Главная / Теория термической обработки металлов / Закалка / Закалка без полиморфного превращения / Факторы, влияющие на устойчивость переохлажденного раствора

Факторы, влияющие на устойчивость переохлажденного раствора

Устойчивость переохлажденного твердого раствора зависит от природы основы сплава и системы легирования, содержания легирующих элементов и структуры сплава перед закалкой.

В сплавах на разной основе и с разными легирующими элементами при одной основе различна диффузионная подвижность атомов (величина Q в формуле). Работа образования критического зародыша зависит от поверхностной энергии на границе матрицы и выделения и энергии упругой деформации, возникающей из-за различия в удельных объемах фаз.


С-кривые начала распада

С-кривые начала распада

С-кривые начала распада переохлажденного алюминиевого раствора в сплавах Д16 и 1915, соответствующие изменению предела прочности на 2% (В. Г. Давыдов, В. В. Захаров, Е. Д. Захаров, И. И. Новиков).


Поэтому скорость зарождения выделяющейся фазы (формула) в разных системах различна. Так, сплавы на базе системы Al — Cu — Mg (дуралюмины) выделяются среди алюминиевых весьма низкой устойчивостью переохлажденного твердого раствора, а сплавы на базе системы Al — Zn — Mg (типа 1915 и 1925) — очень высокой.

Разница в устойчивости переохлажденного раствора в сплавах на базе этих двух систем предопределяет резкое различие в технологии их термообработки: если сплавы типа дуралюмин необходимо закаливать в воде, то сплавы на основе системы Al — Zn — Mg можно закаливать с охлаждением на спокойном воздухе.

Прессованные полуфабрикаты из сплавов 1915 и 1925 вообще не подвергают специальной операции закалки
— они самозакаливаются при охлаждении профилей и труб на воздухе с температуры прессования. 


С-кривые начала распада

С-кривые начала распада

С-кривые начала распада переохлажденного алюминиевого раствора, соответствующие изменению предела прочности на 2%, в листах сплава Al — 4. Zn — 1,9% Mg — 0,6% Mn — 0,2% Zr с нерекристаллизованиой (1) и рекриcталлизеванной (2) структурой (В. В. Захаров, И. И. Новиков, В. И. Елагин).


Закалку с охлаждением на воздухе широко применяют к жаропрочным аустенитным стареющим сталям с интерметаллидным упрочнением, жаропрочным никелевым сплавам типа ним они к, магниевым сплавам типа электрон и др.

В пределах одной системы с увеличением концентрации легирующих элементов растет пересыщенность твердого раствора и, следовательно, уменьшается его устойчивость. Например, в сплаве С0, более легированном, чем сплав С´0 (смотрите рисунок Схема к объяснению закалки без полиморфного превращения), при температуре Т1 степень пересыщенности раствора (С01) >(С´01) и термодинамический стимул превращения ∆Fоб > ∆F´об (смотрите рисунок Зависимость свободной энергии α- и β-фаз). Соответственно С-кривая начала распада раствора в сплаве С0 должна быть сдвинута вправо по сравнению с С-кривой сплава С0.

Дисперсные включения интерметаллидов и других фаз, находящихся в сплаве при температуре закалки, могут уменьшить устойчивость переохлажденного раствора, инициируя его распад. С этим связано действие, например, малых добавок переходных металлов (Mn, Cr, Ti) в алюминиевых сплавах.

При гомогенизационном отжиге слитков, при нагревах под обработку давлением и закалку из твердого раствора, который пересыщается этими элементами при кристаллизации расплава, выделяются дисперсные алюминиды переходных металлов. Они служат затравками для выделения из раствора основных фаз при охлаждении сплава с температуры закалки, и критическая скорость охлаждения возрастает (прокаливаемость снижается). 

Режимы закалки без полиморфного превращения сплавов на разной основе

Металл-основа Марка сплава Изделие Температура нагрева, °С Время выдержки, ч Закалочная среда
Fe Х12Н20ТЗР (ЭИ696А) Прутки, поковки 1100 — 1150 2 Воздух или вода
Х12Н22ТЗМР (ЭИ696М) Прутки 1100 — 1130 2 Воздух или масло
Ni ХН77ТЮР (ЭИ437Б) Лопатки, турбинные диски 1070 — 1090 8 Воздух
ЖС6К Литые лопатки, цельнолитые роторы 1180 — 1220 4 Воздух
Ti ВТ22 Прутки 800 1 Вода
Cu Бр.Б2 Пружинящие детали 760 — 780 8 — 15 мин Вода
Бр.Х 0,8 Прутки 980 — 1000 1 — 1,5 Вода
Al Д16 Листы толщиной 2 — 4 мм 495 — 505 10 мин* Вода 10 — 40 °С
В95 Листы толщиной 2 — 4 мм 465 — 475 10 мин* Вода 10 — 40 °С
АК4-1 Поковки и штамповки сложной конфигурации толщиной 50 — 75 мм 525 — 535 2,5 —3,5 Вода 100°С
АД31 Профили толщиной 5 — 10 мм 515 — 530 0,5 — 1 Воздух или вода
1915 Профили толщиной 5 — 10 мм 440 — 460 0,5 — 1 Воздух или вода
АЛ9 Отливки 530 — 540 2 — 6 Вода 20 — 100°С
АЛ19 Отливки 1-я ступень 525 — 535 5 — 9 Вода 20 — 100°С
2-я ступень 535 — 545 5 — 9 Вода 80 — 100°С
АЛ 27-1 Отливки 430 — 440 20 Вода 95 — 100°С
Mg МА5 Поковки и штамповки 410 — 420 2 — 6 Воздух
МЛ5 Отливки 410 — 420 8 — 16 Воздух

Примечание: * — при нагреве в селитрянной ванне.

Температура закалки может оказаться ниже температуры начала рекристаллизации. Сплав с нерекриcталлизованной, полигонизованной структурой обладает меньшей устойчивостью переохлажденного твердого раствора из-за облегченного зарождения избыточных фаз на дислокациях и субграницах.

Закалка в воде позволяет получать скорости охлаждения, которые для большинства изделий (за исключением изделий очень большого сечения) из сплавов на основе алюминия, магния, меди, никеля, железа и других металлов больше υкр. Однако при закалке в воде возникают большие остаточные напряжения и коробление изделий.

Поэтому там, где это возможно, скорость охлаждения уменьшают, используя закалку в подогретой и кипящей воде. В последнее время для закалки алюминиевых сплавов стали применять в качестве более мягкой закалочной среды жидкий азот и специальные эмульсии. Некоторые жаропрочные аустенитные стали закаливают в масле.

В таблице приведены режимы закалки некоторых сплавов. Ступенчатая и изотермическая закалки без полиморфного превращения как способы уменьшения остаточных напряжений и коробления (смотрите Нагрев и охлаждение при закалке сталей) не нашли сколько-нибудь значительного применения.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Нагрев и охлаждение при закалке без полиморфного превращения

Нагрев при закалке Основное исходное положение при выборе температуры закалки — возможно более полное растворение избыточных фаз в матричной фазе. Если сплав расположен в той области диаграммы состояния, где он способен при нагреве полностью перейти в однофазное состояние (сплав С0 на рисунке Схема к объяснению закалки без полиморфного превращения), температура закалки должна находиться выше линии…

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,…

Изменение свойств при закалке без полиморфного превращения

Изменение свойств при закалке зависит от фазового состава и особенностей структуры сплава в исходном и закаленном состояниях, от условий закалки, предыдущей обработки и других факторов. Направление и величина изменения свойств в разных сплавах весьма различны. Встречается ошибочное утверждение, что закалка всегда приводит к упрочнению, причем термины «закалка» и «упрочнение» часто неверно считают синонимами. В действительности…