Главная / Теория термической обработки металлов / Старение и отпуск / Старение / Распад по механизму образования и роста зародышей

Распад по механизму образования и роста зародышей

Про анализируем изотермический распад твердого раствора, состав которого С0 не лежит в спинодальной области.

Его свободная энергия F1 больше свободной энергии равновесной двухфазной смеси F2. Если в результате флуктуаций на ранних стадиях распада образуются две фазы с составами Сf и Сg, близкими к С0, то свободная энергия такой двухфазной смеси будет выше, чем у исходного раствора С0 (F3 > F1).

Это — неизбежное следствие того, что кривая свободной энергии вне спинодального интервала S1S2 обращена вогнутостью вверх. Только при возникновении большой разницы по составу, например Сm — Сn, свободная энергия понижается (F4 < F1).


Схема к объяснению распада

Схема к объяснению распада

Схема к объяснению распада по механизму зарождения и роста в сплаве С0 в системе
с непрерывным рядом твердых растворов.


Таким образом, в отличие от спинодального распада, при котором свободная энергия непрерывно снижается, в рассматриваемом случае превращение сопровождается вначале повышением, а затем снижением свободной энергии, т. е. существует термодинамический барьер образования достаточно больших участков новой фазы даже без учета роли поверхностной энергии и энергии упругой деформации решетки. Следовательно, в рассматриваемом случае для того, чтобы распад начался и самопроизвольно протекал с уменьшением свободной энергии, необходимы зародыши.

Распад такого типа не имеет особого краткого наименования, так как является обычным, наиболее распространенным в металлических сплавах. Иногда его называют распадом по механизму образования и роста зародышей, чтобы отличить от спинодального распада.

В системах с расслоением в твердом состоянии он протекает в области между кривой расслоения MKN и спинодалью RKV (смотрите рисунок Диаграмма состояния с кривой расслоения). В таких системах, в которых для спинодального распада требуется переохлаждение ниже линии RKV, обычный распад может протекать и при температурах ниже химической спинодали.

В то время как спинодальный распад более вероятно встретить в системах с расслоением, где решетка новой фазы такая же, как и у исходной, обычный распад происходит в любых системах с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Наибольшее практическое значение для разработки стареющих сплавов имеют системы с промежуточными фазами (соединениями).

Выделяющаяся в них фаза отличается от исходного твердого раствора не только составом, но и типом кристаллической решетки. Все, что сказано по поводу схемы обычного, не спинодального распада в системе с расслоением, относится и к системе с промежуточной фазой. Обозначения на обоих графиках одинаковы. Различие между ними состоит лишь в том, что на рисунке кривая свободной энергии второй фазы Fβ является самостоятельной и не продолжает соответствующую кривую матричного раствора а.


Схема к объяснению выделения β-фазы из α-раствора

Схема к объяснению выделения β-фазы из α-раствора

Схема к объяснению выделения β-фазы из α-раствора по механизму
зарождения и роста в сплавах С0 и С´0.


Выше никак не учитывалась роль поверхностной энергии и энергии упругой деформации в образовании новой фазы по механизму зарождения и роста. На рисунках разность F1 — F2 является термодинамическим стимулом превращения. Ее роль аналогична роли ∆f на рисунке Зависимость свободной энергии двух фаз от температуры в случае фазового превращения без изменения состава.

Величина ∆Fоб = F1 — F2 представляет уменьшение при распаде раствора свободной энергии, приходящейся на единицу объема (F1 и F2 — удельная объемная свободная энергия соответственно исходной фазы и равновесной смеси фаз).

Но в общее изменение свободной энергии при распаде твердого раствора ∆F вносят вклад еще два слагаемых — приращение поверхностной энергии ∆Fпов и повышение свободной энергии из-за возникновения упругой деформации матрицы и новой фазы ∆Fупр при образовании кристаллов в упругой среде: ∆F = — ∆Fоб +∆Fпов + ∆Fупр). Образование новых поверхностей и появление упругой деформации препятствуют распаду раствора.

При анализе фазового превращения без изменения состава в Термодинамике фазовых превращений было доказано, что с повышением степени переохлаждения из-за увеличения ∆Fоб уменьшаются размер критического зародыша акр и работа его образования ∆Fкр. Можно показать, что в случае выделения из твердого раствора, происходящего с изменением состава, критический размер зародыша и работа его образования также уменьшаются с ростом ∆Fоб.

Например, на рисунке в более легированном сплаве С0 движущая сила распада больше, чем в сплаве C0 (F´1 — F´2> F1 — F2). Поэтому при постоянной температуре старения Т1 размер критического зародыша новой фазы уменьшается с ростом концентрации исходного твердого раствора, т. е. с увеличением степени его пересыщения С01.


Размер выделений

Размер выделений

Размер выделений при разной пресыщенности твердого
раствора (схема).


При постоянной концентрации исходного твердого раствора, например в сплаве С0, размер критического зародыша возрастает с повышением температуры старения, так как при этом уменьшается пересыщенность раствора.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Возврат после старения

Явление возврата после старения было открыто на дуралюмине. Если естественно состаренный дуралюмин нагреть до температуры примерно 250 °С, выдержать 20 — 60 с и быстро охладить, то его свойства возвращаются к значениям, характерным для свежезакаленного состояния.  Сущность явления возврата состоит в том, что зоны ГП, возникшие при естественном старении, во время нагрева сплава растворяются, метастабильные…

Выбор режима старения

Выбор температуры и продолжительности старения После предварительной оценки температурного уровня старения по соотношению или по аналогии с другими сплавами на базе того же металла экспериментально отрабатывают режим старения, строя графики, подобные рисуноки Схема зависимости прочностных свойств и Схема зависимости прочности от температуры старения. Как известно, старение подразделяют на естественное, происходящее при комнатной температуре, и искусственное,…

Искусственное старение

В зависимости от режима, структурных изменений и получаемого комплекса свойств искусственное старение можно подразделить на полное, неполное, перестаривание и стабилизирующее старение (соответствующие режимы и свойства приведены в таблице Режимы старения и механические свойства состаренных сплавов на разной основе для литейного алюминиевого сплава AЛ9). Полное искусственное старение проводят при такой температуре и продолжительности, которые обеспечивают достижение…

Ступенчатое старение

Старение с выдержкой вначале при одной, а затем при другой температуре называют ступенчатым. Как правило, температуру первой ступени выбирают ниже, чем второй. Основная цель двухступенчатого (двойного) старения — создать большое число центров выделений на низкотемпературной ступени, когда пересыщенность твердого раствора велика (на рисунке Размер выделений степень пересыщенности C0/C1 растет с понижением температуры Т1), а затем…

Максимальное упрочнение

Рассмотрим практически важный случай сложной роли естественного старения на примере сплавов системы Al — Mg — Si, находящихся на квазибинарном разрезе Al — Mg2Si или недалеко от него (сплавы типа авиаль). В этих сплавах при естественном старении образуются игольчатые зоны ГП, обогащенные магнием и кремнием, а при искусственном (170 °С) — метастабильная β´-фаза (смотрите таблицу…