Сл.13. Форма и пространственное расположение выделений

Форма выделений

В стареющих сплавах выделения из твердого раствора встречаются в следующих основных формах: тонкопластинчатой (обычно дискообразной), равноосной (обычно сферической или кубической) и игольчатой.

Форма выделений определяется двумя конкурирующими факторами – поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящихся к минимуму. Требование минимума поверхностной 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.

Сл.14. У полностью и частично когерентных выделений упругая деформация, обеспечивающая плавную сопряженность решеток на когерентной границе, распространяется от нее в глубь матрицы и выделения (рис. 139, а, б). Энергия упругой деформации решеток матрицы и выделений тем больше, чем больше структурное несоответствие этих решеток. При разнице в атомных диаметрах компонентов твердого раствора, не превышающей 3%, форма корегентных выделений определяется требованием минимума поверхностной энергии и близка к сферической, а при разнице >5% решающим фактором является повышенная, энергия упругих искажений и 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. Примеры разных форм зон Гинье–Престона (когерентных выделений) приведены в табл. 6.

Таблица

Форма зон Гинье–Престона в разных системах

Форма зон ГП	Система	Разница в атомных диаметрах, %
Сфера	Al-Ag Al–Zn Al–Zn–Mg Cu–Co	+0,7 -1,9 +2,6 -2,8
Диск	Al– Cu Cu–Be	-11,8 -8,8
Игла	Al–Mg–Si Al–Cu–Mg	+2,5 -6,5

Сл.15. При образовании некогерентного выделения 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.

Рис. 140. Зависимость энергии упругой деформации матрицы Е от соотношения осей' с/а некогерентного выделения, имеющего форму сфероида)

Расчет, выполненный для некогерентного включения в виде сфероида с полуосями а и при условии, что вся упругая деформация сосредоточена в матрице, показал следующее (рис. 140). При образовании сферического выделения (с/а = 1) энергия упругой деформации матрицы максимальна, при образовании выделения в форме тонкого диска (с/а << 1) она минимальна, а при игольчатой форме (с/а >> 1) имеет промежуточное значение.

Сл.16. Модулированные структуры

Рис. 141. Модулированная структура в сплаве Cu - 33,5% Ni - 15% FeO после старения

Рис. 142. Модулированная структура в сплаве Ni - 6,7% Al, состаренном при 750° С в течение 96 ч. фольга Выделения γ' (Ni₃Al) выстроены вдоль направлений <100>

Стремление к минимуму энергии упругих искажений влияет не только на форму, но и на взаимное расположение выделений. Требование минимума упругой энергии при распаде твердого раствора обусловливает образование в ряде сплавов так называемых модулированных (или периодических) структур, для которых характерно закономерное пространственное расположение когерентных выделений на определенном расстоянии одно от другого, называемом периодом модуляции структуры λ.

Так как период модуляции обычно не превышает нескольких сотен межатомных расстояний, то под световым микроскопом модулированная структура не выявляется. Наилучший метод ее изучения – электронномикроскопический анализ тонких фольг.

В одних сплавах модулированная структура возникает на самых ранних стадиях распада, например при спинодальном распаде, в других она появляется через некоторое время после начала распада.