Вивчення зміни властивостей алюмінієвих сплавів у процесі природного старіння

РОЗДІЛ 2

Теорія термообробки

  Термообробкою називається певний часовий цикл нагрівання й охолодження, якому піддають метали для зміни їх фізичних властивостей. Термообробка у звичайному змісті цього терміна проводиться при температурах, не сягаючі крапки плавлення. Процеси плавлення й лиття, що роблять істотний вплив на властивості металу, у це поняття не включаються. Зміни фізичних властивостей, викликувані термічною обробкою, обумовлені змінами внутрішньої структури й хімічних співвідношень, що відбуваються у твердому матеріалі. Цикли термічної обробки являють собою різні комбінації нагрівання, витримування при певній температурі й швидкого або повільного охолодження, що відповідають тим структурним і хімічним змінам, які потрібно викликати [7].

   2.1. Відпал

   Відпалом називають термообробку, спрямовану на одержання в металах рівноважної структури. Будь-який відпал містить у собі нагрівання до певної температури, витримку при цій температурі й наступне повільне охолодження. Мета  відпалу - зменшити внутрішні напруження в металі, зменшити прочнісні властивості й збільшити пластичність. Відпал ділять на відпал першого роду  й  другого   роду.

Відпал першого роду - це такий вид відпала, при якому не відбувається структурних змін, пов'язаних з фазовими перетвореннями.

Відпал першого роду у свою чергу розділяють на 4 групи.

2.1.1. Гомогенізація

   Гомогенізація – відпал, спрямований на зменшення хімічної неоднорідності металів, що утвориться в результаті рекристалізації. На відміну від чистих металів, всі сплави після кристалізації характеризуються нерівновагою структури, тобто їх хімічний склад є змінним як у межах одного зерна, так й у межах усього злитка.

Хімічна неоднорідність обумовлена різною температурою плавлення вихідних компонентів. Чим менше це розходження, тим більше помітна хімічна неоднорідність, що виходить у злитку. Позбутися  її неможливо, можна тільки зменшити. Для цього застосовують високотемпературний відпал із тривалими витримками (від 2 до 48 годин). При високій температурі рухливість атомів у кристалічній решітці висока  й  з часом за рахунок процесів дифузії відбувається поступове вирівнювання хімічного складу. Однак усереднення хімічного складу відбувається в межах одного зерна, тобто усувається в основному дендритна ліквація. Щоб усунути зональну ліквацію (хімічну неоднорідність у межах частини злитка), необхідно витримувати злитки при даній температурі протягом декількох років. А це практично неможливо.

У процесі відпалу на гомогенізацію відбувається поступове розчинення нерівновагих інтерметалідних фаз, які можуть утворитися в результаті кристалізації з великою швидкістю. При наступному повільному охолодженні після відпалу такі не рівноважні фази більше не виділяються [8]. Тому після гомогенізації метал має підвищену пластичність і легко піддається пластичній деформації.

   2.1.2. Рекристалізаційний відпал

   Рекристалізаційний відпал - холодна пластична деформація, що викликає зміну структури металу і його властивостей. Здвигова деформація викликає збільшення щільності дефектів кристалічної решітки, таких як вакансії, дислокації. Утворення  комірчастої структури відбувається зі зміною форми зерен, вони сплющуються, витягаються в напрямку головної деформації. Всі ці процеси ведуть до того, що міцність металу поступово збільшується, пластичність падає, тобто виникає наклеп або нагартовка. Подальша деформація такого металу неможлива, тому що відбувається його руйнування. Для зняття ефекту зміцнення застосовують рекристалізаційний відпал, тобто нагрівання металу до температур вище початку кристалізації, витримку з наступним повільним охолодженням. Температура нагрівання залежить від сполуки сплаву. Для чистих металів температура початку рекристалізації tp= 0,4 Тпл, ºС, до звичайних сплавів порядку 0,6 Тпл, для складних термопрочнісних сплавів 0,8 Тпл. Тривалість такого відпалу залежить від розмірів деталі й у середньому становить від 0,5 до 2 годин. У процесі рекристалізаційного відпалу відбувається утворення зародків нових зерен і наступний ріст цих зародків. Поступово старі деформовані зерна зникають. Кількість дефектів у кристалічній решітці зменшується, наклеп  усувається, і метал повертається у вихідний стан.  

Ступінь деформації визначає розмір зерна після відпалу. Якщо вона близька до критичного (кр=5-15%), то в результаті після відпала в металі виникають крупні зерна, що звичайно небажано. Тому перед рекристалізаційним  відпалом деформацію металів роблять зі ступенем 30-60%. У результаті виходить дрібнозерниста однофазна структура, що забезпечує гарне сполучення міцності й пластичності. Збільшення ступеня деформації до 80-90% викликає поява в металі текстури деформації. Після рекристалізаційного відпалу текстура деформації змінюється на текстуру рекристалізації. Як правило, це супроводжується різким спрямованим ростом зерна. Збільшення розмірів зерна, тобто зниження механічних властивостей, може викликати також занадто більша температура відпалу або більша витримка. Тому при призначенні режимів відпалу необхідно використати діаграму рекристалізації.

Рекристалізаційний відпал може застосовуватися як попередня, проміжна, так й як остаточна термообробка. Як попередня термообробка він застосовується перед холодною деформацією, якщо вихідний стан металу не в рівновазі й має якийсь ступінь зміцнення. Як проміжна операція рекристалізаційний відпал застосовується між операціями холодної деформації, якщо сумарний ступінь деформації занадто великий і запасів пластичності металу не вистачає. Як остаточний вид відпалу його застосовують у тому випадку, якщо споживач вимагає поставки напівфабрикатів у максимально пластичному стані. У деяких випадках споживачеві потрібен напівфабрикат, що сполучає певний рівень міцності з необхідним запасом пластичності. У цьому випадку замість рекристалізаційного відпала використають його різновид - відпал на полігонізацію. Відпал на полігонізацію проводять при температурі, що нижче температури початку рекристалізації. Відповідно при такій температурі відбувається лише часткове усунення наклепу за рахунок процесів повернення другого роду, тобто відбувається зменшення щільності дефектів кристалічної решітки, утворення коміркової дислокаційної структури без зміни форми зерен. Ступінь зменшення наклепу залежить, насамперед, від температури. Чим ближче температура до порога рекристалізації, тим менше наклеп, тим більше пластичність і навпаки. 

  2.1.3.  Відпал для зняття внутрішніх напружень

   Внутрішні напруження в металі можуть виникати в результаті різних видів обробки. Це можуть бути термічні напруги, що утворилися в результаті нерівномірного нагрівання, різної швидкості охолодження окремих частин деталі після гарячої деформації, лиття, зварювання, шліфування й різання. Можуть бути структурними, тобто, що з'явилися в результаті структурних перетворень, що відбуваються усередині деталі в різних місцях з різною швидкістю. Внутрішні напруження в металі можуть досягати великої величини й, складаючись із робітниками, тобто виникаючими при роботі, можуть зненацька перевищувати межу міцності й приводити до руйнування. Усунення внутрішніх напружень виробляється за допомогою спеціальних видів відпала. Цей відпал проводиться при температурах нижче температури рекристалізації: tвід=0,2-0,3Тпл ºК. Підвищена температура полегшує ковзання дислокацій й, під дією внутрішніх напружень, відбувається їхній перерозподіл, тобто з місць із підвищеним рівнем внутрішніх напружень дислокації переміщаються в області зі зниженим рівнем. Відбувається як би розрядка внутрішніх напружень. При нормальній температурі цей процес буде тривати протягом декількох років. Збільшення температури різко збільшує швидкість розрядки, і тривалість такого відпалу становить кілька годин.

   2.1.4.  Відпал другого роду

   Відпал другого роду – термообробка, спрямована на одержання рівноважної структури в металах і сплавах, що випробовують фазові перетворення.

При відпалі другого роду нагрівання й наступне охолодження може викликати як часткову, так і повну заміну вихідної структури. Повна заміна у результаті подвійної перекристалізації дозволяє кардинально змінити будову сплаву, зменшити розмір зерна, зняти наклеп, усунути внутрішні напруження, тобто повністю змінити структуру й властивості деталі. Відпал другого роду може бути повним і неповним.  

Повний відпал супроводжується повною перекристалізацією. При неповному відпалі структурні перетворення відбуваються не повністю, із частковим збереженням вихідної фази. Неповний відпал застосовується в тих випадках, коли можна змінити будова другої фази, що зникає й знову з'являється при цьому виді відпалу.

