Первоначальная теория

Первоначальная теория, объяснявшая упрочнение дуралюмина при комнатном старении выделением из пересыщенного твердого раствора частиц CuAl2, уже в 20-е годы столкнулась с рядом противоречий.

Выделение CuAl2 и соответственно обеднение твердого раствора медью должно было бы привести к снижению электросопротивления, а в действительности электросопротивление при естественном старении возрастало. Далее, с выделением CuAl2 из твердого раствора должен был бы увеличиваться период его решетки из-за меньшего (чем у алюминия) атомного диаметра меди, растворенной по способу замещения.

Однако рентгеновские исследования не обнаружили изменения периода решетки при достижении сплавом максимальной твердости и только после перестраивания при повышенных температурах, когда происходило разупрочнение, период решетки возрастал, что прямо указывало на выделение CuAl2 из пересыщенного раствора.

Учитывая эти противоречия и большое число других новых экспериментальных фактов, Мерика в 1932 г. предложил следующее объяснение упрочнения при старении, явившееся развитием его первоначальной гипотезы. Упрочнение при любых температурах старения происходит во времени.

Выдержка необходима для развития диффузионных процессов, лежащих в основе распада пересыщенного твердого раствора. При повышенных температурах диффузия атомов меди обеспечивает собственно выделение частиц CuAl2, «заклинивающих» плоскости скольжения. При комнатной температуре диффузионные процессы лишь подготавливают твердый раствор к образованию кристаллов CuAl2, сами же частицы CuAl2 не выделяются.

Мерика высказал предположение, что вследствие диффузии в пересыщенном твердом растворе образуются скопления, сегрегаты атомов меди, не обособленные от решетки матрицы поверхностями раздела. Строение этих областей в алюминиевом твердом растворе получается таким, какое необходимо для последующего возникновения здесь частиц CuAl2 или же некоего промежуточного метастабильного соединения. Из-за скоплений атомов меди должно происходить местное сжатие решетки, и такие сильно искаженные участки твердого раствора затрудняют скольжение при пластической деформации, вызывая упрочнение.

Эти предсказания блестяще оправдались. В 1936 г. немецкие исследователи Вассерман и Виртс на стадии максимального упрочнения сплавов Al — Cu рентгенографически обнаружили образование в пересыщенном растворе промежуточной фазы (которую теперь обозначают как θ´ в отличие от равовесной фазы θ-CuAl2), а в 1938 г. Гинье во Франции и Престон в Англии независимо друг от друга истолковали эффекты диффузного рассеяния на лауэграммах естественно состаренных монокристаллов Al — Cu как результат образования в пересыщенном растворе малых областей, обогащенных медью. Позднее эти области были названы зонами Гинье — Престона.

Таким образом, исходное положение теории Мерика о том, что старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате образования дисперсных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора, в основе своей оказалось правильным и исключительно плодотворным, хотя это первоначальное положение со временем претерпело ряд существенных уточнений и было позднее дополнено представлениями о роли предвыделений и промежуточных фаз.

Вся история возникновения и развития представлений о старении сплавов весьма поучительна. Открытие Вильмом старения дуралюмина трудно переоценить, но оно само по себе не могло стать базой для разработки новых стареющих сплавов, так как совершенно не ясно было, какова природа этого загадочного для того времени явления и в каких сплавах его следовало ожидать.

Создание основ теории старения — это яркий пример того, как научная гипотеза, в общих чертах правильно отразившая природу нового важного явления, послужила фундаментом для последующего удивительно быстрого прогресса в области теоретического и прикладного металловедения.

Если в период после открытия Вильмом старения дуралюмина и до появления теории Мерика не было найдено ни одного стареющего сплава, то после опубликования этой теории уже в 20-е годы старение было предсказано и обнаружено в десятках сплавов алюминия, железа, меди, никеля и других металлов, были разработаны новые промышленные сплавы, упрочняемые старением.

Начиная с 30-х годов, быстро нарастал поток информации о структурных изменениях при старении в разных группах сплавов. В последние два десятилетия наиболее важные результаты были получены с помощью метода электронной микроскопии, позволившего «увидеть» дисперсные образования.

Создание новых стареющих сплавов с высокими механическими и особыми физическими свойствами, разработка оптимальных режимов их термической обработки, продолжающиеся обширные исследования механизма и закономерностей старения в разных группах сплавов составили одно из центральных направлений в развитии современного металловедения, причем по-прежнему теоретические и прикладные работы в этой области базируются на общих исходных положениях теории старения, предложенной Мерика. 

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

Возврат после старения

Явление возврата после старения было открыто на дуралюмине. Если естественно состаренный дуралюмин нагреть до температуры примерно 250 °С, выдержать 20 — 60 с и быстро охладить, то его свойства возвращаются к значениям, характерным для свежезакаленного состояния.  Сущность явления возврата состоит в том, что зоны ГП, возникшие при естественном старении, во время нагрева сплава растворяются, метастабильные…

Выбор режима старения

Выбор температуры и продолжительности старения После предварительной оценки температурного уровня старения по соотношению или по аналогии с другими сплавами на базе того же металла экспериментально отрабатывают режим старения, строя графики, подобные рисуноки Схема зависимости прочностных свойств и Схема зависимости прочности от температуры старения. Как известно, старение подразделяют на естественное, происходящее при комнатной температуре, и искусственное,…

Искусственное старение

В зависимости от режима, структурных изменений и получаемого комплекса свойств искусственное старение можно подразделить на полное, неполное, перестаривание и стабилизирующее старение (соответствующие режимы и свойства приведены в таблице Режимы старения и механические свойства состаренных сплавов на разной основе для литейного алюминиевого сплава AЛ9). Полное искусственное старение проводят при такой температуре и продолжительности, которые обеспечивают достижение…

Ступенчатое старение

Старение с выдержкой вначале при одной, а затем при другой температуре называют ступенчатым. Как правило, температуру первой ступени выбирают ниже, чем второй. Основная цель двухступенчатого (двойного) старения — создать большое число центров выделений на низкотемпературной ступени, когда пересыщенность твердого раствора велика (на рисунке Размер выделений степень пересыщенности C0/C1 растет с понижением температуры Т1), а затем…

Максимальное упрочнение

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…