Искусственное старение сплавов серии 7ХХХ

Максимум прочности. Как следует из графиков рис. 5.35, закаленное состояние W неустойчиво в сплавах систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu. Прочностные свойства указанных сплавов возрастают при вылеживании при комнатной температуре в течение многих лет вследствие роста зон ГП. Стабильные и более высокие прочностные свойства, улучшение коррозионной стойкости, более низкая скорость роста трещины усталости достигаются в искусственно состаренном состоянии. В противоположность сплавам серий 2ХХХ и 6ХХХ, температуры искусственного старения которых находятся в интервале 170-190°С, старение сплавов серии 7ХХХ для получения состояния Т6 производят при температурах от 115 до 130°С. Это связано с меньшей длительностью старения, необходимой для достижения максимальных прочностных свойств. На рис. 5.45 приведены кривые старения быстро закаленного листа сплава 7075, медленно нагретого до температур старения 120—150°С; максимум прочности в этом случае достигается при старении при 120°С.

Поскольку упрочнение при старении обусловлено структурой упрочняющих выделений, следует рассмотреть некоторые важные факторы старения сплавов серии 7ХХХ. Одним из них является длительность перерыва между закалкой и началом искусственного старения; влияние этого фактора определяется составом сплава (рис. 5.46). Для сплава 7178 наиболее высокие прочностные свойства достигаются при минимальном перерыве. Это справедливо также для сплава 7075, однако 4—30 часовой перерыв менее желателен, чем даже более длительный. Причины такого явления полностью не ясны, однако существует очевидная связь со степенью пересыщения закаленного твердого раствора и возвратом зон ГП при искусственном старении. Для листов сплава 7075 влияние перерыва между закалкой и искусственным старением устраняется путем использования двухступенчатого старения, например 4 ч при 100°C плюс 8 ч при 160°С. После такой обработки листы сплава 7075 имеют такие же свойства, как после старения в течение 24 ч при 120°С, хотя изотермическое старение при температурах свыше 120°С приводит к значительному снижению прочности. Причина такого поведения состоит в том, что во время старения при 100°С создается такое распределение зон ГП, которое стабильно при последующем подъеме температуры. Когда скорость закалки снижается (как это имеет место в массивных штамповках при закалке в горячую воду), гомогенное зарождение выделений затрудняется даже при таких невысоких температурах, как 120°С и ниже. В этих условиях предварительное старение при температурах около 100°C перед старением при 120°С повышает прочность. Другими факторами, играющими роль при старении, являются скорость закалки и условия первой ступени старения. Для сплавов серии 7ХХХ, не содержащих медь (например, 7005), также используют двухступенчатое старение для получения высоких прочностных свойств. Стандартный режим старения прессованных полуфабрикатов сплава 7005 следующий: 8 ч при 110°C плюс 16 ч при 150 С. Медленный нагрев до температуры старения по своему действию аналогичен первой ступени старения, т.е. при этом создаются условия для роста зон ГП до таких размеров, при которых не происходит их растворение при более высоких температурах. Стандартный режим обработки для сплава 7039 — это нагрев с контролируемой скоростью.

Перестаренные состояния. В 60-е годы для сплавов серии 7ХХХ, содержащих больше 1 % Cu, с целью повышения коррозионной стойкости были разработаны смягчающие режимы старения. Для полуфабрикатов больших толщин из сплава 7075 для повышения сопротивления коррозионному растрескиванию в высотном направлении разработан режим Т73. Состояние Т76 использовано для сплавов 7075 и 7178 для повышения сопротивления расслаивающей коррозии. С тех пор несколько состояний Т7 разработано для более поздних модификаций сплавов серии 7ХХХ, например для сплавов 7475, 7049 и 7050. Режимы смягчающего старения основаны на том, что избирательная коррозия по границам зерен уменьшается с увеличением степени перестаривания. Для второй ступени старения в режиме перестаривания характерный интервал температур 160—175°С с предшествующей контролируемой выдержкой при более низких температурах, при которых образуется большое количество зон ГП, устойчивых при более высоких температурах. Зоны превращаются в промежуточные выделения n', а затем в равновесную фазу n (MgZn2) при перестаривании. Ликвидация первой ступени старения и быстрый нагрев до температуры конечной стадии старения приводят к снижению прочности из-за возврата зон ГП и недостаточного количества зародышей для образования мелкодисперсных выделений фазы n. Как следует из графиков рис. 5.47, эта проблема может быть решена либо путем медленного нагрева, либо применением двухступенчатого старения. При значительном увеличении перерыва между закалкой и искусственным старением зоны ГП в процессе роста достигают таких размеров, при которых они не подвержены влиянию возврата даже при быстром нагреве. Однако столь длительное естественное старение не применяется в производстве. Используемые промышленные режимы старения обычно состоят в нагреве при 100—120°С, 1—24 ч с последующим нагревом при более высоких температурах. На второй ступени старения возможны многочисленные сочетания длительности выдержки и температуры нагрева, что показано на рис. 5.48. Из графиков рис. 5.49 видно, что перестаривание происходит достаточно быстро, поэтому необходим исключительно точный контроль соблюдения режима

Для решения проблемы контроля разработан новый метод, дающий количественную оценку распада твердого раствора при перестаривании. Этот метод основан на том факте, что перестаривание представляет собой изокинетическую реакцию (рис. 5.50). Влияние степени раcпада может быть описано следующим уравнением:

где S - предел текучести; Y - величина, имеющая размерность прочности и зависящая от сплава, технологии изготовления и направления образца; tS- длительность выдержки при температуре старения; F - величина, зависящая от температуры, и

где t - время нагрева.

Приведенные зависимости дают возможность оператору-термисту сбалансировать скорости нагрева и разницу между заданной и достигнутой температурой. Информация, полученная при решении этих уравнений, может быть использована различными способами. Во-первых, на основе полученных данных можно построить серию графиков и решить постав ленную задачу графически. Кроме того, по этим данным может быть составлена программа для введения в ЭВМ.

Высокотемпературное старение (перестаривание) использовано также в производстве сплавов серии 7ХХХ с низким содержанием меди или вообще не легированных ею, таких как 7004, 7005, 7021 и 7039. Цель смягчающих режимов старения - обеспечение наилучшего сочетания прочности, коррозионной стойкости и вязкости разрушения. При относительно высоком сопротивлении коррозии под напряжением в продольном и поперечном направлениях в высотном направлении эта характеристика в указанных сплавах ниже, чем у сплавов серии 7ХХХ с медью, состаренных по смягчающим режимам старения до состояния Т7Х.