       2.1.5. Загартування

   Загартування – це термообробка, спрямована на одержання в сплаві максимально нерівновагої структури й відповідно аномального рівня властивостей. Будь-яке загартування містить у собі нагрівання до заданої температури, витримку й наступне швидке різке охолодження. Залежно від виду фазових перетворень, що відбуваються в сплаві при загартуванні, розрізняють загартування з поліморфним перетворенням і загартування без поліморфного перетворення.

Загартування з поліморфним перетворенням. Цей вид загартування застосовується для сплавів, у яких один з компонентів має поліморфні перетворення.

При загартуванні з поліморфним перетворенням нагрівання металу виробляється до температури, при якій відбувається зміна типу кристалічної решітки в основному компоненті. Утворення високотемпературної поліморфної структури супроводжується збільшенням розчинності легуючих елементів. Наступне різке охолодження веде до зворотної зміни типу кристалічної решітки, однак через швидке охолодження у твердому розчині залишається надлишковий зміст атомів інших компонентів, тому після такого охолодження утвориться нерівновага структура. У металі зберігаються внутрішні напруження. Вони викликають різку зміну властивостей, збільшується міцність, зменшується пластичність. При швидкому охолодженні перебудова кристалічної решітки відбувається за рахунок одночасного зсуву цілих груп атомів. У результаті замість звичайних зерен у металі з'являється голчаста структура, що називається мартенситом. Нерівновагий стан металу після такого типу загартування є термодинамічно нестійким. Тому, щоб перевести метал у більше стійкий стан, одержати необхідний рівень внутрішніх напружень, а відповідно й необхідні механічні властивості, застосовують додаткову термообробку, що називають відпал. 

    Загартування  без  поліморфного  перетворення. Застосовується  для  сплавів, що не  випробовують  поліморфних  перетворень, але  вони мають  обмежену розчинність одного компонента в іншому.

Якщо сплав, що містить вторинні фази, нагріти до температури вище лінії солідус, то збільшення розчинності приведе до розчинення вторинних фаз. Якщо тепер такий твердий розчин швидко остудити, то виділення вторинних фаз утворитися не встигне, тому що для цього потрібен час на проходження процесу дифузії, утворення іншої кристалічної решітки, границь поділу між фазами. У результаті, при нормальній температурі пересичений метастабільний твердий розчин містить надлишок другого компонента. Така зміна структури змінює властивості сплаву, міцність може, як збільшитися, так і зменшитися, а пластичність, як правило, збільшується. Стан металу після такого загартування є термодинамічно нестійким. Мимовільно або під впливом попереднього нагрівання метастабільний твердий розчин починає розпадатися з виділенням вторинної фази, тобто  αмα+βІІ. Цей процес називається  старінням. Таким чином, старіння - це термообробка, що проводиться після загартування без поліморфного перетворення, спрямована на одержання в сплаві більш рівноважної структури й заданого рівня властивостей.

  2.1.6.  Відпустка

  Відпустка - термообробка, спрямована на зменшення внутрішніх напружень у сплавах після загартування з поліморфним перетворенням. Утворення вторинних фаз після загартування з поліморфним перетворенням завжди супроводжується різким збільшенням внутрішніх  напружень. Відповідно максимально збільшуються міцність і твердість, до мінімуму падає пластичність. Щоб одержати необхідне співвідношення міцності й пластичності, такий сплав після загартування піддають додатковій термообробці: відпустці. Нагрівання викликає зменшення концентрації легуючих елементів у твердому розчині й виділення вторинних фаз [10].

Після загартування без поліморфного перетворення сплав має структуру пересиченого твердого розчину. Такий стан сплаву - нестабільне й із  часом починає змінюється. Пересичений твердий розчин розпадається з виділенням з нього дрібних включень вторинної фази. Цей процес проходить у кілька стадій:

На першій стадії в кристалічній решітці твердого розчину з'являються зони, збагачені атомами другого компонента. Із часом ці зони збільшуються.

На другій стадії концентрація атомів другого компонента досягає величини, що відповідає по концентрації виділення вторинної фази.

Наступає третя стадія, тобто формування в цих зонах проміжної кристалічної решітки, що відрізняється від решітки твердого розчину й від решітки вторинної фази.