2. Охлаждение при закалке
С понятием «закалка» обычно ассоциируется представление о быстром охлаждении. Действительно, многие изделия закаливают в воде. Однако при закалке необязательно быстрое охлаждение. Важно лишь, чтобы при охлаждении не успел произойти распад матричного раствора. В зависимости от скорости этого распада скорость охлаждения при закалке может быть различной. Для одних сплавов обязательна закалка в холодной воде, а другие, в которых раствор распадается медленно, можно закаливать с охлаждением на воздухе. Существует много промышленных сплавов на основе железа, никеля, алюминия и магния, закаливаемых на воздухе.
Кинетика распада переохлажденного раствора
Если тонкий образец сплава С0 (см. рис. 94), находящегося при температуре Тзак в состоянии ненасыщенного твердого раствора, быстро перенести в термостат с температурой Т1<Т0, то α-раствор окажется пересыщенным, так как при температуре Т1 насыщенным является раствор состава точки r. Степень пересыщенности можно характеризовать отношением C0/C1.
При температуре Т1 пересыщенный α-раствор состава С0 одновременно является переохлажденным относительно температуры Т0, выше которой стабильна одна α-фаза, а ниже – двухфазная смесь α+β. Степень переохлаждения ΔТ = Т0 – Т1. Чем ниже температура термостата, в который мы переносим образец, нагретый до температуры Тзак, тем больше степень переохлаждения и степень пересыщенности твердого раствора.
Термодинамическим стимулом распада переохлажденного раствора является разность ΔFo6 между его свободной энергией F1 и свободной энергией двухфазной смеси F2 (рис. 95).
Рис. 95. Зависимость свободной энергии α- и β-фаз и двухфазной смеси α+β от состава в двойной системе при температуре Т1 (см. рис. 94)
Скорость образования центров избыточной фазы в сплаве С0 на рис. 94 при увеличении степени переохлаждения ниже Т0 сначала должна возрастать из-за увеличения ΔFo6 и соответствующего уменьшения работы образования критического зародыша ΔFкр, а затем падать из-за уменьшения диффузионной подвижности атомов. Следовательно, инкубационный период – время до экспериментально фиксируемого начала распада раствора – с увеличением степени переохлаждения сокращается, а затем возрастает, изменяясь по С-кривой (рис. 96).
Рис. 96. С-кривые начала распада переохлажденного алюминиевого раствора в сплаве Д16: 1 – появление чувствительности к межкристаллитной коррозии; 2 – изменение предела прочности на 2%
Начало распада переохлажденного раствора определяют по изменению какого-либо свойства, например предела прочности или электропроводности. Так как свойство при изотермической выдержке обычно изменяется плавно, то за условное начало распада принимают, например, увеличение или уменьшение свойства на 2 или 5%. Разные свойства начинают заметно изменяться на разных стадиях распада раствора. Например, у дуралюминов чувствительность к межкристаллитной коррозии, связанная с выделением избыточных фаз по границам зерен, обнаруживается раньше, чем изменение σв (рис. 96).