Модулированные структуры

Стремление к минимуму энергии упругих искажений влияет не только на форму, но и на взаимное расположение выделений.

Требование минимума упругой энергии при распаде твердого раствора обусловливает образование в ряде сплавов так называемых модулированных (или периодических) структур, для которых характерно закономерное пространственное расположение когерентных выделений на определенном расстоянии одно от другого, называемом периодом модуляции структуры.


Структура сплава Cu — 33,5% Ni — 15% Fe

Структура сплава Cu — 33,5% Ni — 15% Fe

Структура сплава Cu — 33,5% Ni — 15% Fe

Структура сплава Cu — 33,5% Ni — 15% Fe

Структура сплава Cu — 33,5% Ni — 15% Fe после старения тори 775 °С в течение разного времени. Электронная микрофотография, фольга (Батлер и Томас):

а — 15 мин, модулированная структура с λ, = 254 А̊;
б — 5 ч, модулированная структура с λ = 635 А̊;
в — 200 ч.


Так как период модуляции обычно не превышает нескольких сотен межатомных расстояний, то под световым микроскопом модулированная структура не выявляется.

Наилучший метод ее изучения
— электронно-микроскопический анализ тонких фольг.

В одних сплавах модулированная структура возникает на самых ранних стадиях распада, например при спинодальном распаде, в других она появляется через некоторое время после начала распада.

При увеличении продолжительности старения модулирования структура может вначале становиться все более ярко выраженной, а затем в результате потери когерентности и коагуляции она постепенно превращается в совокупность хаотично расположенных выделений.

Модулированные структуры в разных сплавах и в зависимости от режима термической обработки отличаются разной морфологией.

В одних случаях видны тонкие пластины выделений, расположенные на одинаковом расстоянии одна от другой и параллельные определенной кристаллографической плоскости, в других — периодически расположенные стержнеобразные выделения, которые могут образовывать трехмерную сетку взаимоперекрывающихcя в пространстве стержней, параллельных определенным направлениям в матрице, например «упругомягкому» направлению <100> в кристаллах с кубической решеткой.

Такая сетка выделений часто выявляется в виде характерного узора «корзиночного плетения». Одна из типичных разновидностей модулированных структур представляет собой ряды выделений кубической формы, параллельные направлениям <100> кубической решетки матрицы.


Выделения γ´(Ni3Al ) в сплаве Ni — 6,7% Аl

Выделения γ´(Ni3Al ) в сплаве Ni — 6,7% Аl

Выделения γ´(Ni3Al ) в сплаве Ni — 6,7% Аl

Выделения γ´(Ni3Al ) в сплаве Ni — 6,7% Аl , состаренном при 750 °С в течение 15 мин (а) и 96 ч (б). Электронная микрофотография, фольга (Эрделл и Никольсон):

а — хаотично распределенные выделения;
б — выделения кубической формы выстроены вдоль направлений <0100> (модулированы а я структура).


Модулированная структура возникает при старении таких сплавов, в которых когерентные выделения создают вокруг себя сравнительно сильные поля упругих напряжений, например из-за большой разницы в удельных объемах исходной и новых фаз.

Классическим примером являются дисперсионно твердеющие сплавы для постоянных магнитов типа кунифе и кунико, относящиеся к системам Cu — Ki — Fe и Cu — Ni — Со.

Закалка фиксирует в этих сплавах пересыщенный твердый раствор с г. ц. к. решеткой, а старение приводит к его распаду на два раствора, которые в равновесном состоянии также имеют г. ц. к. решетку, отличаясь один от другого и от матрицы составом, а следовательно, периодом решетки и удельным объемом (аналогичная двойная система описывается диаграммой состояния на рисунке Диаграмма состояния с кривой расслоения, а).

Другим примером сплавов с детально изученной модулированной структурой являются стареющие никелевые сплавы, в частности типа нимоников, в которых при распаде пересыщенного раствора с г. ц. к. решеткой выделяется когерентная γ´-фаза, также имеющая г. ц. к. решетку.

При изучении двойных сплавов Ni — Al показано, что вначале при старении образуются хаотично расположенные выделения γ´ кубической формы, которые по мере увеличения времени старения постепенно выстраиваются в ряды, параллельные направлениям <100> матрицы.

Это выстраивание происходит не в процессе самого распада пересыщенного раствора, а в период медленной коагуляции, когда одни частицы растворяются, а другие растут. Особенностью рассматриваемого процесса коагуляции является то, что из-за упругого взаимодействия выделений γ´-фазы происходят селективный рост благоприятно расположенных частиц и растворение других частиц, вследствие чего и развивается модулированная структура.

«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…