Влияние малых добавок и примесей

Специальные добавки и случайные примеси, содержащиеся в сплаве в тысячных — десятых долях процента, иногда сильно «влияют на кинетику распада раствора, структуру и свойства состаренного сплава.

Влияние добавок, прямо связанное с образованием новой фазы, ниже не рассматривается, так как такая добавка действует как обычный компонент сплава. Механизмы влияния малых добавок, не вызывающих качественного изменения фазового состава, могут быть разными. Добавка может характеризоваться высокой энергией связи с вакансиями, и ее атомы в твердом растворе действуют как ловушки для вакансий. Такое действие оказывают добавки Cd, In, Sn и Be в алюминиевомедном растворе.

Захват вакансий примесными атомами приводит к уменьшению их участия в транспортировке атомов основного легирующего элемента (меди в сплавах Al — Cu) к зонам ГП. Малые добавки Cd, In, Sn и Be задерживают образование и укрупнение зон ГП в сплавах Al — Cu и упрочнение при старении замедляется.

Добавка может оказаться горофильной и сегрегировать на границу раздела матрицы с выделением, уменьшая здесь поверхностную энергию. Так, в сплаве Al — 4% Cu на границе бфазы с алюминиевым раствором γ = 1530 эрг/см2, а в том же сплаве, но с добавкой 0,1 % Cd γ = 250 эрг/см2.

При уменьшении поверхностной энергии сокращается в соответствии с формулой размер критического зародыша выделения, т. е. растет плотность выделений. В соответствии с формулами при уменьшении поверхностной энергии замедляется коагуляция выделений. Например, малая добавка кадмия в пять раз снижает скорость коагуляции выделений θ´-фазы в сплаве Al — Cu.

Торможение коагуляции особенно ценно для стареющих жаропрочных сплавов, в которых таким путем затрудняется разупрочнение во время эксплуатации изделия при повышенных температурах.

Одна добавка может неодинаково влиять на старение при разных температурах. Например, малая добавка кадмия задерживает образование зон ГП в сплавах Al — Cu и замедляет упрочнение при естественном старении и она же повышает плотность выделений θ´-фазы, усиливая упрочнение при искусственном старении.

Еще один механизм влияния малой добавки связан с вхождением ее в состав зон ГП и стабилизацией зон. Примесь 0,25% Si в сплаве АК4-1 (система Al — Cu — Mg — Fe — Ni) увеличивает плотность выделений S´-фазы и измельчает эти выделения при 190 °С, повышая тем самым прочность сплава.

Предполагается, что атомы кремния входят в состав зон ГП, делают зоны стабильными до более высоких температур так, что на них, а не на дислокациях зарождается S´-фаза при 190 °С. Так как плотность Распределения зон ГП, зарождающихся гомогенно, очень высокая, то плотность выделений S´-фазы оказывается повышенной.

Концентрирование атомов малой добавки в выделяющейся фазе может так понизить ее объемную свободную энергию, что уменьшится работа образования критического зародыша и возрастет плотность выделений (при смещении вниз кривой Fβ на рисунке Схема к объяснению выделения β-фазы из α-раствора увеличивается разность объемных свободных энергий F1 — F2, являющаяся термодинамическим стимулом превращения).

Возможно, что так действует малая добавка серебра в сплавах Al — Zn — Mg. Под ее влиянием в этих сплавах измельчаются выделения η´-фазы.

Кроме увеличения плотности выделений, важное назначение малых добавок
— подавление прерывистого распада (смотрите Структурные изменения при старении).

Введение малых добавок и регулирование содержания примесей является одним из наиболее эффективных путей управления процессами старения.

«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…