Главная / Теория термической обработки металлов / Старение и отпуск / Старение / Образование зон Гинье — Престона (обсуждение природы)

Образование зон Гинье — Престона (обсуждение природы)

При обсуждении природы зон ГП обычно их сопоставляют с метастабильными промежуточными фазами.

При этом часто подчеркивают, что зона ГП — это не новая фаза, а участок исходного твердого раствора, обогащенный растворенным элементом.

В отличие от промежуточных фаз, характеризующихся собственной решеткой, зона ГП имеет ту же решетку, что и матричный раствор, только она деформирована из-за различия в атомных диаметрах растворимого и растворителя. Между зоной и окружающим раствором нет четкой границы раздела.

В некоторых сплавах зоны ГП (кластеры) образуются безынкубационно, сразу же после закалки или даже в период закалочного охлаждения, в то время как промежуточные и стабильные фазы появляются через некоторый инкубационный период. Все эти факты свидетельствуют об отличии зон ГП от промежуточных и стабильных фаз. Поэтому зоны ГП часто называют предвыделениями, чтобы отличить их от «истинных» выделений промежуточных и стабильных фаз с качественно иной структурой.


Зависимость размера зон ГП

Зависимость размера зон ГП

Зависимость размера зон ГП сплаве Al — 6,8% Zn (ат.) от продолжительности
старения при комнатной температуре (Мураками и Кавано).


В отличие от такого структурного подхода, трактующего зоны ГП как предвыделения, с термодинамической точки зрения их можно рассматривать как самостоятельную метастабильную фазу, промежуточную между матричным раствором и стабильной фазой. Такая трактовка вытекает из многих важных особенностей поведения зон ГП.

В отличие от концентрационных флуктуаций, которые непрерывно возникают и размываются тепловым движением, зоны ГП длительное время устойчивы (при низких температурах — неопределенно долгое время). Экспериментально установлено, что с увеличением продолжительности старения размер зон возрастает, причем более крупные зоны растут за счет растворения более мелких, т. е. точно так, как происходит коагуляция частиц фаз. Состав зон при данной температуре старения не зависит от состава сплава.

Наконец, самое главное, зоны ГП в двойной системе имеют свою линию сольвуса: они образуются только при переохлаждении матричного раствора ниже этой линии. Если же в сплаве имеются зоны ГП, то они растворяются в матрице при нагревании до температуры выше линии их сольвуса. Здесь полная аналогия с выделением и растворением стабильной фазы.


Диаграмма состояния Al — Cu

Диаграмма состояния Al — Cu

Диаграмма состояния Al — Cu с линией сольвуса зон ГП
(по Битону и Роллэсону) и конодой mn.


Таким образом, зоны ГП можно рассматривать как вторую фазу, находящуюся в метастабильном равновесии с матричным раствором. То, что зоны не отличаются по типу решетки от матрицы, не противоречит этому утверждению, так как, например, в системе с непрерывным рядом твердых растворов (смотрите рисунок Диаграмма состояния с кривой расслоения, а) выделяющаяся под куполом расслоения стабильная фаза имеет ту же решетку, что и матрица.

По аналогии с кривой расслоения, относящейся к стабильному равновесию двух фаз с одинаковой решеткой (рисунок Диаграмма состояния с кривой расслоения, а), на диаграмме состояния можно провести куполообразную кривую метастабильного равновесия матричного раствора и зон ГП (смотрите пунктир на рисунке).

При любой температуре конода, например mn, должна соединять точки состава зон ГП (на правой ветви куполообразной кривой) и обедненного матричного раствора (на левой ветви). Здесь обедненный легирующим элементом матричный раствор и зоны ГП рассматриваются как метастабильные фазы, образующиеся из исходного однородного твердого раствора.

От других промежуточных фаз зоны ГП отличаются строением границы раздела с матрицей.

Зоны — полностью когерентные выделения, и поэтому граница их раздела с матрицей размыта.

Из сказанного видно, что термин «предвыделение» применительно к зонам ГП весьма условен, так как их можно считать когерентными выделениями.

Механизм зарождения зон ГП слабо изучен.
Плотность дислокаций в рекристаллизованном закаленном сплаве равна 107 — 108 см—2, и в случае гетерогенного зарождения на дислокациях число зон в единице сечения должно было бы характеризоваться этой величиной.

В действительности же плотность выделений зон ГП (число зон в единице объема) измеряется величиной порядка 1018см—3, а в сечении — порядка 1012 см—2. Считают, что для кластеров характерно главным образом гомогенное зарождение на концентрационных флуктуациях.

Если рассматривать зону ГП как фазу, то при ее зарождении изменение свободной энергии сплава ∆F = — ∆Fоб + ∆Fпов + ∆Fупр (смотрите формулу). Из-за когерентности зоны и матрицы составляющей ∆Fпов можно пренебречь, так как величина ее мала. Тогда при достаточно большом пересыщении энергетический барьер для зарождения зоны ГП должен быть очень мал, чем и объясняется появление кластеров сразу после закалки или даже во время закалочного охлаждения.

Большое практическое значение имеет то, что зоны ГП легко зарождаются по всему объему матричного твердого раствора и дают структуру равномерного распада с высокой плотностью выделений (смотрите Изменение свойств сплавов при старении).

«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…