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 распад раствора идет медленно, можно закаливать с охлаждением на воздухе. Существует много промышленных сплавов на основе железа, никеля, алюминия и магния, закаливаемых на воздухе (смотрите ниже таблицу Режимы закалки без полиморфного превращения сплавов на разной основе).
Кинетика распада переохлажденного раствора
Если тонкий образец сплава С0 (рисунок Схема к объяснению закалки без полиморфного превращения), находящегося при температуре Тзак в состоянии ненасыщенного твердого раствора, быстро перенести в термостат с температурой T1 < T0, то α-раствор окажется пересыщенным, так как при температуре Т1 насыщенным является раствор состава точки г. Степень пересыщенности можно характеризовать отношением C0/C1.
При температуре Т1 пересыщенный α-раствор состава С0 одновременно является переохлажденным относительно температуры 70, выше которой стабильна одна α-фаза, а ниже — двухфазная смесь α + β. Степень переохлаждения ∆Т = Т0 — Т1. Чем ниже температура термостата, в которой мы переносим образец, нагретый до температуры Тзак тем больше степень переохлаждения и степень пересыщенности твердого раствора.
Термодинамическим стимулом распада переохлажденного раствора является разность ∆Fоб между его свободной энергией F1 и свободной энергией двухфазной смеси F2.
Зависимость свободной энергии α- и β-фаз
Зависимость свободной энергии α- и β-фаз и двухфазной смеси α + β от состава в двойной системе при температуре Т1 (смотрите рисунок Схема к объяснению закалки без полиморфного превращения).
Скорость образования центров выделения новой фазы в переохлажденном растворе, как и в случае фазового превращения в чистом металле, определяется выражением.
Однако если для чистого металла Q — это энергия активации перехода атомов через границу раздела фаз, равная энергии активации самодиффузии, то в случае распада твердого раствора Q представляет энергию активации диффузии наиболее медленно диффундирующего элемента. Такая диффузия необходима для образования центров выделения новой фазы, отличающейся по составу от матричного раствора.
В соответствии с формулой скорость образования центров избыточной фазы в сплаве С0 на рисунке Схема к объяснению закалки без полиморфного превращения при увеличении степени переохлаждения ниже Т0 сначала должна возрастать из-за увеличения ∆Fоб и соответствующего уменьшения работы образования критического зародыша ∆Fкр, а затем падать из-за уменьшения диффузионной подвижности атомов.
Следовательно, инкубационный период — время до экспериментального фиксируемого начала распада раствора — с увеличением степени переохлаждения сокращается, а затем возрастает, изменяясь по С-кривой.
С-кривые начала распада
С-кривые начала распада первохлажденного алюминиевого раствора в сплаве Д16 (В. Г. Давыдов, И. И. Новиков, Е. Д. Захаров):
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 предела прочности.
При построении С-кривых целесообразнее измерять то свойство, которое для данной группы сплавов или для данного типа изделий является одним из практически важных и которое чувствительно к наиболее ранним стадиям распада раствора. Так как экспериментально фиксируемое «начало» распада раствора является условным моментом, то сопоставлять С-кривые разных сплавов имеет смысл только при одинаковом методе их построения.
Критическая скорость охлаждения при закалке
Количественным критерием устойчивости переохлажденного твердого раствора является критическая скорость охлаждения (υкр) — наименьшая скорость непрерывного охлаждения, позволяющего избежать распада раствора или, точнее, избежать изменения на определенную величину выбранного свойства.
Если скорость охлаждения в центре сечения изделия больше υкр, то изделие прокаливается насквозь. Критическую скорость охлаждения определяют, проводя из точки, соответствующей температуре нагрева под закалку, касательную к С-кривой условного начала распада переохлажденного раствора.
Величина υкр зависит от чувствительности метода, который был выбран для построения С-кривой начала распада. Например, для дуралюмина марки Д16 в случае построения С-кривой по появлению чувствительности к межкристаллитной коррозии υкр = 550 град/с, а при построении С-кривой по изменению на 2% предела прочности υкр = 90 град/с. Если же за критерий начала распада принять изменение прочности на 5%, то υкр = 20 град/с.
В § 22 было показано, что количественные оценки при непрерывном охлаждении следует делать не по С-кривым изотермического распада, а по термокинетическим диаграммам. Но такие диаграммы для сплавов, закаливаемых без полиморфного превращения, пока насчитываются единицами и поэтому приходится пользоваться С-кривыми изотермического распада.
Так как кривая начала превращения исходной фазы на термокинетической диаграмме сдвинута вправо и вниз по сравнению с С-кривой, построенной в изотермических условиях (смотрите рисунок Кривые начала превращения переохлажденной фазы), то расчет с использованием касательной к такой С-кривой даст завышенную против истинной величину υкр. В отдельных случаях это завышение невелико. Например, у дуралюминов критическая скорость охлаждения, подсчитанная по диаграмме изотермических превращений, всего в 1,1 — 1,2 раза больше критической скорости непрерывного охлаждения.
Глубина прокаливаемости при данной скорости охлаждения тем больше, чем меньше υкр, т. е. чем правее находится С-кривая. При качественном сравнении прокаливаемости разных сплавов можно сопоставлять положение их С-кривых, не рассчитывая величину υкр.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков