Этапы распада пересыщенного твердого раствора при отпуске и старении.

Отпуск (старение) являются видом термической обработки. Этот вид термообработки применим только к закаленным сплавам, имеющим нестабильную неустойчивую структуру. Отпуск (старение) заключается в постепенном распаде закаленного твердого раствора, при этом в структуре происходят сложные преобразования, заканчивающееся появлением равновесных для данных условий фаз составляющих. Процессы распада закаленного раствора, составляющие сущность отпуска, могут начинаться сразу после закалки при комнатной температуре, но обычно для этого требуется определенный нагрев.

Термины «старение» и «отпуск» иногда употребляются как синонимы.

Старение называют естественным в том случае, если распад твердого раствора совершается при комнатной температуре. Если же процесс идет при повышенной температуре, то старение называют искусственным или просто старением. В общем случае старение проходит через несколько ступеней. Вначале в матрице закаленного твердого раствора начинают образовываться участи размером в десятки и сотни межатомных расстояний, обогащенные растворенным компонентом. Кристаллическая решетка этих участков составляет одно целое с решеткой матрицы, но она сильно искажена из-за повышенного содержания атомов растворенного компонента. Эти участки называют зонами Гинье-Престона по имени ученых, обнаруживших их с помощью рентгеновского анализа. Зоны Гинеь-Престона (сокращенно ГП-зоны) не являются частицами какой-либо фазы, и поэтому их называют также предвыделениями.

Решетка матрицы вокруг ГП-зоны испытывает очень большие упругие напряжения. С течением времени зоны Гинье-Престона превращаются в выделения самостоятельных фаз, но не равновесных, а промежуточных, метастабильных, отличающихся и по структуре, и по составу от устойчивых равновесных фаз. Такая промежуточная стадия оказывается термодинамически более выгодной. Нередко наблюдается возникновение не одной, а двух метастабильных фаз, сменяющих одна другую.

Решетки предвыделений неразрывно связаны с решеткой матрицы. Такие частицы называют когерентными. По мере роста размеров выделений они отрываются от матрицы, становятся некогерентными, и это вызывает снижение упругих напряжений. Наконец, выделения обогащаются растворенным компонентом несколько, что приобретают состав равновесной для данных условий фазы. Одновременно происходит и перестройка структуры выделений, которая также приближается к равновесной. Как правило, до этого момента с помощью оптического микроскопа не удается заметить появление частиц, выделяющихся из твердого раствора фаз. Обо всех проходящих процессах судят по изменениях физических свойств (например, электросопротивлению), по данным рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии.

Дальнейший ход распада твердого раствора обычно связан с постепенной коагуляцией частиц выделений, которые становятся видимыми в оптическом микроскопе. В большинстве случаев частицы фаз, выделяющихся из раствора, появляются равномерно по всему объему зерна. Иногда при низких температурах старения распад идет путем роста колоний, состоящих из равновесных фаз. Такие колонии разрастаются из отдельных точек в матрице, которая сохраняет свой исходный состав и структуру до подхода разрастающейся колонии.

Старение как разновидность термической обработки проводят с целью повлиять на свойства металла. Из описания процесса старения видно, что благодаря сложности и многоступенчатости результаты старения могут быть весьма разными. В общем случае распад, приводящий к образованию зон Гинье-Престона или к выделению метастабильных фаз, вызывает прочностных и падение пластических характеристик. Когда же старение приводит к появлению крупных выделений равновесных фаз, снижаются и прочность, и пластичность. Это явление называют перестариванием. Процесс старения определяется температурой нагрева и временем выдержки.

Далеко не во всех сплавах старение после закалки проходит через все описанные стадии. Нередко бывает так, что начальная стадия проходит почти незаметно, либо не происходит формирование метастабильных фаз. Все это отражается на свойствах.

Отпуском принято называть такую разновидность термической обработки, при которой происходит распад твердого раствора, образовавшегося после закалки с полиморфным превращением. Механизм отпуска представляется еще более сложным процессом в сравнении со старением, так как при отпуске наряду с перечисленными выше стадиями (образование предвыделений, формирование метастабильных выделений, а затем равновесных выделений) идет еще процесс перестройки решетки матрицы, при котором мартенсит превращается в устойчивую низкотемпературную фазу. Кроме того, при отпуске происходит распад остаточной высокотемпературной фазы, которая всегда частично сохраняется при закалке с полиморфным превращением. Поскольку при образовании мартенсита в структуре появляется большое количество дислокаций, сравнимое с тем, которое создается большой пластической деформацией, при отпуске в определенной мере проходят полигонизация и рекристаллизация.

Как правило, отпуск вызывает непрерывное снижение твердости, пределов прочности и текучести, рост удлинения, сужения шейки и ударной вязкости. Изменения структуры и свойств сплава при отпуске зависят от исходного закаленного состояния, которое в свою очередь определяется скоростью охлаждения при закалке и по этому может существенно меняться по толщине металла. В связи с этим структура и свойства сплава после отпуска могут быть разными в приповерхностных и глубинных слоях металла.

Процесс отпуска определяется температурой нагрева и временем выдержки. Скорость нагрева и охлаждения имеет подчиненное значение.