Рассмотрим практически важный случай сложной роли естественного старения на примере сплавов системы Al — Mg — Si, находящихся на квазибинарном разрезе Al — Mg2Si или недалеко от него (сплавы типа авиаль). В этих сплавах при естественном старении образуются игольчатые зоны ГП, обогащенные магнием и кремнием, а при искусственном (170 °С) — метастабильная β´-фаза (смотрите таблицу Стадии распада пересыщенного раствора в промышленных сплавах). Максимальное упрочнение достигается при искусственном старении.
Давно было известно, что перерыв между закалкой и искусственным старением сплавов типа авиаль снижает их прочность в искусственно состаренном состоянии. Электронная микроскопия показала, что это обусловлено огрублением структуры. Одно из объяснений вредного влияния естественного старения сводится к следующему. При образовании зон ГП во время естественного старения матричный раствор вокруг них обедняется легирующими элементами.
При нагревании до температуры искусственного старения степень пересыщенности раствора еще больше снижается, так как возрастает равновесная растворимость (C1 на рисунке Размер выделений). Каждой степени пересыщенности соответствует свой минимально возможный размер выделений (в том числе и зон ГП).
С уменьшением пересыщенности этот размер возрастает. При нагревании естественно состаренного сплава до температуры искусственного старения мелкие зоны ГП растворяются и только более крупные служат центрами зарождения β´-фазы — структура получается грубой. Если же после закалки сплав сразу подвергнуть искусственному старению, то в начальный его период пересыщенность раствора будет высокой и в нем гомогенно зарождается большое число мелких выделений β´-фазы.
Предложено несколько способов предотвратить снижение свойств искусственно состаренных сплавов, обусловленное вылеживанием после закалки.
Первый способ, самый простой, но не всегда выполнимый — ограничение времени вылеживания или хранение изделий после закалки при пониженной температуре (в холодильнике).
Другой способ — кратковременный (1 — 3 мин) промежуточный нагрев изделия из сплавов типа авиаль до ~ 250 °С перед окончательным старением при 160 — 170 °С. Во время такого нагрева зоны ГП, образовавшиеся при естественном старении, полностью растворяются и сплав оказывается в состоянии, аналогичном свежезакаленному (смотрите обработку на возврат, Возврат после старения).
Самый эффективный способ — введение малых добавок, задерживающих естественное старение.
Снижение свойств из-за вылеживания после закалки характерно не только для сплавов Al — Mg — Si. Оно наблюдалось и в стареющих сплавах других систем. В самой же системе Al — Mg — Si вредное влияние вылеживания свойственно сплавам, содержащим не менее ~ 1% Mg2Si. В сплаве с 0,8% Mg2Si комнатное предстарение не снижает, а повышает прочность в искусственно состаренном состоянии.
Объясняется это тем, что из-за меньшей легированности магнием и кремнием и соответственна меньшей пересыщенности твердого раствора в свежезакаленном сплаве с 0,8% Mg2Si β-фаза зарождается при 170 °С только те терогенно, на дислокациях, и структура получается грубой. Комнатное предстарение, создавая зоны ГП, являющиеся центрами зарождения рнфазы, измельчает структуру искусственно состаренного сплава с 0,8% Mg2Si и делает более равномерным распределение выделений этой фазы.
Таким образом, ступенчатое старение в зависимости от состава сплава и температуры ступеней может быть полезным или вредным.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков