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
| Форма зон ГП | Система | Разница в атомных диаметрах, % |
| Сфера | Al — Ag | + 0,7 |
| Al — Zn | — 1,9 | |
| Al — Zn — Mg | + 2,6 | |
| Cu — Со | — 2,8 | |
| Диск | Al — Cu | — 11,8 |
| Cu — Be | — 8,8 | |
| Игла | Al — Mg — Si | + 2,5 |
| Al — Cu — Mg | — 6,5 |
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