Главная / Теория термической обработки металлов / Старение и отпуск / Старение / Кинетика и последовательность образования выделений при старении

Кинетика и последовательность образования выделений при старении

Из рисунка Зависимость свободной энергии от состава видно, что в сплаве состава С0 уменьшение свободной энергии при выделении стабильной β-фазы больше, чем при  образовании промежуточной β´-фазы и зон ГП: ad > ac > ab. Однако это не означает, что при старении всегда больше вероятность образования стабильной фазы.

На рисунке Зависимость свободной энергии от состава по оси ординат отложены значения объемной («химической») свободной энергии.

В Образовании промежуточных метастабильных фаз было показано, что последовательность образования фаз регулируется не достигаемым уровнем объемной свободной энергии, а величиной энергетического барьера при зарождении новой фазы.

Энергетический барьер зарождения — работа образования критического зародыша (∆Fкр) без учета упругой составляющей равна одной трети его поверхностной энергии (смотрите формулу).

У зон ГП поверхностная энергия минимальна, а у некогерентных выделений стабильной фазы — максимальна. Следовательно, ∆FкрГП < ∆Fкрβ´ < ∆Fкрβ. При старении энергетический барьер зарождения выделений создается не только из-за образования поверхности раздела, но и из-за упругой деформации решетки.

Упругая деформация при зарождении полукогерентных выделений β-фазы может быть больше, чем при зарождении некогерентных выделений β-фазы. Тогда неравенство ∆Fкрβ´ < ∆Fкрβ выполняется только в том случае, если выигрыш в поверхностной энергии перекрывает возможный проигрыш в энергии упругой деформации.

Скорость зарождения выделений в стареющем сплаве определяется формулой, аналогичной формуле, в которой Q — энергия активации диффузии наиболее медленно диффундирующего элемента.

Чем больше скорость зарождения, тем меньше инкубационный период — время выдержки до фиксируемого данным методом начала выделения. С повышением температуры старения инкубационный период вначале сокращается из-за увеличения диффузионной подвижности атомов, а затем возрастает из-за уменьшения пересыщенности твердого раствора по отношению к данной фазе.

Зоны ГП, промежуточная и стабильная фазы характеризуются своими С-кривыми. Верхние ветви С-кривых асимптотически приближаются к соответствующим температурам сольвуса Тгп, Тβ´ и Тβ.


С-кривые образования зон ГП

С-кривые образования зон ГП

С-кривые образования зон ГП, промежуточной фазы β´ и стабильной фазы β при распаде пересыщенного раствора в стареющем сплаве (схема): ТГП, Т´β и Тβ температуры сольвуса выделений в сплаве С0 на рисунке Диаграмма состояния с линиями сольвуса.


При заданной температуре старения, т. е. при неизменной диффузионной подвижности атомов, скорость зарождения выделений в соответствии с формулой определяется только величиной ∆Fкр. Первыми появляются выделения, для которых работа образования критического зародыша минимальна, а затем выделяется фаза с большей величиной ∆Fкр.

Например, при температуре старения Т1 через период времени ТГП появляются зоны ГП, затем по достижении момента τβ´ появляется промежуточная β´-фаза и, наконец, после выдержки τβ — стабильная β-фаза. Такую последовательность образования выделений часто записывают в виде схемы α → ГП → β´ → β.

При температуре старения Т2, превышающей температуру сольвуса зон ГП, из пересыщенного раствора вначале выделяется β´-фаза, а затем β-фаза, т. е. α → β´ → β. При температуре старения Т3, превышающей температуру сольвуса β´-фазы, из пересыщенного раствора может выделяться только стабильная β-фаза.

Это соответствует общему правилу: чем меньше степень Пересыщенности твердого раствора по отношению к стабильной фазе, тем меньше число промежуточных превращений.

Выше это правило было продемонстрировано на примере одного сплава: степень пересыщенности раствора уменьшалась с повышением температуры старения. Оно справедливо и для сплавов разного состава при постоянной температуре старения. Например, если взять сравнительно малолегированный сплав с составом левее точки Сα—гп на рисунке Диаграмма состояния с линиями сольвуса, то при температуре старения Т1 зоны ГП в нем не могут образоваться.

Стадии распада пересыщенного раствора в промышленных сплавах

Система Пример сплава Стадии распада
Al — Cu АЛ7 Зоны ГП → θ˝ → θ´ → θ (AlCu2)
AI — Mg АЛ8

Зоны ГП → β´ → β (Al3Mg2)

Al — Cu — Mg Д16

Зоны ГП → S´ → S (Al2CuMg)

Al — Cu — Mg — Fe — Ni AK4-1

Зоны ГП → S´ → S (Al2CuMg)

AI — Mg — Si АД31

Зоны ГП → β´ → β (Mg2Si)

AI — Zn — Mg 1915

Зоны ГП → η´ → η (MgZn2) → T (Al2Mg2Zn3)

AI — Zn — Mg — Cu B95 Зоны ГП → η´ → η (MgZn2)
Cu — Be Бр.Б2

Зоны ГП → γ´ → γ (CuBe)

В таблице приведены примеры последовательности появления выделений в сплавах разных систем с ростом продолжительности старения или температуры старения (при постоянной выдержке).

Таблица демонстрирует не последовательность выделений при старении по промышленным режимам, а возможное для данного сплава число стадий выделений в широком диапазоне температур и времен выдержки при старении, в том числе и при режимах, не используемых в промышленности. Например, для большинства сплавов режим старения подбирают, так чтобы не выделялась стабильная фаза (смотрите Изменение свойств сплавов при старении и Влияние состава сплава на старение).

Для теории и практики старения (смотрите Возврат после старения) очень важно знать, как зарождаются и растут более стабильные выделения, если имеются ранее образовавшиеся менее стабильные выделения.

«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…