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

Механизм роста сформировавшейся ячейки более ясен. |Перед

руется объемной диффузией перпен­ дикулярно поверхности выделения. 'Скорость диффузии вдоль меж­ фазной границы матрицы с ячейкой намного больше, чем объем­ ной, а пути диффузии очень короткие, так как межпластиночное расстояние в ячейке небольшое. Поэтому прерывистый распад спо­ собен быстро протекать при относительно низких температурах, в том числе и при таких, когда рост изолированных выделений 13фазы по механизму непрерывного распада идет с очень малой скоростью или практически полностью подавлен. Межпластиночное расстояние внутри ячеек уменьшается с понижением темпе­ ратуры старения.

Прерывистый и непрерывный распад можно рассматривать как конкурирую­ щие процессы. Прерывистому распаду способствует высокая вероятность гете­ рогенного зарождения на границах зерен по сравнению с зарождением внутри зерен, высокий коэффициент диффузии по границам зерен и большая подвиж­ ность межзеренной границы. Добавки, замедляющие диффузию по границам зерен, затрудняют прерывистый распад. Выделения по границам зерен частиц избыточных фаз, тормозящих миграцию межзеренной границы, также замедля­ ют прерывистый распад.

Пластическая деформация закаленного сплава перед старением оказывает сильное и неоднозначное влияние на развитие прерывистого распада. После сильной деформации при нагреве в полосах деформации перераспределение дис­ локаций вызывает образование новых границ, которые служат дополнительны­ ми местами зарождения ячеек прерывистого распада внутри зерен исходной фазы.

В наклепанном сплаве продвигающийся фронт ячеистого распада «выметает» на своем пути дислокации в пересыщенном растворе и, следовательно, к термо­ динамическому стимулу прерывистого распада — разнице в значениях свободной энергии исходной фазы а п и смеси фаз си+р — добавляется новая составляю­ щая, связанная с уменьшением плотности дислокаций. Но одновременно наклеп способствует непрерывному распаду во всем объеме исходных зерен. Образую­ щиеся при непрерывном распаде частицы тормозят продвижение границы ячейки прерывистого распада. В зависимости от степени деформации и температуры старения может преобладать действие разных из указанных факторов, и поэтому пластическая деформация после закалки способна и ускорять, и затруднять пре­ рывистый распад при последующем старении. В бериллиевой бронзе предвари­ тельная холодная прокатка с обжатием 20—50% ускоряет прерывистый распад, с увеличением обжатия от 50 до 90% развитие его уменьшается и при обжати­ ях более 90% полностью подавляется.

2 9 6

При старении обычно стараются избежать прерывистого рас­ пада, так как двухфазная структура с некогерентными выделения­ ми после прерывистого распада получается более грубой и соот­ ветственно менее прочной, чем после обычного дисперсионного твердения, когда образуются дисперсные когерентные или полукогерентные выделения. Кроме того, некогерентные пластинчатые выделения избыточной фазы на границах зерен охрупчивают сплав.

От вредного для бериллиевых бронз перерывистого распада можно полностью избавиться, применив сильную холодную дефор­ мацию (более 90%) или же вводя небольшие добавки, например 0,2%Со или 0,1% Mg. Объем, претерпевший прерывистый распад, в бериллиевой бронзе, зависит от режима термообработки. Так, в состаренной бронзе Бр.Б2 объемная доля приграничных зон пре­ рывистого распада при закалке с температур 760, 780 и 800°С рав­ на соответственно 30, 20 и 12%. Понижение температуры старения способствует развитию прерывистого и торможению непрерывного распада. Равномерный распад по всему объему зерна особенно важен для получения высоких упругих характеристик бериллиевой бронзы.

В магниевых сплавах замедление охлаждения при закалке уве­ личивает объем, претерпевший при старении прерывистый распад. В отливках, закаленных с охлаждением на воздухе, границы зе­ рен на шлифе сильно растравливаются в результате прерывистого распада, успевшего пройти здесь во время медленного закалочногоохлаждения.

Иногда прерывистый распад полезен. Если при прерывистом распаде выделяется фаза, когерентная матрице, как у'чфаза (типа №3А1) в сплаве 36НХТЮ, то после старения получается дисперс­ ная структура и механические свойства повышаются.

Если научиться создавать контролируемый рост строго направ­ ленных волокнистых выделений при прерывистом распаде, то его можно будет использовать для создания композиционных материа­ лов, в которых монокристальные волокна химического соединения равномерно распределены и хорошо связаны с металлической мат­ рицей.

5. Стадии распада раствора при дисперсионном твердении

Образование зон Гинье — Престона

У дисперсионно твердеющих алюминиевых сплавов и берил­ лиевых бронз при комнатной температуре сразу после закалки растет электросопротивление (рис. 173). Это объясняют образова­

297

нием в пересыщенном твердом растворе скоплений атомов леги­ рующих элементов — кластеров, рассеивающих электронные вол­ ны. Возможно, что часть кластеров успевает образоваться уже в период закалочного охлаждения. Вначале размер кластеров очень мал и структурные методы их не выявляют. Через некоторое вре­ мя кластеры могут вырасти настолько, что они вызывают дифрак­ ционные эффекты на рентгенограммах монокристаллов и электронограммах при просвечивании фольг. Кластеры, обнаруживаемые структурными методами, называют зонами Гинье — Престона (сокращенно — зоны ГП). У них та же кристаллическая решетка, что и у матричного раствора, но из-за различия в атомных диа­ метрах металла — основы и легирующего элемента скопление легирующего элемента вызывает местное изменение межплоскост­ ных расстояний.

