Стадия - в пересыщенном твердом растворе образуются скопления атомов легирующих элементов, которые называются кластерами

В первой части методического пособия для характеристики однородности твердого раствора дано краткое понятие кластерам и состояния границ между такими устойчивыми областями химической неоднородности и матричным раствором. Кластер - при рассмотрении процессов структурообразования в металлах кластером называют скопление примесных (растворенных)элементов в твердом растворе или комплексы (объединения) точечных дефектов, например, вакансий в кристаллической решетке. Вакансионный кластер образуется в результате столкновений вакансий и может расти за счет присоединения новых вакансий вплоть до возникновения вакансионных пор.

Если атомные размеры компонентов раствора различны, то такие кластеры могут вызывать упругие напряжения в окружающей среде. Между кластером и матрицей по сути дела нет четкой границы раздела, так как их структуры изоморфны. Поэтому было введено понятие когерентной межфазной границы (поверхности), под которой подразумевается некая атомная поверхность, на которой расположение атомов и расстояние между ними близки для обеих кристаллических структур без учета химической природы атомов. Когерентная граница- межфазная граница, на которой атомные плоскости одной фазы переходят, не прерываясь, в другую фазу, так, что атомы на границе принадлежат одновременно кристаллическим решеткам двух фаз.

В однофазном материале примером когерентной границы является плоскость двойникования между двумя кристаллами- двойниками.

При увеличении когерентной поверхности раздела фаз энергия искажений увеличивается до определенного критического предела, при котором возникают межфазные дислокации. Такая межфазная граница уже не является полностью когерентной, хотя отдельные ее участки между дислокациями могут быть когерентными. Такие границы называют полукогерентными. Если расстояние между структурными дислокациями на границ раздела фаз мало, то такую границу называют некогерентной. Определить тип границ весьма сложно, но возможно электронной и автоионной микроскопией, либо косвенно рентгеноструктурным методом по изменению уровня искажений кристаллической решетки или методом внутреннего трения.

На первой стадии распада пересыщенного твердого раствора размер кластеров настолько мал, что он не обнаруживается стуктурными методами. С увеличением времени размеры кластеров растут и вызывают дифракционные эффекты на рентгенограммах. Кластеры, обнаруживаемые структурными методами, называют зонами Гинье –Престона (французский и английский ученые одновременно обнаружившие это явление в 1938г).

Для зон Г.-П. (размер тонких пластинчатых дискообразных образований толщиной в несколько атомных слоев (0,5-1 нм) и длиной 1-10нм) характерно гомогенное зарождение и они равномерно распределены в зернах твердого раствора. Зоны Гинье-Престона часто называют предвыделениями, но их можно рассматривать как полностью когерентные выделения.

2-я стадия распада пересыщенного тв. раствора при старении – собственно выделение частиц вторичной фазы. Эта стадия может идти через промежуточные стадии (т.е. a®Г-П®b¹ ®b)

3-я стадия старения – коагуляция выделившихся частиц вторичной фазы. Коагуляция выделений во время старения происходит вследствие переноса вещества через матричный раствор (из-за градиента концентраций) при растворении более мелких и росте более крупных частиц выделений.

Коагуляцию частиц можно наблюдать на всех стадиях распада, но наибольший интерес она представляет на 3-й стадии, т.к. является единственным структурным изменением стабильной вторичной фазы.

Процесс упрочнения металлов при старении проходит через максимум (рис. 3.1). Наибольшее упрочнение происходит на стадии возникновения в растворе зон Г.-П и метастабильной промежуточной фазы.

Рис. 3.1 – Схема зависимости прочностных свойств от продолжительности старения при разных температурах (Т₁ < Т₂ < Т₃) (Новиков И.И.)

Такое упрочнение называют дисперсионным твердением. Упрочнение металлов и сплавов при старении или отпуске после закалки с образованием пересыщенного твердого раствора является распространенной операцией с целью повышения прочности. Разупрочнение при дальнейшем увеличении выдержки в процессе старения называется перестариванием и оно обусловлено действием двух факторов:

-коагуляцией выделений метастабильной фазы;

-частичной заменой когерентных частиц метастабильной фазы на некогерентные частицы стабильной фазы и их коагуляцией.

