Изменение свойств сплавов при старении

Природа упрочнения при старении

Упрочнение при старении — результат торможения дислокаций теми выделениями, которые образовались при распаде пересыщенного твердого раствора.

Можно указать при главных причины упрочнения:

  1. торможение дислокаций полем упругих напряжений в матрице вокруг выделений;
  2. «химическое» упрочнение при перерезании выделений дислокациями;
  3. упрочнение при обходе частиц дислокациями.

Поле упругих напряжений неизбежно возникает в матрице при образовании когерентных и полукогерентных выделений, так как когерентность решеток обеспечивается упругой деформацией их около границы раздела (смотрите рисунок Схема строения матрицы, а, б). Величина упругих напряжений тем больше, чем больше размерное несоответствие структуры матрицы и выделения, выше модуль упругости матрицы и больше площадь когерентной границы.

Для продвижения дислокаций через упругую деформированную матрицу требуется приложить напряжение, превышающее среднее напряжение поля упругих деформаций вокруг выделений. Соответствующее упрочнение является результатом дальнодейcтвующего влияния выделений на дислокации.

«Химическое» упрочнение — результат ближнего взаимодействия дислокаций и выделений, когда дислокации проходят через выделения, как бы перерезают их и выделения деформируются вместе с матрицей.


Перерезание выделений

Перерезание выделений

Перерезание выделений скользящей краевой дислокацией (схема).


Решетка выделения не идентична решетке матрицы, даже если речь идет о полностью когерентном выделении. Поэтому дислокация, входящая со своим вектором Бюргерса в выделение, нарушает укладку атомов вдоль плоскости скольжения.

Чем больше отличается строение выделения в плоскости перерезания от строения матрицы в этой же плоскости, тем сильнее нарушение укладки атомов внутри выделения и тем выше требуется напряжение для перерезания выделений дислокациями.

В случае когерентного выделения (зоны ГП) поверхностная энергия на плоскости его «среза» составляет величину порядка 102 эрг/см2, а при перерезании некогерентного выделения — порядка 103 эрг/см2 (как на высокоугловой границе).

Модуль сдвига выделения обычно больше, чем у матрицы. Чем жестче выделение, тем труднее дислокации его перерезать.

Еще одна причина торможения дислокаций
— образование выступов на перерезанном выделении и соответственно увеличение его поверхности, с которой связан избыток энергии.

Упрочнение при обходе частиц дислокациями возникает тогда, когда дислокации не перерезают выделения.

Один из способов обхода — «проталкивание» дислокаций между выделениями. Для проталкивания необходимо повысить приложенное напряжение, чтобы выгнуть дислокацию между выделениями. Участки дислокации по обе стороны от выделения, выгибаясь, смыкаются и образуют дислокационные петли вокруг выделений. Оторвавшись от петель, дислокация продолжает скользить в матрице.


Прохождение дислокаций

Прохождение дислокаций

Прохождение дислокаций между выделениями
с образованием петель (схема).


Критическое напряжение проталкивания обратно пропорционально расстоянию l между выделениями:

Формула

где G — модуль сдвига матрицы;

b — вектор Бюргерса дислокации.

Другой способ обхода выделений
— поперечное скольжение. Напряжение, необходимое для преодоления препятствий этим способом, уменьшается с повышением температуры. Переползание дислокаций при повышенных температурах также помогает им обходить 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…