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

ет (рис. 175), причем более крупные зоны растут за счет растворе­ ния более мелких, т. е. точно так, как происходит коагуляция час­ тиц фаз. Состав зон при данной температуре старения не зависит

рую фазу, находящуюся в метастабильном равновесии с матричным раствором. То, что зоны не отличаются по типу решетки от матри­

ту же решетку, что и матрица. По аналогии с кривой расслоения, относящейся к стабильному равновесию двух фаз с одинаковой решеткой (рис. 161, а ) , на диаграмме состояния можно провести куполообразную кривую метастабильного равновесия матричного раствора и зон ГП (см. пунктир на рис. 176). При любой темпера-

t;c

6 0 0

ш

200

о

301

туре конода, например тп, должна соединять точки состава зон ГП (на правой ветви куполообразной кривой) и обедненного мат­ ричного раствора (на левой ветви). Здесь обедненный легирующим элементом матричный раствор и зоны ГП рассматриваются как метастабильные фазы, образующиеся из исходного однородного твердого раствора.

От других промежуточных фаз зоны ГП отличаются строением границы раздела с матрицей. Зоны — полностью когерентные вы­ деления, и поэтому граница их раздела с матрицей размыта.

Из сказанного видно, что термин «предвыделение» примени­ тельно к зонам ГП весьма условен, так как их можно считать когерентными выделениями.

Механизм зарождения зон ГП слабо изучен. Плотность дисло­ каций в рекристаллизованном закаленном сплаве равна 107—108 см-2, и в случае гетерогенного зарождения на дислокациях число

[см. формулу (25)]. Из-за когерентности зоны и матрицы состав­ ляющей ДЁпов можно пренебречь, так как величина ее мала. Тогда при достаточно большом пересыщении энергетический барьер для зарождения зоны ГП должен быть очень мал, чем и объясняется появление кластеров сразу после закалки или даже во время зака­ лочного охлаждения.

Большое практическое значение имеет то, что зоны ГП легко зарождаются по всему объему матричного твердого раствора и дают структуру равномерного распада с высокой плотностью вы­ делений (см. § 43).

Выделение промежуточных и стабильных фаз

В большинстве стареющих промышленных сплавов из пересы­ щенного раствора может выделяться метастабильная фаза, струк­ тура которой является промежуточной между матричным раство­

Причина, обусловливающая выделение промежуточной фазы вмес­ то стабильной, — значительно меньшая поверхностная энергия на

302

границе с матрицей и соответственно меньший прирост AFn0B при образовании зародыша (см. § 21). Поэтому наиболее важной общей чертой структуры всех промежуточных фаз в стареющих сплавах является то, что она обеспечивает минимум одну коге­ рентную границу между выделением и матрицей. Выделения про­ межуточных'фаз— обычно частично, а иногда и полностью коге­ рентные.

Полностью п частично когерентные выделения промежуточных

фаз подробно изучены в стареющих сплавах А1 — Си. На рис. 177 изображена элементарная ячейка стабильной фазы 0 (СиАЬ) и метастабильных промежуточных фаз 0' и 0". Здесь же приведена элементарная ячейка алюминия, приближенно характеризующая строение матрицы (без учета атомов меди в матричном а-раство-

и (100) (и любых других плоскостях) сильно отличается от строе­ ния матрицы и поэтому выделения 0-фазы полностью некогерент­ ные.

Решетка промежуточной фазы 0" — тетрагональная, состав фазы соответствует СиА12. В структуре 0" часть плоскостей

(у 0", как и у алюминия, период решетки а=4,04А ). По плос­ костям же (010) и '(100) когерентность обеспечивается большой упругой деформацией, так как около слоев, занятых атомами -ме­

ди, межплоскостное расстояние уменьшено (1,82 вместо 2,02 А). Поле упругих напряжений вокруг выделений 0 играет большую роль в упрочнении стареющего сплава (см. § 43).

Максимальная толщина выделений 0" составляет 100 \, а дна-

о

метр — до 1500 А. Их называют также зонами ГП2 в отличие от зон ГП1, имеющих решетку матрицы и обозначавшихся выше как

303

зоны ГП. В настоящее время все чаще используют обозначение 0", а не ГП2, так как решетка этих выделений отличается от ре­ шетки матрицы.

Решетка промежуточной фазы 0' — тетрагональная с перво-

Об

дами и= 4,04 А, с=б,80А, состав отвечает соединению СиА12. По плоскости (001) выделение 0' имеет с матрицей когерентную гра­ ницу с идеальным сопряжением решеток. По плоскостям (010) и (100) несоответствие строения 0' и матрицы значительно, и меж­ фазная граница полукогерентна: при электронномикроскопичес­ ком просвечивании фольг выявляются дислокации несоответствия. Таким о'бразом, выделения 0'-фазы являются частично когерент­ ными, и поле упругих напряжений вокруг них меньше, чем вокруг когерентных выделений 0"-фазы и зон ГП.

Промежуточные и стабильные фазы зарождаются гетерогенно в отличие от зон ГП, для которых характерно гомогенное зарожде­ ние. Общие закономерности гетерогенного зарождения рассмотре­ ны в § 20.

