книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

§ 41. ТЕРМОДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ ВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ ТВЕРДОЕО РАСТВОРА

В общем случае из пересыщенного твердого раствора .выделя­ ется фаза, отличающаяся от матрицы и химическим составом, и структурой. Рассмотрим вначале наиболее простой случай, когда выделяющаяся фаза отличается от матрицы только составом.

На рис. 161, а изображена диаграмма состояния с непрерыв­ ным рядом твердых растворов при высоких температурах. Линия

проведя касательную к кривой свободной энергии (см. § 21). Учас­ ток кривой as\s2b расположен выше касательной а b и, следова­ тельно, он относится к твердым растворам, неустойчивым при тем­ пературе Г3, так как на этом участке свободная энергия одной

фазы всегда больше, чем у смеси фаз того же среднего состава (например F\~>F2).

Если каким-либо путем при температуре Г3 получен неустой­ чивый твердый раствор, то он должен распадаться на смесь двух

280

критических зародышей. Поэтому такой распад называемый спинодальным, сразу охватывает весь объем исходной фазы. Увеличение концентрационного расслоения должно приводить к непрерывному .понижению свободной энергии (см. серию прямых на рис. 162) до тех пор, пока не установится равновесная раз­ ность концентраций Са—Сь.

Спинодальный распад при данной температуре может идти во всех сплавах, состав которых находится в области участка кривой

на диаграмме состояния при разных температурах отметить со­ ставы, отвечающие спинодальным точкам (например, S'i и S'2 на рис. 161, а), то получим кривую RKV, называемую спинодалью. Твердый раствор, будучи переохлажден до температур ниже спинодали, может претерпевать спинодальный распад.

281

тором свободная энергия непрерывно снижается, в рассматривае­ мом случае превращение сопровождается вначале повышением, а затем снижением свободной энергии, т. е. существует термодина­ мический барьер образования достаточно больших участков новой фазы даже без учета роли поверхностной энергии и энергии упру­ гой деформации решетки. Следовательно, в рассматриваемом слу­

нодального распада требуется переохлаждение ниже линии RKV, обычный распад может протекать и при температурах ниже хими­ ческой спинодали.

В то время как спинодальный распад более вероятно встретить в системах е расслоением, где решетка новой фазы та­ кая же, как и у исходной, обычный распад происходит в любых системах с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Наибольшее практическое значение для разработки стареющих сплавов имеют системы с промежуточными фазами (соединениями). Выделяющаяся в них фаза отличается от исход­ ного твердого раствора не только составом, но и типом кристалли-

288

аналогична роли Af на рис. 69 в случае фазового превращения без изменения состава. Величина AF06 — Fi—F2 представляет умень­ шение при распаде раствора свободной энергии, приходящейся на единицу объема (/д и F2— удельная объемная свободная энергия соответственно исходной фазы и равновесной смеси фаз). Но в общее изменение свободной энергии при распаде твердого раство­ ра AF вносят вклад еще два слагаемых — приращение поверх­ ностной энергии АЕпов и повышение свободной энергии из-за воз­

§ 18 было доказано, что с повышением степени переохлаждения из-за увеличения АЕ0б уменьшаются размер критического зароды­ ша акр и работа его образования AFKV. Можно показать, что в -слу­ чае выделения из твердого раствора, происходящего -с изменением состава, критический размер зародыша и работа его образования также уменьшаются с ростом АЕ0б. Например, на рис. 164 в более

§ 42. СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ СТАРЕНИИ

Основные структурные изменения п-ри -старении сводятся к разным этапам распада пересыщенного твердого раствора, полу­ ченного в результате закалки сплава. Так как распад пересыщен­ ного раствора является диффузионным процессом, то степень распада, тип выделений из раствора, их дисперсность, форма -и другие -структурные характеристики зависят от температуры и продолжительности старения и, конечно, от природы сплава, его

284

химического состава по основным 'Компонентам. Кроме того, на структуру состаренного сплава влияют примеси, температура на­ грева и скорость охлаждения при закалке, пластическая деформа­ ция перед закалкой и после закалки (перед старением), продол­ жительность вылеживания закаленного сплава при комнатной температуре перед искусственным старением и многие другие

факторы.

Зависимость структуры состаренного сплава от большого чис­ ла факторов и многостадийность процесса распада пересыщенного твердого раствора в сочетании с высокой дисперностью выделе­ ний, особенно на начальных этапах распада, весьма осложняют изучение структурных изменений при старении. Основные методы изучения строения состаренных сплавов — электронная микро­ скопия и рентгеноструктурный анализ.

Кроме того, полезные данные получают, изучая изменение ме­ ханических и физических свойств, особенно элетро,сопротивления, при старении. Это изучение свойств позволяет делать предполо­ жения, а в отдельных случаях и выводы о характере и последова­ тельности структурных изменений, прежде всего на ранних ста­ диях распада раствора, когда возможности прямых структурных методов ограничены.

1.Типы выделений

Взависимости от строения поверхности раздела между выде­ лением и матрицей различают три типа выделений: полностью

когерентные, частично когерентные и некогерентные (рис. 166).

Рис. MX. Схема строения матрицы с полностью когерентным (а), частично когерентным (б)

инекогерентным (в) выделениями

Уполностью когерентного выделения вся поверхность раздела

сматрицей когерентная, и решетка матрицы вокруг выделения упруго искажена (рис. 166,а). У частично когерентного выде­ ления хотя бы одна из границ о матрицей когерентная, а осталь­

285

А1—Си примером полностью когерентных выделений являются зоны ГП и 0"-фаза, частично когерентных б'-фаза и некогерентных СиА12 ( и х структура рассмотрена ниже, см. рис. 177).

2. Форма и пространственное расположение выделений

ции, стремящихся к минимуму. Требование минимума поверхност­ ной энергии обусловливает стремление к равноосной форме выде­

шеток матрицы и выделений тем больше, чем больше -структурное несоответствие этих решеток. При разнице в атомных диаметрах компонентов твердого раствора, не превышающей 3%, форма ко­

дискообразные) выделения. Иногда когерентные выделения имеют иглообразную форму, которая отвечает большей энергии упругой деформации, чем дискообразные выделения, но меньшей, чем рав­

286

В твердых растворах с гранедентрировэнной кубической ре­ шеткой (пластинчатые когерентные выделения часто расположены

энергии.

При образовании некогерентного выделения касательные напря­ жения не возникают, но всегда появляются нормальные напряже­ ния, так как из-за разницы в удельных объемах матрицы и (вы­ деления неизбежно возникновение гидростатического (всесторон­ него) сжатия или растяжения (на рис. 166,в не показанного). Это легко себе представить, мысленно поместив в полость подат­ ливой упругой матрицы жесткое включение с размером больше, чем полость: вокруг такого включения в матрице должна появить­

Модулированные структуры

Стремление к минимуму энергии упругих искажений влияет не только на форму, но и на взаимное расположение выделений. Тре­ бование минимума упругой энергии при распаде твердого раствора обусловливает образование в ряде сплавов так называемых моду­ лированных (или периодических) структур, для которых характер­ но закономерное пространственное расположение когерентных вы­ делений на определенном расстоянии одно от другого, называемом периодом модуляции структуры (рис. 168, а, б и рис. 169, б).

Так как период модуляции обычно не превышает нескольких сотен .межатомных расстояний, то под световым микроскопом модулировэнная 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

287