Главная / Теория термической обработки металлов / Старение и отпуск / Старение / Влияние продолжительности и температуры старения на механические свойства сплавов

Влияние продолжительности и температуры старения на механические свойства сплавов

Учитывая роль выделений разного типа в упрочнении и последовательность стадий распада пересыщенного раствора (смотрите Структурные изменения при старении), можно проанализировать влияние продолжительности старения при разных температурах на механические свойства сплава.

В наиболее общем случае предел прочности, предел текучести и твердость сплава с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (смотрите кривые Т2 и Т3 на рисунке).


Схема зависимости прочностных свойств

Схема зависимости прочностных свойств

Схема зависимости прочностных свойств от продолжительности
старения при разных температурах (Т1 < Т2 < Т3).


Старение до достижения максимума прочностных свойств (восходящая ветвь кривых) называют упрочняющим, а правее максимума (нисходящая ветвь) — разупрочняющим старением или перестариванием. При этом подразумевается разупрочнение по сравнению со сплавом, который подвергался старению более короткое время. По сравнению же с исходным закаленным сплавом (начальная точка на оси ординат) перестаренный сплав может быть значительно прочнее.

Упрочнение с увеличением времени старения на восходящей ветви кривых может быть вызвано разными причинами. Во-первых, возможны случаи, когда на стадии упрочняющего старения плотность выделений столь велика, что дислокации не могут обходить выделения и перерезают их (при достаточно большом приложенном напряжении).

Рост прочностных свойств с увеличением продолжительности старения в этих случаях обусловлен возрастанием «химического» упрочнения и торможения дислокаций полями упругих напряжений из-за укрупнения выделений (в частности, зон ГП, смотрите рисунок Зависимость размера зон ГП), увеличения плотности их распределения в матрице и появления трудно перерезаемых частиц более стабильной фазы (например, θ´ в дополнение к θ˝ в сплавах Al — Cu).

Во-вторых, возможны случаи, когда на стадии упрочняющего старения дислокации проталкиваются между выделениями. В этих случаях рост прочностных свойств с увеличением продолжительности старения обусловлен увеличением плотности выделений при развитии распада и соответственно ростом критического напряжения проталкивания дислокаций (смотрите формулу).

В перестаренном сплаве дислокации не перерезают выделения, а только обходят их при напряжениях, меньше тех, которые необходимы для перерезания. Снижение прочностных свойств при переходе от упрочняющего старения к перестариванию может быть вызвано несколькими причинами.

Одна причина
— увеличение расстояний между ранее образовавшимися выделениями из-за их коагуляции.

Другая причина — замена менее стабильных выделений более стабильными, характеризующимися (меньшим числом частиц в единице объема матрицы.

Третья возможная причина перестаривания — уменьшение или исчезновение поля упругих напряжений в матрице при замене когерентных выделений сначала полукогерентными, а затем и некогерентными.

В разных сплавах и при разных температурах старения одного сплава максимум упрочнения соответствует разным структурным состояниям. Без экспериментов нельзя предсказать, какова должна быть в данном сплаве конкретная структура, обеспечивающая максимальное упрочнение.

Ответ зависит от того, какие стадии распада возможны в этом сплаве при данной температуре старения, какова структура выделений, плотность выделений каждого типа, и от других факторов.

Можно лишь указать, что чаще всего максимальное упрочнение достигается в сплаве, в котором внутри зерен пересыщенного раствора образовались зоны ГП и выделения промежуточной метастабильной фазы или только выделения этой фазы (при высокой плотности их распределения).

«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…