В большинстве стареющих промышленных сплавов из пересыщенного раствора может выделяться метастабильная фаза, структура которой является промежуточной между матричным раствором и стабильной фазой (смотрите таблицу Стадии распада пересыщенного раствора в промышленных сплавах). В некоторых системах выделяются две промежуточные метастабильные фазы.
При образовании зародыша любого выделения общее изменение свободной энергии складывается из трех составляющих: ∆F = — ∆Fоб + ∆Fпов + ∆Fупр.
Свободная энергия метастабильной фазы выше, чем у стабильной, и образование ее зародыша в матрице вызывает меньшее снижение объемной («химической») свободной энергии ∆Fоб.
Причина, обусловливающая выделение промежуточной фазы вместо стабильной, — значительно меньшая поверхностная энергия на границе с матрицей и соответственно меньший прирост ∆Fпов при образовании зародыша (смотрите Образование промежуточных метастабильных фаз).
Поэтому наиболее важной общей чертой структуры всех промежуточных фаз в стареющих сплавах является то, что она обеспечивает минимум одну когерентную границу между выделением и матрицей.
Выделения промежуточных фаз — обычно частично, а иногда и полностью когерентные.
Элементарные ячейки стабильной (θ) и метастабильных промежуточных
фаз (θ´ и θ˝), которые могут выделяться из алюминиевого раствора
при старении сплавов Al — Cu (Хорнбоген).
Полностью и частично когерентные выделения промежуточных фаз подробно изучены в стареющих сплавах Al — Cu. На рисунке изображена элементарная ячейка стабильной фазы θ (CuAl2) и метастабильных промежуточных фаз θ´ и θ˝. Здесь же приведена элементарная ячейка алюминия, приближенно характеризующая строение матрицы (без учета атомов меди в матричном α-растворе, несколько уменьшающих период решетки).
Решетка стабильной θ-фазы — тетрагональная с периодами а = 6,07 А̊ и с = 4,87 А̊. Строение θ-фазы в плоскостях (001), (010) и (100) (и любых других плоскостях) сильно отличается от строения матрицы и поэтому выделения θ-фазы полностью некогерентные.
Решетка промежуточной фазы θ˝— тетрагональная, состав фазы соответствует CuAl2. В структуре θ˝ часть плоскостей занята только атомами алюминия, а часть — только атомами меди.
Выделения θ˝ — полностью когерентные, причем по плоскости (001) сопряжение с алюминиевой матрицей идеальное (у θ˝, как и у алюминия, период решетки а = 4,04 А̊).
По плоскостям же (010) и (100) когерентность обеспечивается большой упругой деформацией, так как около слоев, занятых атомами меди, межплоскостное расстояние уменьшено (1,82 вместо 2,02 А̊). Поле упругих напряжений вокруг выделений θ играет большую роль в упрочнении стареющего сплава (смотрите Изменение свойств сплавов при старении).
Максимальная толщина выделений θ˝ составляет 100 А̊, а диаметр — до 1500 А̊. Их называют также зонами ГП2 в отличие от зон ГП1, имеющих решетку матрицы и обозначавшихся выше как зоны ГП. В настоящее время все чаще используют обозначение θ˝, а не ГП2, так как решетка этих выделений отличается от решетки матрицы.
Решетка промежуточной фазы θ´ — тетрагональная с периодами а = 4,04 А̊, с = 5,80 А̊, состав отвечает соединению CuAl2. По плоскости (001) выделение θ´ имеет с матрицей когерентную границу с идеальным сопряжением решеток.
По плоскостям (010) и (100) несоответствие строения θ´ и матрицы значительно, и межфазная граница полукогерентна: при электронно-микроскопичееком просвечивании фольг выявляются дислокации несоответствия. Таким образом, выделения θ-фазы являются частично когерентными, и поле упругих напряжений вокруг них меньше, чем вокруг когерентных выделений θ˝-фазы и зон ГП.
Промежуточные и стабильные фазы зарождаются гетерогенно в отличие от зон ГП, для которых характерно гомогенное зарождение. Общие закономерности гетерогенного зарождения рассмотрены в Гомогенном и гетерогенном зарождении фаз.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков