Сл.20. Непрерывный и прерывистый распад

Непрерывный распад

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 (см. стрелки на рис. 143, б) направлен в сторону понижения концентрации, и коэффициент диффузии D положителен. Последнее обусловлено тем, что вне области спинодального распада вторая производная от свободной энергии по концентрации d²F/dC² > 0 (сравнить со спинодальным распадом путем восходящей диффузии при отрицательных значениях D).

Растущие выделения при непрерывном распаде постепенно «высасывают» легирующий элемент из матричной фазы, обедняя ее по всему объему до равновесной концентрации С_а.

Сл.21. Характерная особенность рассматриваемого процесса – непрерывное по всему объему исходных зерен уменьшение концентрации легирующего элемента. Поэтому распад и называют непрерывным. Кристаллографическая ориентировка зерен исходной фазы при непрерывном выделении не изменяется.

По микроструктурным признакам непрерывный распад раствора при старении подразделяют на равномерный (или общий) и локализованный.

При равномерном распаде выделения однородно распределены по объему зерна. Зарождение при равномерном распаде может быть гомогенным или гетерогенным. В последнем случае места предпочтительного зарождения (дислокации, скопления вакансий и др.) распределены равномерно по телу зерна.

При локализованном распаде выделения неравномерно распределены по телу зерна. Зарождение при локализованном распаде – всегда гетерогенное. Продукты распада обнаруживаются у границ зерен и субзерен, в полосах скольжения и других местах.

Сл.22. Зоны, свободные от выделений

При старении некоторых сплавов (алюминиевых, титановых, железных, никелевых и др.) вблизи границ зерен матричного твердого раствора распада не происходит и отчетливо видны зоны, свободные от выделений (рис. 144 и 145). В алюминиевых сплавах ширина таких зон составляет обычно доли микрона, и они видны только под электронным микроскопом. В титановых β-сплавах после старения зоны, свободные от выделений, имеют ширину порядка нескольких микронов и хорошо видны в световой микроскоп.

Рис. 144. Приграничная зона, свободная от выделений в сплаве Al – 5,9% Zn –2,9% Mg после старения при 180°С, 3 ч

Рис. 145. Приграничные зоны, свободные от выделений (светлые), в титановом сплаве ВТ15, закаленном на β-фазу с температуры 900° С и состаренном при 450° С, 15 ч. Темный фон – сильно травящаяся β-фаза, в которой, выделилась дисперсная α-фаза. X 200

Сл.23. Появление приграничных зон, свободных от выделений, можно объяснить двумя причинами.

Если распад начинается с границ и здесь зарождается фаза, обогащенная одним из компонентов, то при своем росте она «высасывает» этот компонент из приграничной области. Начинающийся позднее распад в теле зерна не идет в некоторой зоне, прилегающей к выделению, из-за уменьшения в этой зоне пересыщенности матричного раствора (см. расширенный участок зоны вблизи выделения на рис. 144).

Более общей причиной появления зон, свободных от выделений, является обеднение приграничных областей вакансиями из-за стока на границу. Происходит обеднение приграничных областей закалочными вакансиями из-за стока на границу. В результате вблизи границ зерен концентрация вакансий в некоторой зоне сказывается пониженной по сравнению с остальной частью зерна, где сохраняется высокая концентрация избыточных вакансий.

Чаще всего считают, что зоны, свободные от выделений, вредны, так как из-за меньшего предела текучести в них локализуется пластическая деформация, приводящая к межзеренному разрушению.

Однако имеется и другая точка зрения, согласно которой рассматриваемые зоны полезны, так как в них полнее релаксируют напряжения, которые концентрируются в месте остановки полосы скольжения границей зерна. Чем шире мягкая зона, тем полнее проходит эта релаксация и соответственно труднее зарождается и растет трещина.

Сл.24. Прерывистый (ячеистый) распад

Рис. 147. Колонии прерывистого распада в сплаве Ni –20% Cr –9% Nb. Старение при 850° С, 2 ч после закалки с 1180° С. x1350

При прерывистом распаде в зернах исходного пересыщенного раствора α_п зарождаются и растут ячейки (колонии) двухфазной смеси α₁ + β, часто имеющие перлитообразное строение (рис. 147). У α₁-фазы внутри ячеек – та же решетка, что и у исходной фазы α_п, но состав ее является равновесным при данной температуре распада или промежуточным между исходным и равновесным. Рассматриваемое превращение можно записать в следующей форме:

α_п  α₁ + β

Средний состав двухфазной смеси α₁ + β внутри ячейки такой же, как состав исходного раствора α_п.

Сл.25. Распад развивается при продвижении фронта ячейки в исходный раствор вследствие кооперативного роста α₁ и β-фаз аналогично росту перлитной колонии.

Рис. 148. Схема формирования ячейки прерывистого распада у мигрирующей границы

Во время превращения концентрация исходного раствора остается все время неизменной, пока этот раствор совсем не исчезнет. На границе ячейки и исходного раствора в узкой зоне происходит резкий скачок концентрации – от исходной в растворе α_п до концентрации раствора α₁ внутри ячейки. Поэтому распад и называют прерывистым в отличие от непрерывного, при котором в исходном растворе концентрация легирующего элемента плавно снижается, так как он постепенно «высасывается» в результате роста избыточной β-фазы.

Механизм зарождения ячейки прерывистого распада. Граница зерен мигрирует, растворенный элемент сегрегирует около нее и выделяется в виде частиц, локально закрепляющих границу. Продолжая мигрировать, граница выгибается между выделениями, а они удлиняются при росте, следуя за продвигающейся границей (рис. 148). Так формируется чередование участков α₁ и β фаз, т. е. зарождается перлитообразная ячейка позади мигрирующей межзеренной границы.

Сл.26. Среди промышленных сплавов прерывистый распад в заводской практике встречается в бериллиевой бронзе (например, г марки БрБ2), магниевых сплавах на базе системы Mg–Al–Zn (например, марки MJI5), аустенитном железном сплаве марки 36HXTЮ.

При старении обычно стараются избежать прерывистого расклада, так как двухфазная структура с некогеретными выделениями после прерывистого распада получается более грубой и соответственно менее прочной, чем после обычного дисперсионного твердения, когда образуются дисперсные когерентные или полукогерентные выделения. Кроме того, некогерентные пластинчатые выделения избыточной фазы на границах зерен охрупчивают сплав.

От вредного для бериллиевых бронз прерывистого распада можно полностью избавиться, применив сильную холодную деформацию (более 90%) или же вводя небольшие добавки, например 0,2% Со или 0,1%Mg.

Иногда прерывистый распад полезен. Если при прерывистом распаде выделяется фаза, когерентная матрице, как γ'-фаза (типа Ni₃Al) в сплаве 36НХТЮ, то после старения получается дисперсная структура и механические свойства повышаются.