Местами предпочтительного зарождения промежуточных фаз (при старении) служат отдельные дислокации, малоугловые гра­ ницы (стенки дислокаций), дефекты упаковки и предположитель­ но вакансионные кластеры. В зонах ГП также может зарождать­ ся промежуточная фаза.

Выделения стабильной фазы предпочтительно зарождаются на высокоугловых границах и вакансионных кластерах. Кроме того, стабильные фазы могут зарождаться на ранее появившихся выде­ лениях промежуточных фаз.

Зарождение выделений промежуточных фаз на дислокациях облегчено главным образом потому, что структурное несоответст­ вие зародыша и матричного раствора частично или полностью компенсируется разрежением или сгущением около края экстра­ плоскости. Пластинки промежуточной фазы зарождаются с такой ориентировкой на краевых дислокациях, что поля напряжений от этих пластинок и дислокаций частично гасят одно другое. В фор­ муле (25) слагаемое Кущ,, затрудняющее зарождение, при выделе­ нии полукогерентной частицы на дислокации мало и даже может быть отрицательным — упругая энергия дислокации способствует зарождению.

При зарождении некогерентного выделения стабильной фазы с высокой поверхностной энергией в формуле (25) определяющую роль играет составляющая AFn0B, а не &.Fyap. При образовании некогерентного выделения на межзеренной границе, являющейся готовой поверхностью раздела, составляющая АГфов, затрудняю­ щая зарождение, оказывается уменьшенной, т. е. зарождение не­ когерентного выделения на высокоугловой границе облегчено.

У когерентного и полукогерентного выделений поверхностная энергия значительно меньше, чем у полностью некогерентного. Поэтому при их зарождении определяющую роль в формуле (25) играет составляющая АКупр, а не АКПОв.

304

Дислокации и границы зерен служат местами предпочтитель­ ного зарождения еще и потому, что на них образуются сегрега­ ции атомов растворенного элемента — атмосферы Коттрелла на ди­ слокациях и равновесная сегрегация на высокоугловых границах. Так как промежуточные и стабильные фазы характеризуются по­ вышенной концентрацией легирующего элемента, то им легче обра­ зоваться в участках матрицы, уже обогащенных этим элементом.

На границах зерен выделения стабильной фазы могут появить­ ся даже в период закалочного охлаждения. Это происходит, в частности, при закалке некоторых алюминиевых сплавов в кипя­

щей воде.

Если у промежуточных и стабильных фаз удельный объем больше, чем у матрицы, то естественно, что зарождение их облег-

бильной Э'-и стабильной 3-фазы

чено на вакансионных кластерах, которые быстро образуются в матрице из-за пересыщения ее закалочными вакансиями.

Дефекты упаковки служат местами гетерогенного зарождения лишь в тех случаях, когда структура выделения тождественна структуре дефекта упаковки. Например, в сплавах А1—Ag проме­ жуточная фаза у' имеет г. п. решетку, а дефект упаковки в г. ц. к. решетке, как известно, является тонкой прослойкой г. п. решетки. Следовательно, полоса дефекта упаковки между частичными дис­ локациями в твердом растворе серебра в алюминии, обогащенная атомами серебра (атмосфера Сузуки), — это готовый зародыш у'-фазы.

Как было доказано в § 21, растворимость метастабильных фаз всегда выше, чем растворимость стабильной фазы. Рассмотрим ги­ потетическую систему, в которой в а-растворе могут образовывать­ ся зоны ЛП, промежуточная фаза р' и стабильная фаза р.

На рис. 178 кривая F а изображает зависимость свободной энер­

30S

гии от состава a -фазы, которая может расслаиваться с образова­ нием зон ГП (по аналогии с кривой свободной энергии при темпе­ ратуре Г3 на рис. il61, б). Общая касательная к ветвям кривой свободной энергии даст состав матрицы (Са_гп ), находящейся в метастабильном равновесии с зонами ГП, которые здесь рассма­ триваются как метастабильная фаза с той же решеткой, что и

матрица.

Промежуточная фаза р' и стабильная фаза (3 имеют собствен­ ную кристаллическую решетку, отличную от решетки матрицы, и

бильном равновесии с промежуточной р'-фазой. Аналогично опре­ деляется состав матрицы (Са—р), находящейся в равновесии со

стабильной фазой. Видно, что Са-гп > С а -£ ' > С а-р- Рпс. 178, относящийся к определенной температуре, качествен­

но не изменится и при других температурах: растворимость зон ВП будет всегда выше, чем р'-фазы, а растворимоость р'-фазы должна быть выше растворимости p-фазы. На диаграмме состоя­ ния под линией растворимости стабильной p-фазы должны нахо­ диться линии сольвуса (растворимости) промежуточной р'-фазы и зон ГП (рис. 179). Экспериментально построенные линии сольвуса

промежуточных фаз 6' и 0" и зон ГП в системе А1—Си показаны на рис. 180.

Кинетика и последовательность образования выделений при старении

Из рис. 178 видно, что в сплаве состава С0 уменьшение свобод­ ной энергии при выделении стабильной p-фазы больше, чем при

306