Зарождение фаз

Местами предпочтительного зарождения промежуточных фаз (при старении) служат отдельные дислокации, малоугловые границы (стенки дислокаций), дефекты упаковки и предположительно вакансионные кластеры. В зонах ГП также может зарождаться промежуточная фаза.

Выделения стабильной фазы предпочтительно зарождаются на высокоугловых границах и вакансионных кластерах. Кроме того, стабильные фазы могут зарождаться на ранее появившихся выделениях промежуточных фаз.

Зарождение выделений промежуточных фаз на дислокациях облегчено главным образом потому, что структурное несоответствие зародыша и матричного раствора частично или полностью компенсируется разрежением или сгущением около края экстраплоскости. Пластинки промежуточной фазы зарождаются с такой ориентировкой на краевых дислокациях, что поля напряжений от этих пластинок и дислокаций частично гасят одно другое.

В формуле слагаемое ∆Fупр затрудняющее зарождение, при выделении полукогерентной частицы на дислокации мало и даже может быть отрицательным — упругая энергия дислокации способствует зарождению.

При зарождении некогерентного выделения стабильной фазы с высокой поверхностной энергией в формуле определяющую роль играет составляющая ∆Fпов а не ∆Fупр. При образовании некогерентного выделения на межзеренной границе, являющейся готовой поверхностью раздела, составляющая ∆Fпов, затрудняющая зарождение, оказывается уменьшенной, т. е. зарождение некогерентного выделения на высокоугловой границе облегчено.

У когерентного и полукогерентного выделений поверхностная энергия значительно меньше, чем у полностью некогерентного. Поэтому при их зарождении определяющую роль в формуле играет составляющая ∆Fупр, а не ∆Fпов.

Дислокации и границы зерен служат местами предпочтительного зарождения еще и потому, что на них образуются сегрегации атомов растворенного элемента — атмосферы Коттрелла на дислокациях и равновесная сегрегация на высокоугловых границах. Так как промежуточные и стабильные фазы характеризуются повышенной концентрацией легирующего элемента, то им легче образоваться в участках матрицы, уже обогащенных этим элементом.

На границах зерен выделения стабильной фазы могут появиться даже в период закалочного охлаждения. Это происходит, в частности, при закалке некоторых алюминиевых сплавов в кипящей воде.

Если у промежуточных и стабильных фаз удельный объем больше, чем у матрицы, то естественно, что зарождение их облегчено на вакансионных кластерах, которые быстро образуются в матрице из-за пересыщения ее закалочными вакансиями.

Дефекты упаковки служат местами гетерогенного зарождения лишь в тех случаях, когда структура выделения тождественна структуре дефекта упаковки. Например, в сплавах Al — Ag промежуточная фаза γ´ имеет г. п. решетку, а дефект упаковки в г. ц. к. решетке, как известно, является тонкой прослойкой г. п. решетки. Следовательно, полоса дефекта упаковки между частичными дислокациями в твердом растворе серебра в алюминии, обогащенная атомами серебра (атмосфера Сузуки), — это готовый зародыш γ´-фазы.

Как было доказано в Образовании промежуточных метастабильных фаз, растворимость метастабильных фаз всегда выше, чем растворимость стабильной фазы. Рассмотрим гипотетическую систему, в которой в α-растворе могут образовываться зоны ГП, промежуточная фаза β´ и стабильная фаза β.


Зависимость свободной энергии от состава

Зависимость свободной энергии от состава

Зависимость свободной энергии от состава расслаивающегося
с образованием зон ГП пересыщенного α-раствора,
метастабильной β´ и стабильной β-фазы.


На рисунке кривая Fα изображает зависимость свободной энергии от состава α-фазы, которая может расслаиваться с образованием зон ГП (по аналогии с кривой свободной энергии при температуре Т3 на рисунке Диаграмма состояния с кривой расслоения, б). Общая касательная к ветвям кривой свободной энергии даст состав матрицы (Сα—ГП ), находящейся в метастабильном равновесии с зонами ГП, которые здесь рассматриваются как метастабильная фаза с той же решеткой, что и матрица.

Промежуточная фаза β´ и стабильная фаза β имеют собственную кристаллическую решетку, отличную от решетки матрицы, к поэтому кривые свободной энергии Fβ´ и Fβ не являются продолжениями кривой Fα. Общая касательная к кривым Fα и Fβ´ определяет состав матрицы (Сα—β´) находящейся в метастабильном равновесии с промежуточной β-фазой. Аналогично определяется состав матрицы (Сα—β), находящейся в равновесии со стабильной фазой. Видно, что Сα—ГП > Сα—β´ > Сα—β.

Рисунок относящийся к определенной температуре, качественно не изменится и при других температурах:
растворимость зон ГП будет всегда выше, чем β-фазы, а растворимоость β-фазы должна быть выше растворимости β-фазы. На диаграмме состояния под линией растворимости стабильной β-фазы должны находиться линии сольвуса (растворимости) промежуточной β-фазы и зон ГП.


Диаграмма состояния с линиями сольвуса

Диаграмма состояния с линиями сольвуса

Диаграмма состояния с линиями сольвуса стабильной фазы β,
метастабильной фазы β´ и зон ГП (схема).


Линии сольвуса зон ГП

Линии сольвуса зон ГП

Линии сольвуса зон ГП, промежуточных фаз θ´ и θ˝ в системе
Al — Cu (ГП и θ˝ — по данным Батона а Роллэсона;
θ´ — Хорнбогена).


Экспериментально построенные линии сольвуса промежуточных фаз θ´ и θ˝ и зон ГП в системе Al — Cu показаны на рисунке.

«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…