Потребительские свойства цветных и драгоценных металлов : технологические процессы формирования потребительских свойств металлов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 1064 

Кафедра металловедения цветных металлов

В.К. Портной 
 
 

Потребительские свойства 
цветных и драгоценных 
металлов 

Технологические процессы формирования 
потребительских свойств металлов 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2010 

УДК 669.2/.8 
 
П60 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. В.С. Панов  

Портной В.К. 
П60  
Потребительские свойства цветных и драгоценных металлов: Технологические процессы формирования потребительских свойств металлов: Лаб. практикум. – М.: Изд. Дом  
МИСиС, 2010. – 59 с. 
 

В практикуме представлены лабораторные работы, которые знакомят 
студентов с причинами возникновения неоднородностей состава слитков при 
литье и основами гомогенизационного отжига для их устранения, с задачами 
и условиями смягчающего отжига деформированных сплавов для снятия деформационного наклепа, с возможностями упрочняющей термической обработки цветных сплавов, демонстрируют различия структуры и связанных с 
ней свойств стали после разных видов фазовой перекристаллизации, закалки 
и отпуска. 
Содержание практикума соответствует программе дисциплины «Потребительские свойства цветных и драгоценных металлов». 
Практикум предназначен для студентов, обучающихся по направлению 
522000 «Коммерция», специализирующихся в области рынка цветных металлов (специальность 080301, группы КЦД), и может быть полезен студентам 
групп МЭ (специальность 060800) и АРМ (специальность 330201). 

 

 
© Портной В.К., 2010 

СОДЕРЖАНИЕ 

Лабораторная работа 1. Отжиг отливок и слитков............................4 
Лабораторная работа 2. Дорекристаллизационный 
и рекристаллизационный отжиг деформированных 
полуфабрикатов ..................................................................................17 
Лабораторная работа 3. Закалка и старение цветных сплавов.......33 
Лабораторная работа 4. Отжиг, нормализация, закалка 
и отпуск сталей ...................................................................................41 
 

Лабораторная работа 1 

ОТЖИГ ОТЛИВОК И СЛИТКОВ 
(4 часа) 

Цель работы – получение навыков анализа изменений микроструктуры и механических свойств при гомогенизации литых сплавов. 

1.1. Теоретическое введение 

1.1.1. Неравновесная кристаллизация 

Гомогенизационный отжиг предназначен для устранения химической (концентрационной) микронеоднородности сплавов, возникающей вследствие неравновесной кристаллизации расплава. Такую 
микронеоднородность часто называют дендритной ликвацией. Во 
многих промышленных цветных сплавах при первичной кристаллизации образуется твердый раствор – основная структурная составляющая сплава. Поэтому рассмотрим процесс кристаллизации такого 
твердого раствора на примере диаграммы состояния с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состоянии (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Изменение среднего состава твердого раствора при 
неравновесной кристаллизации (кривая cs) 

В сплаве X (рис. 1.1) после некоторого переохлаждения из расплава состава точки d образуются кристаллы твердого раствора состава 

→ В, % 
В 
А 

а 

Х 

b 

точки c. Эти кристаллы растут далее при охлаждении сплава в интервале кристаллизации, при этом состав жидкости меняется по линии ликвидуса (точки dhkq), а кристаллы, выделяющиеся из этой 
жидкости, меняют свой состав по линии солидуса (точки cgio). Это 
означает, что состав последовательно образующихся кристаллов при 
любой температуре определяется соответствующей точкой на кривой 
равновесного солидуса, например, точкой c при температуре t1 и точкой g при температуре t2. Следовательно, с понижением температуры 
из все более богатой компонентом В жидкости выделяются кристаллы, все более богатые металлом B.  
В равновесных условиях при любой температуре в интервале кристаллизации точкой солидуса определяется химический состав всего 
объема твердого раствора, т.е. и тех кристаллов, которые выделились 
ранее, при более высоких температурах, а не только тех, которые образовались при данной температуре. Например, при температуре t2 
кристаллы твердого раствора должны иметь состав точки g по всему 
объему. Следовательно, кристаллы, образовавшиеся ранее, должны 
диффузионным путем обмениваться атомами с кристаллами, выделившимися из расплава позже, чтобы в любой момент времени все 
кристаллы имели одинаковый средний состав. То же самое относится 
и к составу жидкости (точка h) при температуре t2. Этот состав относится ко всему объему жидкости, существующей при этой температуре. Такой ход равновесной кристаллизации возможен, если охлаждение идет так медленно, что полностью успевают пройти следующие четыре диффузионных процесса:  
1) выделение из жидкости кристаллов состава, соответствующего 
линии солидуса для каждой температуры, это требует так называемой разделительной диффузии; 
2) диффузионное выравнивание состава жидкой фазы по всему ее 
объему в соответствии с составом точки ликвидуса для каждой температуры;  
3) диффузионное выравнивание состава твердой фазы по всему ее 
объему в соответствии с составом точки солидуса для каждой температуры;  
4) диффузионный обмен между жидкой и твердой фазами для 
приведения их составов в равновесие. 
Обеспечение равновесной кристаллизации с полным протеканием 
перечисленных диффузионных процессов требует очень малых скоростей охлаждения, которые практически не применимы в производстве. Кроме того, рассматривая некоторое приближение к реальному 

