Форма и пространственное расположение выделений

Форма выделений

В стареющих сплавах выделения из твердого раствора встречаются в следующих основных формах: тонкопластинчатой (обычно дискообразной), равноосной (обычно сферической или кубической) и игольчатой.

Форма выделений определяется двумя конкурирующими факторами — поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящихся к минимуму. Требование минимума поверхностной энергии обусловливает стремление к равноосной форме выделений и к появлению граненых форм с наименьшим поверхностным натяжением на всех гранях.

Энергия упругих искажений минимальна для выделений в форме тонких пластин. В зависимости от того, какой из указанных двух факторов преобладает, форма выделений ближе к равноосной или тонкопластинчатой.

У полностью и частично когерентных выделений упругая деформация, обеспечивающая плавную сопряженность решеток на когерентной границе распространяется от нее в глубь матрицы и выделения (рисунок Схема строения матрицы,а, б). Энергия упругой деформации решеток матрицы и выделений тем больше, чем больше структурное несоответствие этих решеток.

При разнице в атомных диаметрах компонентов твердого раствора, не превышающей 3%, форма когерентных выделений определяется требованием минимума поверхностной энергии и близка к сферической, а при разнице ≥ 5% решающим фактором является повышенная энергия упругих искажений и образуются тонкопластинчатые (чаще всего дискообразные) выделения.

Иногда когерентные выделения имеют иглообразную форму, которая отвечает большей энергии упругой деформации, чем дискообразные выделения, но меньшей, чем равноосные. Примеры разных форм зон Гинье — Престона (когерентных выделений) приведены в таблице.

Форма зон Гинье — Престона в разных системах

В твердых растворах с гранецентрированной кубической решеткой пластинчатые когерентные выделения часто расположены по плоскостям {100} матрицы.

Это объясняется анизотропией модуля упругости в матрице: вдоль направлений <100> модуль нормальной упругости минимален, и деформация максимальная именно в этих направлениях, что обеспечивает минимум упругой энергии.

При образовании некогерентного выделения касательные напряжения не возникают, но всегда появляются нормальные напряжения, так как из-за разницы в удельных объемах матрицы и выделения неизбежно возникновение гидростатического (всестороннего) сжатия или растяжения (на рисунке Схема строения матрицы,в не показанного).

Это легко себе представить, мысленно поместив в полость податливой упругой матрицы жесткое включение с размером больше, чем полость: вокруг такого включения в матрице должна появиться область всестороннего сжатия.

Зависимость энергии упругой деформации

Зависимость энергии упругой деформации матрицы Е от соотношения
осей с/а некогерентного выделения, имеющего форму
сфероида (Набарро).

Расчет, выполненный для некогерентного включения в виде сфероида с полуосями а, а и с при условии, что вся упругая деформация сосредоточена в матрице, показал следующее.

При образовании сферичсокого выделения (с/а = 1) энергия упругой деформации матрицы максимальна, при образовании выделения в форме тонкого диска (с/а « 1) она минимальна, а при игольчатой форме (с/а » 1) имеет промежуточное значение.

«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…