаллической решет­кой, сопряженной (когерентной) с кристаллическими решетками ос­новного металла и пересыщающего компонента. На третьей стадии происходит отрыв одной решетки от другой и образование дисперс­ных частиц новой фазы. На четвертой стадии происходит коагуляция дисперсных частиц и переход метастабильной модификации новой фазы в стабильную модификацию. Выделение этой фазы возможно по всей кристаллической решетке на ее дефектах, ускоряющих про­цесс образования зародышей фазы. Границы зерен являются наибо­лее благоприятными местами для возникновения аномальной концен­трации диффундирующих атомов.

Коагуляция − укрупнение (слипание) частиц при их столкновении в процессах броуновского движения, перемешивания или диффузии в сило­вом (например, температурном или электрическом) поле.

Микроструктура сплавов, прошедших отпуск или искусственное старение, содержит выделения новой фазы, образовавшиеся за счет пересыщающего компонента в твердом растворе. Тип выделений (кристаллическая решетка), их размер и характер сопряженности с решеткой твердого раствора зависят как от природы сплава, так и от условий старения, то есть от температуры нагрева и времени выдержки при этой температуре. С увеличением времени выдержки сплава при нагреве выделения новой фазы растут (коагуляция) и превраща­ются в сферические (сфероидизация).

Появление субмикроскопической неоднородности при диффузии пересыщающего компонента, когерентная связь двух различных решеток, выпадение дисперсных частиц приводят к упрочнению сплава (дисперсионное упрочнение), увеличению его твердости, повы­шению сопротивления пластической деформации и коррозии. Но обеднение твердого раствора пересыщающим компонентом, потеря когерентности решеток новой фазы и твердого раствора, коагуляция и сфероидизация частиц новой фазы сопровождаются разупрочнени­ем сплава, повышением его пластичности и изменением электриче­ского сопротивления.

Отпуск и искусственное старение в 2-3 раза повышают такие свойства сплавов, как твердость, прочность, коэрцитивная сила, удельное электрическое сопротивление и др.