Главная / Теория термической обработки металлов / Старение и отпуск / Старение / Форма и пространственное расположение выделений

Форма и пространственное расположение выделений

Форма выделений

В стареющих сплавах выделения из твердого раствора встречаются в следующих основных формах: тонкопластинчатой (обычно дискообразной), равноосной (обычно сферической или кубической) и игольчатой.

Форма выделений определяется двумя конкурирующими факторами — поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящихся к минимуму. Требование минимума поверхностной энергии обусловливает стремление к равноосной форме выделений и к появлению граненых форм с наименьшим поверхностным натяжением на всех гранях.

Энергия упругих искажений минимальна для выделений в форме тонких пластин. В зависимости от того, какой из указанных двух факторов преобладает, форма выделений ближе к равноосной или тонкопластинчатой.

У полностью и частично когерентных выделений упругая деформация, обеспечивающая плавную сопряженность решеток на когерентной границе распространяется от нее в глубь матрицы и выделения (рисунок Схема строения матрицы,а, б). Энергия упругой деформации решеток матрицы и выделений тем больше, чем больше структурное несоответствие этих решеток.

При разнице в атомных диаметрах компонентов твердого раствора, не превышающей 3%, форма когерентных выделений определяется требованием минимума поверхностной энергии и близка к сферической, а при разнице ≥ 5% решающим фактором является повышенная энергия упругих искажений и образуются тонкопластинчатые (чаще всего дискообразные) выделения.

Иногда когерентные выделения имеют иглообразную форму, которая отвечает большей энергии упругой деформации, чем дискообразные выделения, но меньшей, чем равноосные. Примеры разных форм зон Гинье — Престона (когерентных выделений) приведены в таблице.

Форма зон Гинье — Престона в разных системах

Форма зон ГП Система Разница в атомных диаметрах, %
Сфера Al — Ag + 0,7
Al — Zn — 1,9
Al — Zn — Mg + 2,6
Cu — Со — 2,8
Диск Al — Cu — 11,8
Cu — Be — 8,8
Игла Al — Mg — Si + 2,5
Al — Cu — Mg — 6,5

В твердых растворах с гранецентрированной кубической решеткой пластинчатые когерентные выделения часто расположены по плоскостям {100} матрицы.

Это объясняется анизотропией модуля упругости в матрице:
вдоль направлений <100> модуль нормальной упругости минимален, и деформация максимальная именно в этих направлениях, что обеспечивает минимум упругой энергии.

При образовании некогерентного выделения касательные напряжения не возникают, но всегда появляются нормальные напряжения, так как из-за разницы в удельных объемах матрицы и выделения неизбежно возникновение гидростатического (всестороннего) сжатия или растяжения (на рисунке Схема строения матрицы,в не показанного).

Это легко себе представить, мысленно поместив в полость податливой упругой матрицы жесткое включение с размером больше, чем полость: вокруг такого включения в матрице должна появиться область всестороннего сжатия.


Зависимость энергии упругой деформации

Зависимость энергии упругой деформации

Зависимость энергии упругой деформации матрицы Е от соотношения
осей с/а некогерентного выделения, имеющего форму
сфероида (Набарро).


Расчет, выполненный для некогерентного включения в виде сфероида с полуосями а, а и с при условии, что вся упругая деформация сосредоточена в матрице, показал следующее.

При образовании сферичсокого выделения (с/а = 1) энергия упругой деформации матрицы максимальна, при образовании выделения в форме тонкого диска (с/а « 1) она минимальна, а при игольчатой форме (с/а » 1) имеет промежуточное значение.

«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…

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…

Режимы старения и механические свойства состаренных сплавов

С ролью предстарения тесно связан вопрос о роли скорости нагрева при одноступенчатом старении. Обычно на скорость нагрева до температуры старения не обращают внимания. Однако начальные стадии распада при замедленном нагреве могут влиять на свойства состаренного сплава. Так, например, замедленный нагрев до температуры старения некоторых алюминиевых сплавов позволяет несколько повысить их прочность. Режимы старения и механические…