9.1. Термическая обработка сплавов, не связанная с фазовыми превращениями в твердом состоянии

Термическую обработку применяют для снижения остаточных напряжений в изделиях, рекристаллизации деформированных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической ликвидации в слитках или отливках. Соответствующие операции термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для снижения остаточных напряжений, рекристализационный отжиг, диффузионный отжиг.

9.1.1. Нагрев для снятия остаточных напряжений

Остаточные напряжения могут вызывать деформацию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, привести к преждевременному разрушению конструкции.

Поэтому для их снятия изделие нагревают. С увеличением температуры предел текучести (σ_T) понижается, поэтому остаточные напряжения вызывают пластическую деформацию и снижение напряжений до уровня σ_T при температуре нагрева.

В стальных и чугунных деталях снижение остаточных напряжений происходит в процессе выдержки при 450⁰С. Время выдержки – несколько десятков часов, в зависимости от массы изделия. Затем изделия медленно охлаждают (20 – 200^° с/ч).

9.1.2. Рекристализационный отжиг

Нагрев деформированных полуфабрикатов выше температуры рекристаллизации называют рекристализационным отжигом. В процессе выдержки происходит главным образом рекристаллизация.

Цель отжига - снижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение кристаллографической текстуры и заданного размера зерна.

Рекристализационный отжиг используют в сплавах – твердых растворах – Al, Cu, Ni, ферритных и аустенитных - сталях, латунях, бронзах.

9.1.3. Диффузионный отжиг

Диффузионный отжиг – длительная выдержка сплавов при высоких температурах, в результате которых снижается ликвационная неоднородность твердого раствора. При высоких температурах протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации.

В стальных слитках в результате диффузионного отжига достигается более равномерное распределение фосфора, углерода и легированных элементов в объеме твердого раствора. Диффузионный отжиг ведут при температурах 1100^° – 1300^°С в течение 20 – 50 ч.

9.2. 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 прочности. Применяют стареющие сплавы на Al-, Cu-, Fe-, Ni-, Co-, Ti-основах.

Рассмотрим принцип упрочняющей термической обработки стареющих сплавов на примере системы с промежуточным соединением (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Диаграмма состояния стареющего сплава (I)

К термически упрочняющим относятся сплавы от точки Р до точки Е₁, в которых при охлаждении из твердого раствора выделяются вторичные кристаллы β. Степень упрочнения тем выше, чем больше масса вторичных кристаллов в равновесном сплаве.

Сплав I в равновесном состоянии имеет 2-х фазную структуру α + β (крупный кристалл). Сопротивление движению дислокаций повышается по мере уменьшения расстояния между частицами упрочняющей фазы т. е. сплав I станет прочнее, если вместо немногочисленных крупных включений образуется большое количество мелких.

Желательная дисперсная структура образуется в результате термической обработки, состоящей из закалки и старения.

При закалке сплавы нагревают до температур, обеспечивающих распад вторичных кристаллов. Для сплава I - это t₁. Быстрым охлаждением с температуры закалки подавляют процесс выделения вторичных кристаллов, в результате получают однофазный пересыщенный твёрдый раствор. Пересыщение твёрдого раствора мало сказывается на повышении твёрдости и прочности. Это - неравновесная система с избытком свободной энергии. Поэтому как только подвижность атомов окажется достаточно большой, начнётся процесс старения - твёрдый раствор будет распадаться.

Старение происходящее при повышенной температуре, называется искусственным. В сплавах на основе низкоплавких металлов старение может происходить при 20-25⁰ С - естественное старение.

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

Получаются выделения нескольких типов. При любой перегруппировке атомов в твёрдом растворе, в том числе зарождении выделений, необходимо преодолеть определённый энергетический барьер - энергию активации.

Энергия активации зарождения и роста выделений зависит от того, насколько пространственная решётка выделений отличается от решётки основного твёрдого раствора. При малом различии энергия активации будет небольшой. Чем сильнее будут отличаться решётки, тем выше будет энергия активации_. С повышением температуры повышается вероятность преодоления более высокого энергетического барьера.

Равновесные кристаллы А_mB_n, имеющие сложную кристаллическую решётку образуются при достаточно высоких температурах. Искажения решётки в данном случае минимальны, следовательно, твёрдость повышается незначительно, поэтому образование таких кристаллов нежелательно.

При низких температурах образуются неравновесные выделения с более простой кристаллической структурой, когерентно связанные с кристаллической решёткой твёрдого раствора и поэтому сильно искажающие её, следовательно, твёрдость повышается значительно. Это - зоны Гинье-Престона, кристаллы метастабильной фазы (рис.9.2).

Рис.9.2. Типы выделений из пересыщенного твердого раствора

а – зоны Гинье-Престона, 1 – атомы растворителя, 2 растворенные элементы;

б – кристаллы метастабильной фазы (когерентное выделение);

в – кристаллы стабильной фазы (некогерентное выделение)

Зоны Гинье-Престона представляют собой субмикроскопические объемы твёрдого раствора с резко повышенной концентрацией растворенного компонента, сохраняющие решётку растворителя. Скопление растворённых атомов вызывает местное изменение периода кристаллической решётки растворителя. Зоны Гинье-Престона затрудняют движение дислокаций.

Метастабильные фазы имеют иную пространственную решётку, чем твёрдый раствор, однако существует сходство в расположении атомов в определённых атомных плоскостях их решёток, что вызывает образование когерентной границы раздела, которая искажает кристаллические решётки.