А теперь рассмотрим типы старения:

- двухступенчатое – т.е. после закалки вначале старение проводится при одной температуре, а затем при другой, обычно более высокой для достижения более высокой плотности и однородности распределения выделений в твердом растворе;

- деформационное старение - старение, протекающее после или при пластической деформации в результате взаимодействия примесных атомов с дефектами кристаллической решетки, которые образовались в процессе деформации;

- естественное старение - это процесс распада пересыщенных твердих растворов, в которых диффузионная подвижность атомов при низких температурах достаточна для образования кластеров и зон Г.-П. К таким материалам относятся сплавы на основе алюминия и некоторые др.;

- искусственное старение - процесс, который протекает при температурах выше комнатной (обычно проводят при 250⁰С, 1 час). Этот вид старения является основной упрочняющей термической обработкой сплавов на основе цветных металлов;

- магнитное старение - заключающееся в изменении магнитных свойств ферромагнетика в течение времени. Магнитное старение может быть вызвано изменением доменной структуры ферромагнетика- обратимое старение, или изменением его кристаллической структуры- необратимое старение под воздействием магнитных полей, температурных, механических колебаний и др. воздействий.;

- полевое старение - процесс, происходящий в тонких металлических и аморфных пленках и проявляется в изменении их структуры и физических свойств при наложении на систему сильных магнитных или электрических полей;

- стабилизирующее старение - процесс, происходящий при повышенных температурах и при больших выдержках с целью стабилизации свойств и размеров изделий;

- старение под напряжением - термическая обработка, в процессе которой под воздействием внешних нагрузок напряжения в металле изменяют форму, ориентацию и взаимное расположение выделений вторичной фазы. Такой вид старения применяется для повышения пределов пропорциональности, упругости и релаксационной стойкости сплавов. Часто это используется при изготовлении пружин и др. упругих элементов, напр. из бериллиевой бронзы.

В стареющих сплавах форма выделяющихся частиц вторичной фазы может быть:

-тонкопластинчатой (обычно дискообразной) формы;

-равноосной (обычно сферической или кубической);

-игольчатой формы.

Стремление пересыщенного твердого раствора к получению минимума энергии упругих искажений влияет не только на форму выделений, но и на взаимное расположение частиц.

Под термином “ модулированная структура ” в технической литературе понимается система когерентных выделений в твердом растворе размером от единиц до десятков нанометров с той или иной степенью регулярности в их расположении. Расстояние между выделениями называют периодом модуляции.

Процесс распада твердого раствора при непрерывном понижении свободной энергии системы, не требующий активационного образования зародышей новой фазы, называют спинодальным (непрерывным), т.к. он реализуется внутри области фазовой диаграммы, ограниченной спинодалью. Спинодаль считают границей абсолютной неустойчивости твердого раствора. При спинодальном распаде составы выделяющихся фаз изменяются непрерывным образом, а сам распад осуществляется одновременно по всему обьему сплава. Для подавления спинодального распада, согласно данным ряда работ, требуются очень большие скорости охлаждения (время охлаждения 10^-3 сек), что реально трудно достигается.

Непрерывный распад. При непрерывном распаде в пересыщенном твердом растворе образуются и растут отдельные выделения частиц вторичной фазы. При этом происходит непрерывное уменьшение концентрации легирующих элементов по всему объему исходных зерен - это является характерной чертой этого процесса. По микроструктурным признакам непрерывный распад твердого раствора при старении подразделяется на равномерный (или общий) и локализованный. При равномерном распаде выделения образуются однородно по всему объему зерен (зарождение может быть гомогенным или гетерогенным). А при локализованном распаде выделения преимущественно образуются у границ зерен и субзерен, в полосах скольжения и т.д. (зарождение всегда гетерогенное).

Считается, что новая фаза в пересыщенном твердом растворе зарождается:

- гомогенно - без участия дефектов кристаллического строения (дислокаций, дефектов упаковки);

- гетерогенно - при наличии дефектов решетки. А так как дефекты типа вакансий, являющиеся основными агентами при возникновении кластеров или областей ближнего порядка, присутствуют в металле при температурах даже выше кривой растворимости, то можно считать, что зарождение должно быть всегда гетерогенным. Но для упрощения классификации вакансии не вошли в число дефектов, поэтому, когда определяется механизм распада, подразумевается механизм образования зародышей вторичной фазы.

Прерывистый (ячеистый) распад. При этом распаде в зернах исходного раствора зарождаются и растут ячейки (колонии) двухфазной смеси a₁+ b, часто имеющие перлитное строение. Возможен локализованный распад пересыщенного твердого раствора по схеме, когда концентрация исходного раствора при старении остается до определенного времени неизменной, а при определенных условиях на границе ячейки, в узкой зоне, происходит резкий скачек концентрации от исходного до a₁ внутри ячейки.

Поскольку при двухфазном распаде параметр решетки твердого раствора меняется скачкообразно, то такой тип распада еще называется прерывистым, в отличие от непрерывного, при котором параметр матрицы (ее состав) при старении меняется непрерывно.

Дата добавления: 2014-10-23