процессу кристаллизации в производственных условиях, необходимо 
учитывать, что металлические кристаллы растут в форме дендритов. 
Эти древовидные образования из-за влияния примесей, условий теплоотвода в жидкости и распределения температур на фронте кристаллизации растут, ветвясь и наслаивая один на другой свежие слои 
выделяющейся из жидкости твердой фазы. Поэтому, чтобы первичные оси дендритов, их центральные слои не отличались по составу от 
последующих, более богатых компонентом B слоев, прежде всего, 
необходима выравнивающая диффузия между ранее и позднее образующимися слоями кристалла (процесс 3). Но, чтобы привести твердую фазу в равновесное состояние, одной такой диффузии недостаточно. Например, в кристалле, сердцевина и поверхность которого 
ранее имели состав точек c и g, соответственно по окончании выравнивающей диффузии при температуре t2 получается промежуточный 
состав, лежащий левее точки g, – точка f. Поэтому кроме выравнивающей диффузии внутри твердой фазы при равновесных условиях 
необходимо межфазовое взаимодействие расплава и кристаллов 
(процесс 4), которое приводит к дополнительному обогащению твердого раствора компонентом B из расплава так, что состав твердой 
фазы по всему объему оказывается в точке g на линии солидуса. 
В реальных условиях кристаллизации при непрерывном охлаждении с типичными промышленными скоростями, из-за повышенной 
диффузионной проницаемости жидкости, первые два из перечисленных выше процессов обычно успевают проходить. А третий и четвертый процессы, т.е. выравнивающая диффузия внутри твердой фазы и диффузионный обмен между жидкой и твердой фазой, полностью не успевают проходить. Образующийся в результате такой кристаллизации при определенной скорости охлаждения неоднородный 
по своему составу твердый раствор можно охарактеризовать некоторой линией изменения средней концентрации (cfjps), которая должна 
лежать левее линии солидуса (см. рис. 1.1).  
Равновесная кристаллизация сплава X должна заканчиваться при 
температуре t4 в точке o. В условиях неравновесной кристаллизации 
при температуре t4 еще не вся жидкость будет израсходована, в сплаве X при этой температуре еще присутствует жидкость в количестве, 
оцениваемом по правилу рычага отношением отрезков po/pq. Поэтому неравновесная кристаллизация будет продолжаться и ниже температуры t4 до тех пор, пока средний состав твердой фазы не совпадет с составом сплава в точке s. В этот момент поверхностные слои 

дендрита имеют состав точки m. Точка s – точка конца кристаллизации сплава X, поэтому эта точка – неравновесный солидус сплава X. 
Каждый сплав при определенной скорости охлаждения характеризуется своей линией изменения среднего состава твердого раствора и соответственно своей температурой неравновесного солидуса 
(рис. 1.2). Линия adfkb, проходящая через точки конца кристаллизации всех сплавов (для данной скорости охлаждения), называется неравновесным солидусом системы. 

