Глава 5. Старіння й відпускання

1. Розбіжності в поняттях старіння й відпускання

Загартований сплав знаходиться в метастабільному стані і має підвищену вільну енергію. Після загартування сплавів без поліморфного перетворення (або з поліморфним перетворенням) утворюється перенасичений твердий розчин, який прагне знизити свою вільну енергію, тобто перейти в стабільний стан. В результаті цього твердий розчин розпадається, і вже при кімнатній температурі можуть виділятися фази з перенасиченого розчину. Але для більшості сплавів дифузійна рухомість атомів при кімнатній температурі недостатня для того, щоб розпад розчину проходив в певній кількості і за допустимий час. Тому для змінення структури і якості загартованого сплаву його нагрівають до температур, при яких відбуваються процеси старіння або відпускання.

Часто плутають поняття"старіння" і "відпускання", бо обидва терміна відносяться до процесів термообробки, які проводяться після загартування, а температури нагріву в цих процесах можуть співпадати. Проте, під час старіння сплави зміцнюються, а під час відпускання - розміцнюються. Правильніше термін "старіння" відноситься до термообробки, яка проводиться після загартування без поліморфних перетворень. Це стосується алюмінієвих сплавів, високолегованих жароміцних сталей і сплавів і багатьох інших. Термін "відпускання" використовується для позначення термообробки, яка проводиться після загартування сплавів з поліморфними перетвореннями і приводить до зниження міцності і підвищення пластичності. Це стосується, насамперед, вуглецевих і легованих сталей загального призначення, титанових сплавів тощо.

Однак, такого класифікаційного розподілення не завжди дотримуються; наприклад, для бронз і титанових сплавів ці два терміна вживаються однаково часто.

Структурні зміни при відпусканні сталей розглядаються в главі 5 частини III. В наступному розділі розглянемо процеси, які відбуваються при старінні.

2. Структурні зміни при старінні

Процеси розпаду перенасиченого твердого розчину в загартованому сплаві відбуваються самодовільно з виділенням тепла. Нагрів прискорює дифузію, яка є основою усіх структурних змін при розпаді перенасичених розчинів.

Основні параметри старіння - температура і час витримки. Швидкості нагрівання і охолодження грають підпорядковану роль.

Старіння було відкрито в 1906 році німецьким інженером Більмом в сплавах алюмінію з міддю і магнієм (дюралюмінах). Теоретичні основи старіння були остаточно встановлені в 1935 - 1938 р.р., коли в тих же сплавах алюмінію Гін'є у Франції і Престоном у

Англії рентгенографічно були відкриті ділянки а- твердого розчину, перенасичені міддю. Пізніше ці ділянки були названі зонами Гін'є- Престона. Згодом явище старіння було передбачено і відкрито в десятка* сплавів алюмінію, заліза, міді, нікелю, титану і інших металів, і були розроблені спеціальні промислові сплави, властивості яких змінюються старінням.

Розпад перенасиченого твердого розчину при старінні являється дифузійним процесом, тому кількість і тип виділень з розчину, їх дисперсність, форма і інші структурні характеристики залежать від температури і тривалості старіння, а також від природи сплаву, його хімічного складу. На структуру старіючого сплаву впливають домішки, температура нагріву, швидкість охолодження при загартуванні, пластична деформація перед і після загартування, тривалість вилежування загартованого сплаву при кімнатній температурі перед штучним старінням і багато інших факторів.

В залежності від будови поверхні розділу між виділеннями і матрицею розрізняють три типи виділень: повністю когерентні, частково когерентні і некогерентні (рис. 157).

У повністю когерентних виділень уся поверхня розділу з матрицею когерентна, і решітка матриці навкруги виділення пружно викривлена (рис. 157а). У частково когерентних виділень хоча б одна межа з матрицею когерентна, а інші можуть бути напівкогерентні (рис. 1576) або зовсім некогерентні. Некогерентні виділення не мають жодної когерентної межі з матрицею (рис. 157в). Вони розташовуються як всередині зерен матричної фази, так і по межах зерен.

І’ис. 157. Схеми будови матричної фази поблизу поверхні розділу з виділеннями нової фази: а) повністю когерентної; б) частково когерентної; в) некогєрентної.

Форма виділень із твердого розчину може бути різною: рів- ноосною (звичайно сферичною або кубічною); у вигляді прошарків

по межах зерен; тонкопластинчастою (дископодібною) або голчастою (рис. 158). Це залежить від поверхневої енергії і енергії пружної деформації.

@ @0

а 6 в

Рис. 158. Різні види виділень надлишкових фаз із перенасиченого твердого розчину: а) без надлишкових виділень; б) сферичні виділення; в) прошарки по межах зерен; г) голчасті або тонкопластинчасті виділення.

При старінні можуть виникати модульовані структури, коли з’являються сильні напруження через велику різницю в питомих об’ємах похідної і нової фаз. Наприклад, в нікелевих сплавах при розпаді у-твердого розчину з ГЦК-решіткою виділяється когерентна у'-фаза також з ГЦК-решіткою.

В більшості старіючих промислових сплавів з перенасиченого розчину можуть виділятися метастабільні фази, структура яких являється проміжною між матричним розчином і стабільною фазою.

Виділення метастабільних фаз - частково, а інколи й повністю, когерентні. Виділення стабільних фаз повністю некогерентні.

Проміжні й стабільні фази зароджуються гетерогенно. Місцями їх зародження при старінні служать окремі дислокації, ма- локутові межі, дефекти упаковки тощо. Стабільна фаза переважно виділяється на великокутових межах і вакансійних кластерах. Крім того, стабільні фази можуть зароджуватись на виділеннях проміжних фаз. Під час видержки при температурі старіння може йти процес укрупнення виділень - коагуляція. Рушійною силою коагуляції є різниця вільних енергій дрібних і крупних частинок. Більш дрібні частинки мають вищу поверхневу енергію, ніж крупні, і їх середня вільна енергія вища. В певних умовах дифузії такі виділення розчиняються, а їх атоми адсорбуються на поверхні інших крупних виділень. Отже, коагуляція виділень під час старіння відбувається внаслідок переносу речовини через матричний розчин.