Файл: Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник.pdf

Другим примером сплавов с детально изученной модулирован­ ной структурой являются стареющие никелевые сплавы, в част­ ности типа нимоников, в которых при распаде пересыщенного раствора с г. ц. к. решеткой выделяется когерентная у'-фаза, также имеющая г. ц. к. решетку. При изучении двойных сплавов Ni—А1 доказано, что вначале при старении образуются хаотично расположенные выделения у' кубической формы, которые по мере увеличения времени старения постепенно выстраиваются в ряды, параллельные направлениям < 1 0 0 > матрицы (рис. 169). Это вы­ страивание происходит не в процессе самого распада пересы­ щенного раствора, а в период медленной коагуляции, когда одни частицы растворяются, а другие растут. Особенностью рассматри­ ваемого процесса коагуляции является то, что из-за упругого взаимодействия выделений у'-фазы происходят селективный рост благоприятно расположенных частиц и растворение других частиц, вследствие чего и развивается модулированная структура.

3.Структурные изменения при спинодальном распаде

Вначальной стадии спинодального распада возникает высо-

кодиоперсная смесь фаз, решетки которых когерентны — плавно переходят одна в другую, и .межфазные границы не резкие, а сильно размытые. Чем же отличается эта смесь фаз от флуктуаций состава, всегда имеющихся в твердом растворе, в том числе и выше спинодальной кривой RKV на рис. 161, а? При флуктуациях состава соседние участки твердого раствора также характеризу­ ются разной концентрацией и соответственно разным периодом рещетки. Как уже отмечалось в § 18 флуктуации состава непрерывно возникают и исчезают. В области спинодального распада участки твердого раствора с повышенной и пониженной концент­ рацией флуктуационного происхождения становятся устойчивыми, они не только не исчезают, но, наоборот, растут.

На рис. 170, а .схематически показана последовательность из­ менений случайной флуктуации состава по мере развития спино-

Рис. 170. Схема эволюции распределения легирующего эле­ мента в пересыщенном твердом растворе «а разных стадиях (/—///) спинодального распада (а) и .распада по механизму зарождения и роста (б) (Дж. Кап). Концентрации Со, С*л и

С см. на рис. 162 и 164

290

к еще большему повышению концентрации в .кластере и дальней­ шему обеднению соответствующим компонентом прилегающей зо­

о С2

то и Z)<c0. Это — важнейший признак, отличающий спинодальный распад от обычного распада по механизму зарождения и роста, который будет рассмотрен позже.

Атомы одного сорта в исходной .матрице, расположенные по внешнему краю обедненной зоны, также испытывают предпочти­ тельное взаимное притяжение. Так как силы их взаимного притя­ жения — короткодействующие, то указанные атомы не «чувству­ ют» существования готового кластера, а испытывают только влия­ ние непосредственно граничащей с ними обедненной зоны. Поэто­ му они удаляются от обедненной зоны и образуют новый кластер, также окруженный обедненной зоной. Таким образом, образование одного кластера приводит к образованию соседнего и так далее: этот процесс в виде концентрационной волны быстро распростра­ няется по решетке матрицы. На одинаковом расстоянии один or

другого, называемом длиной концентрационной волны, .последо­ вательно возникают все новые и новые кластеры.

Наиболее подробно структурные изменения при спинодальном распаде изучены в сплавах системы Си — Ni — Fe, находящихся по составу в центре области расслоения на диаграмме состояния. На электронномикроскопических снимках, полученных методом просвечивания тонких фольг, светлые участки относятся к облас­ тям, обогащенным медью, а темные — к обогащенным железом и никелем (рис. 168). В твердом растворе С и —'Ni — Fe, характери­ зующемся, как и многие другие кристаллы с кубической решет­ кой, значительной анизотропией модуля упругости, спинодальный распад идет вдоль каждого из трех «упруго-мягких» направлений

