7. Литература

1. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (Лабораторные работы). – М.: Металлургия. 1983. –384 с.

2. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия. 1986. –544с.

Р а б о т а № 8

Дисперсионное твердение

1. Цель работы

Экспериментальное изучение процесса дисперсионного твердения.

2. Краткая теория

К дисперсионному твердению относится большая группа процессов, в основе которых лежит явление распада пересыщенных твердых растворов, сопровождающееся повышением прочности и потерей пластичности материалов. Такое изменение механических свойств может наблюдаться при нагреве материалов, их деформации, а также в процессе эксплуатации изделий в различных условиях. Типичными представителями дисперсионно-твердеющих материалов являются большинство металлических жаропрочных материалов (например, нимоники), бериллиевые бронзы, а также алюминиевые сплавы типа дюралюминов.

Рис.8.1. Диаграмма состояния системы алюминий-медь

Очевидно, что твердый раствор будет пересыщенным, если содержание легирующих элементов в нем превышает предел их растворимости при нормальной температуре. Такой раствор может быть получен для всех сплавов, находящихся при комнатной температуре в концентрационной области а-б на равновесной диаграмме состояния, изображенной на рис.8.1.

Если нагреть сплав, находящийся в концентрационной области а-б выше линии , определяющую предельную концентрацию растворимости одного компонента в другом (в конкретном случае Cu в Al), получится однородный  - твердый раствор. При быстром охлаждении (закалке) это состояние однородного твердого раствора сохраняется, и раствор окажется пересыщенным одним из компонентов (в данном случае атомами меди). Такое состояние твердого раствора является метастабильным, и он (раствор) с течением времени будет распадаться. Этот процесс распада, получивший название старения, может происходить как при комнатной температуре (естественное старение), так и при повышенной температуре (старение искусственное). Старение является процессом диффузионным. Поэтому скорость его развития определяется температурой и временем выдержки при этой температуре, причем по мере увеличения обоих параметров скорость процесса возрастает.

Распад пересыщенных твердых растворов чаще всего изучают по изменению свойств материала, сопутствующих процессу (твердости, электросопротивления), а также с помощью прямого наблюдения выделений, выпадающих из раствора под электронным или световым микроскопом.

Наиболее детально механизм процесса дисперсионного твердения изучен для системы Al-Cu, являющейся основой для сплавов типа дюралюмин. Именно на этой системе в дальнейшем и будет сосредоточено основное внимание.

Типичный ход кривых упрочнения при различных температурах старения для системы Al-Cu показан на рис.8.2.

Начальный период старения, протекающего при комнатной и более низких температурах, характеризуется отсутствием или весьма малым изменением прочности. Этот период носит название инкубационного. На последующих этапах старения атомы меди, располагающиеся в закаленном состоянии статистически, собираются в определенных кристаллографических плоскостях, образуя зоны с повышенной концентрацией Cu – зоны Гинье-Престона (Г-П). Из-за существенного различия атомных радиусов меди и алюминия кристаллическая решетка в зонах Г-П искажается, что препятствует движению дислокаций. Внешне

Рис.8.2. Кривые старения дюралюминия при различной температуре

это проявляется в повышении сопротивления деформации и увеличении прочности сплава. Упругие напряжения, возникающие вокруг зон Г-П, по мере их роста увеличиваются, что все в большей степени затрудняет движение дислокаций. Упрочнение сплава за счет образования зон Г-П усиливается также с ростом их суммарного объема. Образованием зон Г-П обычно заканчивается естественное старение, а также искусственное старение при температурах ниже 100⁰С.

При температурах старения 150-200⁰С концентрация меди в зоне Г-П по мере увеличения времени старения достигает стехиометрического соотношения, соответствующего интер-металлиду , и образуется промежуточная метастабильная фаза с собственной кристаллической решеткой, но когерентно связанной с решеткой матричного твердого раствора. Такое структурное состояние обычно соответствует максимальному упрочнению при данной температуре старения.

Увеличение времени выдержки при 150-200⁰С, а также дальнейшее увеличение температуры старения способствует росту частиц метастабильной фазы, нарушению когерентной связи и преобразованию промежуточной фазы в стабильную фазу с тем же стехиометрическим составом, но с наличием границы раздела с матрицей (рис.8.3).

а б в

Рис.8.3. Типы выделений из пересыщенного твердого раствора:

а- зона Гинье-Престона (1-атомы растворителя, 2- растворенные атомы); б-кристаллы метастабильной фазы (когерентное выделение); в- кристаллы стабильной фазы (некогерентное выделение)

Поскольку при этом упругие напряжения, связанные с когерентностью, исчезают и сохраняются только напряжения, определяемые разницей атомных объемов матрицы и выделившейся фазы, движение дислокаций и, следовательно, развитие пластической деформации облегчается. По мере коагуляции частиц расстояние между ними возрастает и соответственно облегчается прохождение дислокациями фронта частиц путем их огибания. Такое изменение механизма движения дислокаций приводит к разупрочнению сплава.