Гомогенизация. Процессы, о которых говорилось выше, протекают и в чистых металлах, и в сплавах. Но существует ряд других процессов, которые возможны лишь в металлических материалах, содержащих два или большее число компонентов. Так, например, в отливке сплава почти наверняка будут неоднородности химического состава, что определяется неравномерным процессом затвердевания. В затвердевающем сплаве состав твердой фазы, образующейся в каждый данный момент, не таков, как в жидкой, находящейся с ней в равновесии. Следовательно, состав твердого вещества, возникшего в начальный момент затвердевания, будет иным, нежели в конце затвердевания, а это и ведет к пространственной неоднородности состава в микроскопическом масштабе. Такая неоднородность устраняется простым нагреванием, особенно в сочетании с механическим деформированием.

Очистка. Хотя чистота металла определяется в первую очередь условиями плавления и литья, очистка металла часто достигается термической обработкой в твердом состоянии. Примеси, содержащиеся в металле, реагируют на его поверхности с атмосферой, в которой он нагревается; так, атмосфера водорода или другого восстановителя может превратить значительную часть оксидов в чистый металл. Глубина такой очистки зависит от способности примесей диффундировать из объема на поверхность, а поэтому определяется длительностью и температурой термической обработки.

Выделение вторичных фаз. В основе большинства режимов термической обработки сплавов лежит один важный эффект. Он связан с тем, что растворимость в твердом состоянии компонентов сплава зависит от температуры. В отличие от чистого металла, в котором все атомы одинаковы, в двухкомпонентном, например твердом, растворе имеются атомы двух разных сортов, случайно распределенные по узлам кристаллической решетки. Если увеличивать количество атомов второго сорта, то можно достичь состояния, когда они не смогут просто замещать атомы первого сорта. Если количество второго компонента превышает этот предел растворимости в твердом состоянии, в равновесной структуре сплава появляются включения второй фазы, отличающиеся по составу и структуре от исходных зерен и обычно разбросанные между ними в виде отдельных частиц. Такие частицы второй фазы могут оказывать сильное влияние на физические свойства материала, что зависит от их размера, формы и распределения. Эти факторы можно изменять термической обработкой.

Растворимость в твердом состоянии обычно увеличивается с повышением температуры, как показано на рис. 1. Здесь видно, что при равновесных условиях материал, который по своему составу и температуре лежит слева от кривой, существует в виде одной фазы – твердого раствора. Справа же от кривой состав и температура соответствуют структуре, содержащей вторую фазу, каким-то образом диспергированную в первой. Если состав сплава определяется абсциссой X₀, то его равновесная структура может быть либо однофазной, либо двухфазной в зависимости от температуры. График, по осям которого откладываются состав и температура, показывающий фазы в равновесных условиях, называется фазовой диаграммой или диаграммой состояний. Следует иметь в виду, что такая диаграмма (график рис. 1 лишь часть ее) иллюстрирует структуры, которые могут существовать лишь в равновесных условиях, а при низких температурах для достижения равновесия требуется много времени. Если сплав состава X₀ поддерживать при температуре T₁, то в конце концов он станет однофазным твердым раствором. Вторая фаза, присутствовавшая в нем первоначально, исчезнет вследствие диффузии ее атомов, которые станут частью твердого раствора. Такая обработка называется термической обработкой на твердый раствор. Если после этого медленно охлаждать материал, то при температуре T₀ начнут возникать частицы второй фазы, которые будут расти при дальнейшем понижении температуры. Это приведет к тому, что образуется небольшое количество довольно крупных частиц, наличие которых будет сказываться, например, на механических свойствах. Однако процесс выделения второй фазы можно проводить иначе. Если твердый раствор, соответствующий температуре T₁, достаточно быстро охладить до комнатной температуры, то сохранится однофазный твердый раствор. Хотя его равновесная структура должна быть двухфазной, скорость диффузии при комнатной температуре столь мала, что структуру твердого раствора можно считать практически стабильной. Если же теперь материал нагреть до температуры, не выходящей за пределы двухфазной области, но обеспечивающей быструю диффузию, то можно вызвать выделение второй фазы в высокодисперсной форме. Такую обработку часто называют старением раствора. Выбирая нужную длительность и температуру старения, можно контролировать размеры зерна, что позволяет добиться дисперсности частиц, существенно повышающей прочность материала.

(6.62 Кб)

Таким способом можно упрочнять многие практически полезные сплавы, например, серебряный припой «стерлинг», содержащий несколько процентов меди. Важным примером могут служить алюминиевые сплавы, содержащие несколько процентов меди и составляющие основу дюралюмина. Упрочняющим старением таких сплавов достигается очень высокое отношение предела прочности к весу. Особенно интересно то, что их упрочняющее старение в какой-то мере может происходить за счет диффузии при комнатной температуре. После термической обработки на твердый раствор и закалки до комнатной температуры прочность таких сплавов постепенно увеличивается в 2 раза на протяжении нескольких дней вследствие выделения второй фазы, происходящего при комнатной температуре. Чтобы сохранить состояние твердого раствора, материал приходится хранить при пониженной температуре. Например, дюралюминовая заклепка, выдерживаемая в сухом льду после термической обработки на твердый раствор, остается мягкой до установки на место, а затем за несколько дней сама по себе упрочняется при комнатной температуре.

Другой интересный пример – сплавы «алнико» (на железной основе, содержащие алюминий, никель и кобальт) для постоянных магнитов. Чтобы такой сплав приобрел магнитные свойства, оптимальные для постоянных магнитов, его после термической обработки на твердый раствор подвергают закалке и старению при условиях, обеспечивающих определенные размеры, форму и распределение частиц вторичных фаз. Для повышения эффективности старение проводят в магнитном поле.

назад   дальше