состоящая из стержнеобразных областей, разделенных размыты­ ми границами («корзиночное плетение» на рис. 168,а). По мере увеличения времени старения растут амплитуда концентраций и длина концентрационной волны (Я) — модулированная структура грубеет (рис. 168, б), а границы между когерентными выделения­ ми становятся менее размытыми. Упругие деформации приводят к

переходу от г. ц. к. решетки кластеров к тетрагонально искажен­ ным решеткам двух промежуточных фаз. Постепенно расслоение по составу достигает максимума, соответствующего равновесию двух фаз с г. ц. к. решеткой (тетрагональность исчезает). Коге­ рентность теряется (из-за роста упругих напряжений), причем на. межфазных границах образуются структурные дислокации, кото­ рые хорошо видны на рис. 168, в*. Потеря когерентности сопро­ вождается исчезновением модулированной структуры и сильным, огрублением выделений в результате коагуляции.

Рассмотренная последовательность структурных изменений, хотя и весьма, типична для спинодального распада, но не стандартна для всех сплавов. Напри­ мер, в той же системе Си—Ni—Fe у сплава, состав которого находится не в. центре, а ближе к краю области спинодального распада, нет структуры кор­ зиночного плетения после старения. Более того, на ранней стадии старения модулированная структура в нем вообще не обнаружена, а возникает она лишь позднее в результате выстраивания кубических выделений в ряды вдоль < К Ю > . Это очень похоже на образование модулированной структуры в сплаве Ni-—AI в результате не спинодального распада, а избирательного роста кубических вы­ делений у'-фазы при коагуляции.

В сплаве Zn—22% А1 после закалки из однофазной области при комнатной температуре идет спинодальный распад, причем ни на одной из его стадий не возникает модулированной структуры. Это обусловлено тем, что кристаллы алю­ миния — одни из наиболее изотропных металлических кристаллов с кубической решеткой, в твердом растворе цинка в алюминии нет предпочтительных «упру­ го-мягких» кристаллографических направлений для спинодального распада и не­ возможен также избирательный рост частиц при коагуляции. В сплаве Zn—212% А1, как я в изотропных стеклах, спинодальный распад дает дисперсную равно­ осную структуру.

Особых морфологических признаков, которые были бы харак­ терны только для структур, полученных при спинодальном распа­ де, нет. Спинодальный распад не обязательно дает модулирован­ ную структуру, а модулированная структура не обязательно свя­ зана со спинодальным распадом, как это считали раньше. Вместе с тем в упругоаиизотропных кристаллах весьма вероятно образо­ вание при спинодальном распаде модулированной структуры кор­ зиночного плетения.

Термодинамика и механизм спинодального распада предопре­ деляют его гомогенность: предпочтительного образования выделе­ ний на границах зерен или на дислокациях при спинодальном рас­ паде не наблюдалось. Для практики весьма важно и то, что для спинодального распада характерна высокодисперсная структура, равномерная по всему объему зерен исходной фазы.

Из-за отсутствия специфических структурных признаков не всегда легко установить, спинодальный ли распад в данном сплаве. К промышленным сплавам, в которых при старении действительно протекает спинодальный распад, можно отнести магнитнотвердые

292

При непрерывном распаде в исходном пересыщенном растворе образуются и растут отдельные выделения избыточной фазы. Так как выделения обогащены одним из компонентов, то матричная фаза обеднена этим компонентом и в ней существует градиент концентраций.

Кристаллы избыточной фазы растут вследствие обычной нисхо­ дящей диффузии: поток атомов (см. стрелки на рис. 170, б) нап­ равлен в сторону понижения концентрации, и коэффициент диф­ фузии D положителен. Последнее обусловлено тем, что вне облас­ ти спинодального распада вторая производная от свободной энер­ гии по концентрации d2F/dC2> 0 (сравните со спинодальным распадом путем восходящей диффузии при отрицательных значе­ ниях D).

