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…

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…