На рис. 174 изображена предложенная Герольдом модель строения зоны ГП в алюминиевомедном сплаве. Атомы меди зани­ мают одну из плоскостей { ШО | , а по обе стороны от нее парал­

лельные плоскости состоят только из атомов алюминия. Так как

О О О О ^ в ф -

о о

о о

атомный диаметр у меди меньше, чем у алюминия, то плоскости, заполненные атомами алюминия, смещены в сторону плоскости, состоящей из атомов меди. Смещение атомных слоев из нормаль­ ных положений при удалении от центра зоны ГП уменьшается и, согласно этой модели, четырнадцатые атомные слои по обе сто­ роны от центральной плоскости остаются несмещенными. Из-за большой разницы в атомных диаметрах меди и алюминия, обус­ ловливающей значительную упругую деформацию решетки, фор­ ма зон ГП в алюминиевомедных сплавах — тонкопластинчатая, дискообразная (см. §42).

298

В сплавах AI — Ag и AI — Zn разница в размерах атомов до­

с перемещением атомов легирующего элемента в решетке твердого раствора. Важнейшей особенностью кинетики образования класте­ ров является необычайно высокая диффузионная подвижность

Коэффициент диффузии легирующих элементов в алюминие­ вом растворе при комнатной и более низких температурах можно рассчитать по скорости роста кластеров, например по формуле (32). Такие расчетные значения оказались на много порядков больше коэффициента диффузии, полученного экстраполяцией зна­ чений, экспериментально определенных при высоких температурах

вобычных диффузионных опытах. Эта разница для раствора меди

валюминии при комнатной температуре составляет 108 (!).

Аномально высокая скорость диффузии при образовании класте­ ров во время старения обусловлена пересыщением твердого ра­ створа вакансиями при закалке. Равновесная концентрация вакан­ сий при температуре закалки на много порядков больше, чем при температуре старения. Во время закалки значительная часть ва­ кансий не успевает аннигилировать в стоках и твердый раствор оказывается пересыщенным не только легирующим элементом, но и вакансиями. Так как механизм диффузии в растворах замеще­ ния вакансионный, то закалочные вакансии резко ускоряют мигра­ цию атомов легирующего элемента, чем и обусловлена очень вы­ сокая скорость образования кластеров при сравнительно низких температурах.

С повышением температуры нагрева под закалку возрастает пересыщение твердого раствора вакансиями и ускоряется образо­ вание кластеров. Противоположный эффект дает замедление ох­ лаждения при закалке, так как больше вакансий успевает стечь в стоки (на дислокации, границы зерен и свободную поверхность

образца) в период закалочного охлаждения.

После быстрого роста электросопротивления в начальный пе­ риод старения («быстрая реакция»), продолжающийся обычно несколько десятков минут, оно медленно возрастает длительное время (см. рис. 173). В период этого медленного роста электро­ сопротивления («медленная реакция) скорость диффузии, обес-

299

Дечивающей образование зон, остается все еще аномально высо­ кой. Основная теоретическая трудность состоит в том, чтобы объ­ яснить длительное (в течение многих часов и суток) сохранение значительного избытка закалочных вакансий, несмотря на сущест­ вование большого числа стоков для них (дислокаций, границ зе­ рен).

Одна из типотез, выдвинутых для преодоления этой трудности,

атом легирующего элемента, который присоединяется к зоне. По­ вышение концентрации свободных вакансий у границы зоны соз­ дает направленную их миграцию в матрицу, где они встречаются с атомами растворенного элемента и образуют новые комплексы. Так как около границы зоны концентрация комплексов меньше, чем вдали от нее, то комплексы мигрируют к зоне, диссоциируют, отдавая ей атом легирующего элемента, и т. д. Зона действует как помпа, выкачивающая атомы растворенного элемента из мат­ рицы и посылающая вакансии в матрицу. Часть свободных вакан­ сий аннигилирует в стоках, и поэтому скорость диффузии, обеспе­ чивающей образование и рост зон, падает.

При обсуждении природы зон ГЛ обычно их сопоставляют с Метастабильными промежуточными фазами. Ори этом часто -под­ черкивают, что зона ,ГП — это не новая фаза, а участок исходного твердого раствора, обогащенный растворенным элементом. В от­ личие от промежуточных фаз, характеризующихся собственной ре­ шеткой, зона ПП имеет ту же решетку, что и матричный раствор, только она деформирована из-за различия в атомных диаметрах растворимого и растворителя. Между зоной и окружающим ра­ створом нет четкой границы раздела. В некоторых сплавах зоны ГЛ (кластеры) образуются безынкубационно, сразу же после за­ калки или даже в период закалочного охлаждения, в то время как промежуточные и стабильные фазы появляются через некоторый инкубационный период. Все эти факты свидетельствуют об отли­ чии зон 'ГЛ от промежуточных и стабильных фаз. Поэтому зоны ГЛ часто называют предвыделениями, чтобы отличить их от «ис­ тинных» выделений промежуточных и стабильных фаз с качествен­

но иной структурой.

В отличие от такого структурного подхода, трактующего зоны ГЛ как предвыделения, с термодинамической точки зрения их можно рассматривать как самостоятельную метастабильную фазу, промежуточную между матричным раствором и стабильной фазой. Такая трактовка вытекает из многих важных особенностей пове­ дения зон ЛП. В отличие от концентрационных флуктуаций, кото­ рые непрерывно возникают и размываются тепловым движением, зоны ГП длительное время устойчивы (при низких температурах— неопределенно долгое время). Экспериментально установлено, что с увеличением продолжительности старения размер зон возраста-

300