 

Рис. 1.2. Неравновесный солидус системы с непрерывным рядом 
твердых растворов: cd, mf и nk – линии изменения среднего состава 
твердого раствора при неравновесной кристаллизации сплавов X1,  X2 
и X3: adfkb – неравновесный солидус; acmnb – равновесный солидус 

Между линиями равновесного и неравновесного солидуса имеется 
не только количественная разница в температурах, но и качественное 
различие. Линия равновесного солидуса является геометрическим 
местом точек конца кристаллизации сплавов и одновременно геометрическим местом точек состава твердой фазы при любой температуре в интервале кристаллизации. Линия неравновесного солидуса 
является только геометрическим местом точек конца кристаллизации 
при конкретных скоростях охлаждения.  
В результате неравновесной кристаллизации твердого раствора химический состав в сечении каждого дендрита оказывается переменным. На шлифе под микроскопом такие сечения ветвей дендрита называют дендритными ячейками. Оси дендритов – центры ячеек, образовавшиеся при более высоких температурах, обогащены компонентом, повышающим точку солидуса (здесь компонентом А), а межос
Х3 → В, % 
В 
А 

а 

Х1 

b 

Х2 

ные пространства и края ячеек, образовавшиеся при более низких температурах, обогащены компонентом, понижающим точку солидуса 
(компонент В). Из-за разной травимости участков твердого раствора с 
разной концентрацией на шлифе выявляется специфический дендритный рисунок из дендритных ячеек внутри каждого зерна. Образование 
неоднородности по химическому составу внутри кристаллитов раствора называется внутрикристаллитной или дендритной ликвацией.  

 

Рис. 1.3. Неравновесная кристаллизация и неравновесный 
солидус в системе эвтектического типа 

В системах эвтектического типа дендритная ликвация приводит к 
более сильным отклонениям структуры от равновесного состояния 
(рис. 1.3), чем в системе с непрерывным рядом твердых растворов 
(см. рис. 1.1 и 1.2). В малолегированном сплаве (X1 на рис. 1.3) неравновесная кристаллизация протекает так же, как и в системе с непрерывным рядом твердых растворов (например, у сплава Х на рис. 1.1). 
Затвердевание сплава X1 заканчивается в точке h, когда средний состав 
твердого раствора совпадает с составом сплава.  
В более легированном сплаве X2 средний состав твердого раствора 
при неравновесной кристаллизации изменяется по кривой vps. Новым моментом является то, что средний состав твердого раствора не 
попадает на ординату сплава выше эвтектической температуры. Равновесная кристаллизация сплава X2 должна закончиться в точке m. В 

→ В, % 
В 
А 

а 

Х1 

b 

Х2 

неравновесных условиях ниже температуры точки m состав жидкого 
раствора изменяется от точки t до эвтектической точки e и по достижении температуры эвтектической горизонтали в этом сплаве еще присутствует жидкость эвтектического состава в количестве sn/se. Следовательно, сплав X2 закончит свою неравновесную кристаллизацию эвтектической реакцией при эвтектической температуре (см. рис. 1.3). Равновесная кристаллизация сплава X2 заканчивается при более высокой 
температуре точки m. Таким образом, в результате дендритной ликвации в сплаве, находящемся левее точки предельной растворимости 
(точка c), т.е. находящемся в области твердого раствора, по эвтектической реакции образуется неравновесная эвтектика.  
Концентрация, соответствующая точке k, является границей состава сплавов, правее которой при данных условиях охлаждения 
кристаллизация заканчивается образованием из расплава неравновесной эвтектики. В сплавах по составу левее точки k при данных 
условиях охлаждения прослоек неравновесной эвтектики по границам дендритных ячеек и зерен быть не должно. 
Количество неравновесной эвтектики, образовавшейся при развитии дендритной ликвации, обычно невелико, и поэтому неравновесная эвтектика часто структурно вырождается в β-фазу (α-фаза из эвтектики наслаивается на первичные α-кристаллы). В этом случае в 
сплаве X2 no границам α-зерен находятся прослойки β-фазы эвтектического происхождения, а двухфазные эвтектические колонии можно 
увидеть только в тройных стыках α-зерен, где эвтектической жидкости было больше и эвтектика структурно не вырождалась. 
В промышленных условиях охлаждения отливок и слитков кристаллизация всегда неравновесная. Так, в системе Al–Cu точка предельной растворимости по равновесной диаграмме состояния при 
температуре кристаллизации эвтектики (точка c на рис. 1.3) соответствует содержанию меди 5,65 % масс., а в промышленных слитках и 
отливках включения θ-фазы (Al2Cu) из-за образования неравновесной эвтектики по границам дендритных ячеек наблюдаются уже в 
сплавах, содержащих более 0,3 % Cu. 
В результате отклонения от равновесия в процессе кристаллизации литой сплав имеет следующие основные недостатки: 
1. Дендритная ликвация понижает температуру солидуса сплава. 
При быстром нагреве под обработку давлением или закалку изделие 
может частично оплавиться. При горячей обработке давлением оплавленные прослойки неравновесной эвтектики вызывают растрескивание заготовки. Такой вид брака называют красноломкостью или 

