Главная / Теория термической обработки металлов / Старение и отпуск / Старение / Образование зон Гинье — Престона (коэффициент диффузии легирующих элементов)

Образование зон Гинье — Престона (коэффициент диффузии легирующих элементов)

Коэффициент диффузии легирующих элементов в алюминиевом растворе при комнатной и более низких температурах можно рассчитать по скорости роста кластеров, например по формуле. Такие расчетные значения оказались на много порядков больше коэффициента диффузии, полученного экстраполяцией значений, экспериментально определенных при высоких температурах в обычных диффузионных опытах. Эта разница для раствора меди в алюминии при комнатной температуре составляет 108 (!).

Аномально высокая скорость диффузии при образовании кластеров во время старения обусловлена пересыщением твердого раствора вакансиями при закалке. Равновесная концентрация вакансий при температуре закалки на много порядков больше, чем при температуре старения.

Во время закалки значительная часть вакансий не успевает аннигилировать в стоках и твердый раствор оказывается пересыщенным не только легирующим элементом, но и вакансиями. Так как механизм диффузии в растворах замещения вакансионный, то закалочные вакансии резко ускоряют миграцию атомов легирующего элемента, чем и обусловлена очень высокая скорость образования кластеров при сравнительно низких температурах.

С повышением температуры нагрева под закалку возрастает пересыщение твердого раствора вакансиями и ускоряется образование кластеров. Противоположный эффект дает замедление охлаждения при закалке, так как больше вакансий успевает стечь в стоки (на дислокации, границы зерен и свободную поверхность образца) в период закалочного охлаждения.

После быстрого роста электросопротивления в начальный период старения («быстрая реакция»), продолжающийся обычно несколько десятков минут, оно медленно возрастает длительное время (смотрите рисунок Зависимость прироста электросопротивления).

В период этого медленного роста электросопротивления («медленная реакция») скорость диффузии, обеспечивающей образование зон, остается все еще аномально высокой. Основная теоретическая трудность состоит в том, чтобы объяснить длительное (в течение многих часов и суток) сохранение значительного избытка закалочных вакансий, несмотря на существование большого числа стоков для них (дислокаций, границ зерен).

Одна из гипотез, выдвинутых для преодоления этой трудности, сводится к следующему.

Вакансии связаны с атомами растворенного элемента в комплексы, и рост зон обеспечивается миграцией этих комплексов. Приблизившись к зоне, комплекс диссоциирует на вакансию и атом легирующего элемента, который присоединяется к зоне.

Повышение концентрации свободных вакансий у границы зоны создает направленную их миграцию в матрицу, где они встречаются с атомами растворенного элемента и образуют новые комплексы. Так как около границы зоны концентрация комплексов меньше, чем вдали от нее, то комплексы мигрируют к зоне, диссоциируют, отдавая ей атом легирующего элемента, и т. д.

Зона действует как помпа, выкачивающая атомы растворенного элемента из матрицы и посылающая вакансии в матрицу. Часть свободных вакансий аннигилирует в стоках, и поэтому скорость диффузии, обеспечивающей образование и рост зон, падает.

«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…