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 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 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 (С0/С1) >(С´0/С1) 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