Коагуляция выделений

В процессе непрерывного распада твердого раствора суммарный объем выделений увеличивается, а концентрация легирующего элемента в растворе снижается. Когда состав матричного раствора становится близким к равновесному при температуре старения, суммарный объем выделений перестает изменяться, но структура состаренного сплава нестабильна — дисперсные выделения склонны к укрупнению, коагуляции.

Выделения в состаренном сплаве, отделенные одно от другого решеткой матрицы, не могут укрупняться слиянием так, как сливаются капли ртути под действием сил поверхностного натяжения. Движущей силой коагуляции является разность свободных энергий более мелких и более крупных частиц.

В состаренном сплаве из-за разных локальных условий роста размеры выделений разные. Чем мельче выделение, тем больше доля атомов, расположенных на его поверхности (по отношению ко всем атомам выделения), и тем, следовательно, выше средняя свободная энергия, приходящаяся на 1 атом выделения.


Зависимость от состава свободной энергии

Зависимость от состава свободной энергии

Зависимость от состава свободной энергии α-раствора
(Fα), крупных (Fβк) и мелких выделений β-фазы.


На рисунке кривая свободной энергии мелких частиц β-фазы (Fβм) расположена выше кривой свободной энергии крупных частиц этой же фазы (Fβк). Из схемы на рисунке видно, что концентрация α-раствора, находящегося в равновесии с мелкими выделениями β-фазы (См), должна быть выше, чем при равновесии с крупными выделениями (Ск). Этот же вывод следует из уравнения.

Таким образом, в матричном растворе существует градиент концентраций легирующего элемента между выделениями разного размера. Этот градиент непосредственно и вызывает коагуляцию. Выравнивающая диффузия понижает концентрацию раствора на его границе с мелким выделением, и оно растворяется, поддерживая равновесную концентрацию раствора на своей границе. Та же диффузия повышает концентрацию раствора на его границе с крупным выделением, раствор здесь пересыщается и выделяет β-фазу, поддерживая равновесную концентрацию Ск. 


Градиент концентрации легирующего элемента

Градиент концентрации легирующего элемента

Градиент концентрации легирующего элемента в α-растворе между
мелким и крупным выделениями β-фазы (Ск и См смотрите
на рисунке выше).


Фаза β выделяется на готовой поверхности крупной частицы, которая таким путем растет при одновременном растворении мелкого выделения вплоть до его полного исчезновения. Следовательно, коагуляция выделений во время старения происходит вследствие переноса вещества через матричный раствор (из-за градиента концентраций) при растворении более мелких и росте более крупных выделений.

Средний радиус частиц rˉ с увеличением времени старения τ при коагуляции изменяется в соответствии с уравнением Лифшица — Слезова:

Формула

где rˉ0 — средний начальный радиус выделений перед коагуляцией.

Формула

Здесь D — коэффициент диффузии;

γ — поверхностная энергия на границе выделения с матрицей;

С — равновесная концентрация матричного раствора у плоской поверхности раздела с избыточной фазой;

V — объем выделения, приходящийся на один атом растворенного элемента.

Скорость коагуляции увеличивается с ростом D и γ. Коэффициент диффузии с повышением температуры возрастает по экспоненте, и поэтому коагуляция сильно ускоряется с ростом температуры старения. Этому способствует также увеличение С∞ с ростом температуры. Поверхностно активные добавки, снижающие значение γ на границе выделения с матрицей, уменьшают скорость коагуляции.

Коагуляция является единственным структурным изменением стареющего сплава после образования выделений стабильной фазы. Но это не значит, что коагулируют только выделения стабильной фазы. Аналогично могут коагулировать и выделения промежуточных фаз и зоны Гинье — Престона, так как концентрация раствора, находящегося в метастабильном равновесии с ними, зависит от размера соответствующих выделений (в том числе и зон ГП).

Поэтому коагуляцию можно наблюдать на разных стадиях распада раствора. Но особенно большой практический интерес она представляет как заключительная стадия распада.

«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…