2.3 Гомогеннизационный отжиг.

Стандартный гомогеннизационный отжиг выполняется ВСЕГДА многоступенчатым (1 на Рис.11). Если сплав в равновесном состоянии не содержит фаз эвтектического происхождения, то сначала его греют до температуры на 10-15К ниже температуры тройной эвтектики. После выдержки 1-3 часа, которая обеспечивает растворение тройной эвтектики, сплав нагревают до температуры на 10-15К ниже температуры двойной эвтектики и выдерживают до ее полного растворения (Рис.11). После этого сплав нагревают до температуры 10-15К ниже температуры метастабильного солидуса, T_MS, и выдерживают от 8 часов до нескольких суток, обеспечивая выравнивание химического состава по объему матрицы. В промышленности размер слитков и их вес таков (4-20 тонн), что время их нагрева до температуры метастабильного солидуса, T_MS, составляет 24-48 часов (2 на Рис.11). Растворение двойных и тройных эвтектик происходит в процессе длительного нагрева. По этой причине в маршрутных картах не прописывается специальные выдержки при температурах ниже эвтектических. Кроме того, при длительном нагреве происходит значительное выравнивание химического состава твердого раствора. Это позволяет нагревать сплав выше температуры метастабильного солидуса, T_MS, но ниже температуры стабильного солидуса, T_S. Это существенно ускоряет процесс гомогенизации и снижает цену гомогеннизационного отжига, который является САМОЙ ДОРОГОСТОЯЩЕЙ операцией термической обработки.

В основе всех процессов гомогеннизации лежит решёточная диффузия; скорость гомогеннизационного отжига определяется коэффициентом диффузии:

D=D₀exp(-Q/RT),

где D это коэффициент диффузии, D₀ – постоянная материала, Q-энергия активация диффузии, R-универсальная газовая постоянная, T-температура. который зависит от природы сплава, типа и состава твердого раствора и температуры: D=Aexp(-Q/RT). Видно, что сравнительно небольшое повышение температуры приводит к резкому повышению скорости диффузии. Например, увеличение температуры на 20K увеличивает скорость диффузии в 100 раз. Поэтому для гомогеннизационного отжига используют максимально возможные температуры (0,85-0,95 T_пл.), при которых не происходит частичного оплавления.

Скорость диффузии элементов, растворенных по типу внедрения, намного меньше, чем у элементов по типу замещения. Так при 823^оС скорость диффузии углерода в феррите в 1,4410⁶ раз больше, чем скорость самодиффузии железа, а в аустените при этой же температуре больше в 3,8710⁶ раз. В результате, в углеродистых сталях химический выравнивание состава по углероду происходит при охлаждении слитков, 1-2 секунд при 1050^оС достаточно для окончания гомогеннизационного отжига. Гомогеннизационный отжиг при 1050-1250^оС используют только для выравнивания химического состава средне- и высоколегированных сталей по легирующим элементам, которые образуют растворы замещения в аустените и феррите.

Рассмотрим механизм гомогенизации на примере растворения избыточной  - фазы, образовавшейся по границам ячеек (Рис.12). В ячейке после кристалллизации внутри –матрице существует градиент концентрации от C₁ в центре до С₂ вблизи границы (1 на Рис.12а) в соответствии с последовательностью затвердевания (Рис.12б). Для простоты изложения мы предполагаем, что исходная концентрация твердого раствора C₂ на границе / соответствует равновесному значению для температуры T₁, при которой проводится гомогеннизационный отжиг. При гомогеннизационном отжиге, выравнивающая диффузия внутри  -фазы приводит к увеличению концентрации твердого раствора в центре от величины C₁ к величине C₀ за счет уменьшения его концентрации вблизи границы / меньше C₂. Переферийный слой дендритной ячейки становится ненасыщенным по отношению к  - фазе, которая начинает растворяться, поднимая концентрацию в  - растворе вблизи границы / до равновесной величины C₂ за счет перехода атомов B из  - фазы в –матрицу. Происходит растворение  - фазы. Следует отметить, что скорость перехода атомов В через межфазную поверхность / примерно в 10¹⁰ выше, чем скорость выравнивающей диффузии, поэтому скорость растворения  - фазы определяется скоростью переноса элемента В через –раствор. По этой причине зависимость удельного объема вторых фаз от времени отжига характеризуется экспоненциальной зависимости (Рис.12в). Если  - фаза полностью растворяется, то после этого необходимо какое-то время для выравнивания состава слое  - раствора до равновесной концентрации С₀ (Рис.12а). Если же в равновесных условиях сплав является доэвтектическим, то при гомогеннизации растворяется только избыточное количество  - фазы.