Зоны, свободные от выделений

При старении некоторых сплавов (алюминиевых, титановых, железных, никелевых и др.) вблизи границ зерен матричного раствора распада не происходит и отчетливо видны зоны, свободные от выделений. В алюминиевых сплавах ширина таких зон составляет обычно доли микрона и они видны только под электронным микроскопом.

В титановых β-сплавах после старения зоны, свободные от выделений, имеют ширину порядка нескольких микронов и хорошо видны в световой микроскоп.

Существование приграничных зон, свободных от продуктов распада раствора, не противоречит положению о том, что границы зерен облегчают зарождение выделений новой фазы. Речь идет не о самой границе, а о примыкающей к ней приграничной области. Часто можно наблюдать выделения непосредственно на границе зерна и рядом с ними приграничную зону, свободную от выделений.

Появление приграничных зон, свободных от выделений, можно объяснить двумя причинами. Если распад начинается с границ и здесь зарождается фаза, обогащенная одним из компонентов, то при своем росте она «высасывает» этот компонент из приграничной области.

Начинающийся позднее распад в теле зерна не идет в некоторой зоне, прилегающей к выделению, из-за уменьшения в этой зоне пересыщенности матричного раствора (смотрите расширенный участок зоны вблизи выделения на рисунке). Это объяснение не подходит к зоне нераспавшегося раствора у границ, на которых нет выделений (смотрите узкую зону вдоль «чистой» границы на рисунке).


Приграничная зона

Приграничная зона

Приграничная зона, свободная от выделений (светлая), в сплаве Al — 5,9%,
Zn — 2,9% Mg после старения при 180 °С, 3 ч
(Ливин, Лоример и Никольсон).


Более общей причиной появления зон, свободных от выделений, является обеднение приграничных областей вакансиями из-за стока на границу. Равновесная концентрация тепловых вакансий резко, по экспоненте, уменьшается с понижением температуры.

При закалке этот процесс не успевает пройти в необходимой степени и решетка сильно пересыщается вакансиями. В первый период закалочного охлаждения, когда при высоких температурах вакансии еще очень подвижны, они устремляются к границам зерен — стокам вакансий.

В результате вблизи границ зерен концентрация вакансий в некоторой зоне оказывается пониженной по сравнению с остальной частью зерна, где сохраняется высокая концентрация избыточных вакансий.


Приграничные зоны

Приграничные зоны

Приграничные зоны, свободные от выделений (светлые), в титановом сплаве BT15, закаленном на Р фазу с температуры 900 °С и состаренном при 450 °С, 15 ч. Темный фон — сильно травящаяся β-фаза, в которой выделилась дисперсная α-фаза. Х200 (И. И. Новиков, О. В. Каспарова, И. С. Полькин).


Вакансионные кластеры, как ранее отмечалось, облегчают зарождение выделений, особенно если удельный объем при распаде раствора возрастает. Закалочные вакансии способствуют также диффузионному росту зародышей новой фазы.

Можно принять, что при некоторой пересыщенности раствора легирующим элементом, т. е. при определенной температуре старения T1, распад за определенное время происходит только в той части тела зерна, где концентрация вакансий не ниже некоторой критической величины C1.


Схема распределения концентрации вакансий

Схема распределения концентрации вакансий

Схема распределения концентрации вакансий вблизи границы зерна при разных режимах закалки:

1 — закалка с температуры T1;
2 — закалка с температуры T2 > T1;
3 — закалка с температуры T2 при замедленном охлаждении.


Если кривая 1 на рисунке характеризует распределение концентрации вакансий по сечению зерна матричного раствора в закаленном сплаве, то при температуре старения Т1 в приграничной зоне шириной ob1 распада не произойдет, так как здесь концентрация вакансий ниже C1.

При более низкой температуре старения Т2 пересыщенность раствора легирующим элементом больше, чем при температуре Т1. и распад его может идти при более низкой концентрации вакансий (критическая концентрация вакансий С2 < С1).

Соответственно свободная от выделений зона при более низкой температуре старения должна быть уже: ob2 < ob1.

С повышением температуры нагрева под закалку возрастает равновесная концентрация вакансий и становится резче ее градиент вблизи стока — границы зерна (кривая 2 на рисунке). Поэтому при одинаковой температуре старения и соответственно одинаковой критической концентрации вакансий зона нераспавшегося раствора с повышением температуры закалки сужается (ob4 < ob1).

Если замедлить охлаждение при закалке, то на границу зерна успевает стечь больше вакансий (сравните кривые 2 и 3) и свободная от выделений зона оказывается шире (ob3 > ob4).

Таким образом, для сужения приграничных зон, свободных от выделений, следует повышать температуру закалки, ускорять закалочное охлаждение и понижать температуру старения. Пластическая деформация закаленного сплава перед старением, способствуя распаду пересыщенного раствора, может полностью предотвратить появление этих зон.

Рассмотренные закономерности влияния разных факторов на ширину зон, свободных от выделений неоднократно устанавливались при изучении алюминиевых и титановых сплавов. Роль этих зон при эксплуатации состаренных сплавов во многих случаях окончательно не ясна. Например, по поводу их роли в высокопрочных сплавах на базе системы Al — Zn — Mg высказываются прямо противоположные точки зрения.

Одно время усиленно подчеркивали, что свободные от выделений зоны вредны. Во-первых, из-за меньшей прочности в них должны локализоваться пластическая деформация и начинаться преждевременное разрушение. Во-вторых, локализованное растворение пластически деформированных зон, являющихся анодом по отношению к остальному зерну, служит причиной ускоренного развития межзеренных трещин при коррозии под напряжением.

Однако получены экспериментальные данные, показывающие, что с уширением свободных от выделений приграничных зон пластичность растет (при понижении температуры нагрева под закалку) и повышается стойкость против коррозии под напряжением (при замедлении закалочного охлаждения).

Рост пластичности объясняется тем, что в мягкой приграничной зоне полнее релаксируют напряжения, которые концентрируются в месте остановки полосы скольжения границей зерна. Чем шире мягкая зона, тем полнее релаксируют эти напряжения и тем самым затрудняется зарождение и развитие здесь трещин.

Окончательных выводов о роли приграничных зон, свободных от выделений, сделать сейчас нельзя, так как изменение их ширины при варьировании режима термообработки одновременно изменяет и другие структурные характеристики, влияющие на свойства сплава.

«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…

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,…

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…