Распад по механизму образования и роста зародышей
Схема к объяснению распада по механизму образования и роста зародышей в сплаве С0 в системе с
непрерывным рядом твердых растворов
Для того, чтобы распад раствора начался и самопроизвольно протекал с уменьшением энергии Гиббса, необходимы
зародыши.
Его называют распадом по
механизму образования и роста зародышей, чтобы отличить от спинодального распада.
11
Структурные изменения при старении
Типы выделений
•полностью когерентные,
•частично когерентные
•некогерентные. 12
Структурные изменения при старении
Формы выделений
-тонкопластинчатые (обычно дискообразные),
-равноосные (обычно сферические или кубические),
-игольчатыей.
Форма выделений определяется двумя конкурирующими факторами: поверхностной (межфазной) энергией и энергией упругой деформации, стремящихся к минимуму.
Требование минимума межфазной энергии обусловливает стремление к равноосной форме выделений и к появлению граненых форм с наименьшим поверхностным натяжением на всех гранях.
Энергия упругих искажений минимальна для выделений в форме тонких пластин. В зависимости от того, какой из указанных двух факторов преобладает, форма выделений ближе к равноосной или тонкопластинчатой.
13
Структурные изменения при старении
Форма зон Гинье– Престона в разных
системах |
|
Разница |
||
Форма |
Система |
|
в |
|
|
атомных |
|||
зон ГП |
|
|
диаметра |
|
|
Al – Ag |
|
х, % |
|
Сфера |
|
+ 0,7 |
||
Al – Zn |
|
|||
|
- 1,9 |
|||
|
Al – Zn |
– |
||
|
+ 2,6 |
|||
|
Mg |
|
||
|
|
- 2,8 |
||
|
Cu – Co |
|
||
|
|
|
||
Диск |
Al – Cu |
|
- 11,8 |
|
Cu – Be |
|
- 8,8 |
||
|
|
|||
Игла |
Al – Mg – Si |
+ 2,5 |
||
Al – Cu |
– |
|||
- 6,5 |
||||
|
Mg |
|
||
|
|
|
||
У полностью и частично когерентных выделений:
Энергия упругой деформации решеток матрицы и выделений тем больше, чем больше структурное несоответствие этих решеток.
При разнице в атомных диаметрах компонентов тв. раствора замещения <3%, форма когерентных выделений близка к сферической.
При разнице более 5% образуются тонкопластинчатые (чаще всего дискообразные) выделения.
Иногда когерентные выделения |
|
имеют иглообразную форму, |
|
которая отвечает большей энергии |
|
упругой деформации, чем |
|
дискообразные выделения, но |
|
меньшей, чем равноосные. |
14 |
Структурные изменения при старении
Зависимость энергии упругой деформации матрицы Е от соотношения осей с/а некогерентного выделения, имеющего форму сфероида
Уполностью некогерентных выделений:
Касательные напряжения не возникают, но всегда появляются нормальные напряжения, так как из-за разницы в удельных объемах матрицы и выделения неизбежно возникновение гидростатического (всестороннего) сжатия или растяжения.
При образовании сферического выделения (с/а=1) энергия упругой деформации матрицы максимальна.
При образовании выделения в форме тонкого диска (с/а<<1) она минимальна.
При игольчатой форме (с/а>>1) имеет промежуточное значение.
15
Примеры модулированных структур
Модулированная структура в сплаве Cu
— 33.5 % Ni — 15 % Fe c периодом модуляции λ =25,4 нм после старения при 775 оС в течение 15 мин. Электронная микрофотография
Модулированная структура в сплаве Ni — 6,7 % Al, состаренном при 750 °С в течение 96 ч. Электронная микрофотография
Выделения γ’(Ni3AI) выстроены вдоль направлений <100>
16
Структурные изменения при спинодальном распаде
Схема эволюции распределения легирующего элемента в пересыщенном твердом растворе на разных стадиях (I-III) спинодального распада.
Схема последовательность изменений случайной флуктуации состава по мере развития спинодального распада:
•В первый момент I в твердом растворе образовался кластер - устойчивый участок с повышенной концентрацией растворенного элемента (выше средней концентрации С0), окруженный зоной с пониженной концентрацией.
•Предпочтительное взаимное притяжение атомов одного сорта приводит в момент II к еще большему повышению концентрации в кластере и дальнейшему обеднению соответствующим компонентом прилегающей зоны.
•Процесс обеспечивается восходящей диффузией (указана стрелками). Так как (d2F/dС2)<0, то и коэффициент диффузии D<0. Это главный признак, отличающий спинодальный распад от обычного распада по механизму 17 зарождения и роста.
Структурные изменения при спинодальном распаде
Схема эволюции распределения легирующего элемента в пересыщенном твердом растворе на разных стадиях (I-III) спинодального распада.
Механизм спинодального распада:
•Атомы одного сорта в исходной матрице, из-за короткодействующих сил их взаимного притяжения, не «чувствуют» существования готового кластера, а испытывают только влияние непосредственно граничащей с ними обедненной зоны.
•Атомы 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 распространяется по решетке матрицы.
•Длиной концентрационной волны называют расстояние между кластерами, находящиеся на одинаковом расстоянии один от другого. 18
Структурные изменения при спинодальном распаде
Другие особенности :
•Нет особых морфологических признаков, которые были бы характерны только для структур, полученных при спинодальном распаде.
•Спинодальный распад не обязательно дает модулированную структуру, а модулированная структура не обязательно связана со спинодальным распадом.
•В упругоанизотропных кристаллах весьма вероятно образование при спинодальном распаде модулированной структуры «корзиночного» плетения.
•Термодинамика и механизм спинодалького распада предопределяют его гомогенность: нет предпочтительного образования выделений на границах зерен или на дислокациях.
•Для практики весьма важно и то, что для спинодального распада характерна высокодисперсная структура, равномерная по всему объему зерен исходной фазы.
•К промышленным сплавам, в которых при старении действительно протекает спинодальный распад, можно отнести магнитно-твердые сплавы типа кунифе и кунико, легированные куниали для изготовления пружин и высокопрочные сплавы системы Cu—Ni—Sn. 19
Непрерывный распад
Схема эволюции распределения легирующего элемента в пересыщенном твердом растворе на разных стадиях (I-III) спинодального распада (а) и распада по механизму зарождения и роста
(б).
•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 нисходящей диффузии: поток атомов направлен в сторону понижения концентрации, и коэффициент диффузии D положителен, т.к. d2F/dC2>0 .
•Растущие выделения при непрерывном распаде постепенно «высасывают» легирующий элемент из матричной фазы, обедняя ее по всему объему до равновесной концентрации Са20.