Растущие выделения при непрерывном распаде постепенно «высасывают» легирующий элемент из матричной фазы, обедняя ее по всему объему до равновесной концентрации Са (см. рис. 164

и 170, б).

Размер выделений г при непрерывном распаде с увеличением продолжительности старения т возрастает приближенно по пара­

рывное по всему объему исходных зерен уменьшение концентра­ ции легирующего элемента. Поэтому распад и называют непре­ рывным. Кристаллографическая ориентировка зерен исходной фа­ зы при непрерывном выделении не изменяется, непрерывном выделении не изменяется.

По микроструктурным признакам непрерывный распад раство­ ра при старении подразделяют на равномерный (или общий) и

локализованный.

При равномерном распаде выделения однородно распределены по объему зерна. Зарождение при равномерном распаде может быть гомогенным или гетерогенным (см. § 20). В последнем слу­ чае места предпочтительного зарождения (дислокации, скопления вакансий и др.) распределены равномерно по телу зерна.

При локализованном распаде выделения неравномерно распре­ делены по телу зерна. Продукты распада обнаруживаются у гра­ ниц зерен и субзерен, в полосах скольжения и других местах. Зарождение при локализованном распаде — всегда гетерогенное.

293

т. е. периоды решеток а-раствора двух составов не изменяются. Постепенно ослабляются интерференции от раствора с исходной концентрацией, так как количество его уменьшается, и усилива­ ются отражения от раствора с конечной концентрацией.

Из-за присутствия двух а-растворов с однотипной решеткой, но разным составом прерывистый распад называют также «двухфаз­ ным:» в отличие от «однофазного» непрерывного распада. Эта тер­ минология не совсем удачна, так как при непрерывном распаде также имеются не одна, а две фазы — матричная и выделяющая­ ся. Более точны названия прерывистый или ячеистый распад.

Прерывистый распад бывает только локализованным и начи­ нается чаще всего от границ зерен. При малом межпластиночном расстоянии в ячейках или сильной травимости превращенной об­ ласти она выявляется под световым микроскопом в виде темных участков, обычно резко отличающихся от светлых зерен исход­ ного пересыщенного раствора. На начальных стадиях прерывисто­ го распада он выявляется в виде утолщенных границ зерен исход­ ной фазы.

Кристаллографическая ориентация cii-фазы внутри ячейки от­ личается от исходной ориентации ап-фазы в том зерне, в котором растет эта ячейка. Вместе с тем ориентация a j-фазы внутри ячей­ ки такая же, как в соседнем зерне по другую сторону от границы, где начался прерывистый распад. Таким образом, продвижение фронта ячейки прерывистого распада в сторону одного зерна со­ провождается переориентацией кристаллической решетки матрич­ ной фазы и его можно трактовать как продвижение межзеренной границы в сторону «поедаемого» зерна. Это внешне похоже на образование выступов, «языков» при первичной рекристаллиза­ ции, когда отдельные участки высокоугловой границы выгибаются и продвигаются в сторону одного из зерен (см. рис. 21).

При прерывистом распаде избыточная фаза выделяется из матрицы позади межзеренной границы, продвигающейся в сторо­ ну соседнего зерна. Термодинамическим стимулом рассматривае­ мого продвижения межзеренной границы является разность объ­

Механизм зарождения ячейки прерывистого распада точно не выявлен. Одно из предположений, базирующееся на строении фронта превращения, сводится к следующему. Граница зерен миг­ рирует, растворенный элемент сегрегирует около нее и выделяется в виде частиц, локально закрепляющих границу. Продолжая миг­ рировать, граница выгибается между выделениями, а они удлиня­ ются при росте, следуя за продвигающейся границей (рис. 172). Так формируется чередование участков a r и p-фаз, т. е. зарож­ дается перлитообразная ячейка позади мигрирующей межзерен­ ной границы. Предложены и другие гипотезы зарождения ячейки.

295