Главная / Теория термической обработки металлов / Старение и отпуск / Старение / Выделение промежуточных и стабильных фаз

Выделение промежуточных и стабильных фаз

В большинстве стареющих промышленных сплавов из пересыщенного раствора может выделяться метастабильная фаза, структура которой является промежуточной между матричным раствором и стабильной фазой (смотрите таблицу Стадии распада пересыщенного раствора в промышленных сплавах). В некоторых системах выделяются две промежуточные метастабильные фазы.

При образовании зародыша любого выделения общее изменение свободной энергии складывается из трех составляющих:
∆F = — ∆Fоб + ∆Fпов + ∆Fупр.

Свободная энергия метастабильной фазы выше, чем у стабильной, и образование ее зародыша в матрице вызывает меньшее снижение объемной («химической») свободной энергии ∆Fоб.

Причина, обусловливающая выделение промежуточной фазы вместо стабильной, — значительно меньшая поверхностная энергия на границе с матрицей и соответственно меньший прирост ∆Fпов при образовании зародыша (смотрите Образование промежуточных метастабильных фаз).

Поэтому наиболее важной общей чертой структуры всех промежуточных фаз в стареющих сплавах является то, что она обеспечивает минимум одну когерентную границу между выделением и матрицей.

Выделения промежуточных фаз
— обычно частично, а иногда и полностью когерентные.


Элементарные ячейки

Элементарные ячейки

Элементарные ячейки стабильной (θ) и метастабильных промежуточных
фаз (θ´ и θ˝), которые могут выделяться из алюминиевого раствора
при старении сплавов Al — Cu (Хорнбоген).


Полностью и частично когерентные выделения промежуточных фаз подробно изучены в стареющих сплавах Al — Cu. На рисунке изображена элементарная ячейка стабильной фазы θ (CuAl2) и метастабильных промежуточных фаз θ´ и θ˝. Здесь же приведена элементарная ячейка алюминия, приближенно характеризующая строение матрицы (без учета атомов меди в матричном α-растворе, несколько уменьшающих период решетки).

Решетка стабильной θ-фазы — тетрагональная с периодами а = 6,07 А̊ и с = 4,87 А̊. Строение θ-фазы в плоскостях (001), (010) и (100) (и любых других плоскостях) сильно отличается от строения матрицы и поэтому выделения θ-фазы полностью некогерентные.

Решетка промежуточной фазы θ˝— тетрагональная, состав фазы соответствует CuAl2. В структуре θ˝ часть плоскостей занята только атомами алюминия, а часть — только атомами меди.

Выделения θ˝ — полностью когерентные, причем по плоскости (001) сопряжение с алюминиевой матрицей идеальное (у θ˝, как и у алюминия, период решетки а = 4,04 А̊).

По плоскостям же (010) и (100) когерентность обеспечивается большой упругой деформацией, так как около слоев, занятых атомами меди, межплоскостное расстояние уменьшено (1,82 вместо 2,02 А̊). Поле упругих напряжений вокруг выделений θ играет большую роль в упрочнении стареющего сплава (смотрите Изменение свойств сплавов при старении).

Максимальная толщина выделений θ˝ составляет 100 А̊, а диаметр — до 1500 А̊. Их называют также зонами ГП2 в отличие от зон ГП1, имеющих решетку матрицы и обозначавшихся выше как зоны ГП. В настоящее время все чаще используют обозначение θ˝, а не ГП2, так как решетка этих выделений отличается от решетки матрицы.

Решетка промежуточной фазы θ´ — тетрагональная с периодами а = 4,04 А̊, с = 5,80 А̊, состав отвечает соединению CuAl2. По плоскости (001) выделение θ´ имеет с матрицей когерентную границу с идеальным сопряжением решеток.

По плоскостям (010) и (100) несоответствие строения θ´ и матрицы значительно, и межфазная граница полукогерентна: при электронно-микроскопичееком просвечивании фольг выявляются дислокации несоответствия. Таким образом, выделения θ-фазы являются частично когерентными, и поле упругих напряжений вокруг них меньше, чем вокруг когерентных выделений θ˝-фазы и зон ГП.

Промежуточные и стабильные фазы зарождаются гетерогенно в отличие от зон ГП, для которых характерно гомогенное зарождение. Общие закономерности гетерогенного зарождения рассмотрены в Гомогенном и гетерогенном зарождении фаз.

«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…

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…

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,…