горячеломкостью. Оплавленные по границам зерен прослойки неравновесной эвтектики при нагреве под закалку быстро окисляются, 
вызывая после охлаждения непоправимое падение и прочности и 
пластичности металла детали. Это называется пережогом. 
2. При горячей обработке давлением, например прокатке и прессовании, микроучастки, имеющие разный химический состав, вытягиваются и может возникнуть строчечная структура, приводящая к 
анизотропии свойств, т.е. показатели прочности и пластичности будут сильно различаться вдоль строчечности структуры и поперек нее.  
3. Появление по границам зерен избыточной хрупкой β-фазы в результате образования прослоек неравновесной эвтектики из-за дендритной ликвации сильно снижает пластичность сплава и при холодной обработке давлением. 
4. Центральные участки дендритных ячеек и их границы, имеющие разный химический состав, образуют микрогальванические пары во влажной атмосфере, что снижает стойкость твердого раствора 
против электрохимической коррозии. Появление неравновесной эвтектики еще больше снижает стойкость сплава против коррозии. 
5. Структура и свойства литого сплава нестабильны во времени. В 
изделии при эксплуатации с кратковременными разогревами могут 
самопроизвольно протекать постепенное выравнивание состава 
твердого раствора и рассасывание избыточных фаз. Эти процессы 
вызывают постепенное изменение свойств, которое может выйти за 
допустимые пределы. 

1.1.2. Отжиг – гомогенизация 

Для устранения недостатков литой структуры слиток или фасонную отливку подвергают отжигу – гомогенизации. Структурные изменения при гомогенизационном отжиге состоят в выравнивании 
состава твердого раствора и в растворении неравновесного количества избыточных фаз. В основе этих процессов лежит диффузия, поэтому гомогенизацию называют также диффузионным отжигом.  
Структура сплава X2 (см. рис. 1.3) в литом состоянии должна 
представлять собой дендритные ячейки (сечения стволов и ветвей 
дендритов), оконтуренные включениями второй (β) фазы из вырожденной неравновесной эвтектики. Центр каждой дендритной ячейки, 
образовавшийся в начальный период кристаллизации при наиболее 
высоких температурах, обеднен вторым компонентом B, а периферия 
ячейки вблизи включений β-фазы обогащена компонентом B. Его 

содержание в твердом растворе в окрестности частиц β-фазы соответствует точке предельной растворимости (точке c на рис. 1.3), т.е. 
этот периферийный слой является насыщенным раствором по отношению к β-фазе. Следовательно, между периферией и центром дендритной ячейки в твердом растворе присутствует градиент концентрации компонента B. 
При нагреве сплава X2 (см. рис. 1.3) из-за стремления всякой системы к увеличению энтропии за счет хаотичного перемешивания атомов разного сорта от периферии дендритных ячеек к их центру возникает диффузионный поток. Выравнивающая диффузия внутри 
первичных кристаллов, уменьшая концентрацию компонента В в периферийном слое α-фазы, делает этот слой ненасыщенным раствором по отношению к β-фазе, что приводит к растворению последней 
в α-кристаллах. Таким образом, выравнивание состава внутри первичных кристаллов α-раствора (внутри дендритных ячеек) является 
контролирующим звеном гомогенизации, определяющим скорость и 
время полного растворения избыточной β-фазы. 
По закону Фика плотность потока диффундирующего вещества J, 
т.е. количество вещества, проходящего в единицу времени через 
единицу площади сечения, пропорционально градиенту концентрации dc/dx вдоль направления х, перпендикулярного этому сечению: 

 
J = –Ddc/dx, 
(1.1) 

где D – коэффициент пропорциональности между плотностью потока 
и градиентом концентрации, называемый обычно коэффициентом диффузии, см2/с; знак минус объясняется тем, что поток направлен из области с повышенной концентрацией в область с пониженным содержанием компонента B. 

Коэффициент диффузии D зависит от природы сплава, типа и состава твердого раствора, размера зерна и особенно резко зависит от 
температуры: 

 
D = D0exp(–Q/(RT), 
(1.2) 

где R – газовая постоянная; Т – температура, К; D0 и Q – константы, 
практически не зависящие oт температуры.  

Энергия активации диффузии Q – энергетический барьер, который необходимо преодолеть для перехода атомов из одного положения в решетке в другое. Дополнительная энергия для такого перехода