Стабильная фаза обычно выделяется на стадии перестаривания. Если сплав должен эксплуатироваться в максимально упрочненном состоянии, то появление стабильной фазы обычно нежелательно. В связи с этим следует указать на условность понятия фаза-упрочнитель.
Так, например, к фазам-упрочнителям в дуралюминах относят фазу S (Al2CuMg), в сплавах системы Al — Zn — Mg типа 1915 — фазу η (MgZn2), в бериллиевой бронзе — фазу γ (CuВе). Но появление этих стабильных фаз в сплавах приводит к перестариванию, разупрочнению и поэтому вредно. Значительно более высокая прочность достигается при образовании зон ГП и промежуточных выделений S´, η´и γ´. Учитывая это, соответствующую стабильную фазу правильнее было бы называть «фазой-разупрочнителем».
Но поскольку без специальных структурных исследований ничего нельзя сказать о том, какие выделения обеспечивают максимальное упрочнение, а стабильная фаза известна из диаграммы состояния, то ее условно и называют фазой-упрочнителем, хотя в действительности старение проводят при таких режимах, когда сама стабильная фаза вообще не выделяется.
В сплавах алюминия с 2 и 3% Cu максимуму твердости после старения при 190 °С соответствует структура с выделениями только θ´фазы. Повышение твердости с увеличением времени старения этих сплавов при 190 °С по всей видимости связано с ростом плотности выделений и их размера, а перестаривание — с увеличением расстояний между выделениями из-за сильной их коагуляции.
Зависимость твердости при 20 °С сплавов алюминия с 2, 3, 4 и 4,5%
Cu от продолжительности старения при 190 °С
(Силкок, Хилл и Харди).
В сплавах алюминия с 4 и 4,5% Cu при той же температуре старения максимуму упрочнения соответствует структура с выделениями θ˝-и θ´-фаз. Когерентные выделения θ˝ создают более сильные упругие деформации в матрице, чем полукогерентные выделения θ´-мфазы. Однако выделения θ´ значительно труднее перерезать дислокациями.
Поэтому сочетание выделений θ˝ и θ´ в определенном соотношении обусловливает максимальную прочность состаренного сплава. По одной из приближенных оценок, максимум твердости достигается, когда при старении образуются 70% выделений θ˝ и 30% θ´.
Перестаривание сплавов алюминия с 4 и 4,5% Cu при 190 °С можно связать, во-первых, с уменьшением плотности выделений θ˝, которые постепенно заменяются выделениями θ´, в результате чего ослабляются поля упругих напряжений в матрице и растет среднее расстояние между частицами, и, во-вторых, с коагуляцией выделений θ´.
Если температура старения достаточно низка, то перестаривание не достигается и сплав упрочняется из-за повышения плотности когерентных выделений и их укрупнения, причем эти процессы и соответствующее упрочнение развиваются с затуханием (смотрите кривую Т1 на рисунке Схема зависимости прочностных свойств). Так ведет себя, например, дуралюмин при комнатном старении (смотрите кривые при 18 °С на рисунке, а, б).
При повышении температуры старения достигается стадия перестаривания и тем раньше, чем выше температура. Это и понятно, так как все процессы развития распада раствора — диффузионные.
Зависимость механических свойств профилей дуралюмин
Зависимость механических свойств профилей дуралюмин
а Д16 от времени старения при 18, 150 и 200 °С.
Выбирая практически температурный режим старения, часто строят графики в координатах прочность — температура старения. На таком графике всегда имеются участки повышения и снижения прочности с ростом температуры старения. Анализируя такие кривые, следует помнить, что соседние точки на восходящей (или нисходящей) ветви могут относиться к разным стадиям старения при разных температурах.
Например, при выдержке τ1 с ростом температуры старения от Т1 до Т3 прочность непрерывно возрастает. Вместе с тем токи a и b соответствуют стадии упрочняющего старения при температурах Т1 и Т2, а тачка с — стадии перестаривания при температуре Т3. Если время выдержки равно τ2, то с ростом температуры старения от Т1 до Т3 прочность падает (точки d, e и f), причем при температуре Т1 сплав находится на стадии упрочняющего старения, а при температурах Т2 и — на стадии перестаривания.
М. В. Захаров, обобщив данные для сплавов на разных основах, установил, что температура старения на максимальную прочность и твердость составляет определенную долю от температуры солидуса (по абсолютной шкале):
Это эмпирическое соотношение нельзя рассматривать как формулу, позволяющую по точкам плавления точно рассчитывать значения температур старения на максимальную прочность. Оно позволяет оценивать лишь ориентировочный уровень таких температур, если сравнивать сплавы с сильно различающимися точками солидуса и, следовательно, с резко разной диффузионной подвижностью компонентов при одинаковой температуре (например, сплавы на базе разных металлов).
Схема зависимости прочности от температуры старения
Схема зависимости прочности от температуры старения
при постоянной выдержке.
При повышении температуры старения прочность сплава может оказаться ниже, чем в исходном закаленном состоянии. Такое сильное перестаривание вызвано далеко зашедшей коагуляцией выделений и сильным уменьшением легированности матрицы. Соответствующую термообработку иногда неточно называют отжигом, хотя сущность процессов здесь та же, что и при обычном старении: распад раствора и коагуляция выделений.
Относительное удлинение при упрочняющем старении существенно снижается, а при развитии перестаривания чаще всего меняется незначительно, продолжая слабо снижаться, или же слабо возрастает.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков