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…

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…