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…

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…