Выделение фаз при распаде твердых растворов.

Распад твердых растворов с выделением фаз является диффузионным превращением и происходит по механизму «образование и рост зародышей». Имеет определенные особенности по сравнению с полиморфным превращением. Помимо затрат выделившейся объемной свободной энергии на приращение поверхностной энергии и компенсацию энергии упругих деформаций, образование зародышей сильно тормозится необходимостью больших флуктуаций концентрации растворенного элемента. Поэтому для начала распада требуются весьма большие степени переохлаждения (пересыщения) и длительные выдержки при соответствующих температурах.

При медленном охлаждении и относительно малой степени переохлаждения образуются близкие к равновесию стабильные Θ-фазы с некогерентными границами раздела. Для них характерно гетерогенное зарождение на высокоугловых границах зерен и скоплениях вакансий (кластерах). В результате возможно образование сетки выделяющейся фазы на границах зерен.

При ускорении охлаждения и больших степенях переохлаждения вместо стабильной Θ-фазы часто образуется метастабильная Θ'-фаза, содержащая обычно меньше растворенного компонента, чем в стабильной. Θ'-фаза зарождается гетерогенно предпочтительно на малоугловых границах блоков внутри зерен, скоплениях вакансий и отдельных дислокациях. Она имеет полностью или частично когерентные границы раздела. Возникновение метастабильных фаз обусловлено меньшей величиной энергетического барьера при их зарождении, чем стабильных. Кроме того, для возникновения метастабильной фазы требуются меньшие концентрационные флуктуации. При длительной выдержке может произойти переход Θ' в Θ, в результате чего будет достигнуто равновесное состояние сплава с минимальной свободной энергией.

При высоких (закалочных) скоростях охлаждения и степенях переохлаждения в некоторых сплавах типа твердых растворов замещения (алюминиевых, медных, никелевых и др.) образуются особого рода метастабильные фазы, представляющие собой локальные зоны с повышенной концентрацией легирующего элемента. Из-за различия в атомных диаметрах металла-растворителя и легирующего элемента его скопление вызывает местное изменение межплоскостных расстояний. Эти зоны называют зонами Гинье-Престона (ГП). Учитывая то, что тип решетки не изменяется, зоны ГП часто называют предвыделениями. Они имеют форму тонких пластин или дисков и размеры порядка 10-3—10-2 мкм. Границы их раздела полностью когерентны. Поэтому поверхностная энергия зон пренебрежимо мала. У зон малого размера энергия упругих искажений решетки также мала. Поэтому энергетический барьер для их зарождения весьма не велик. Зоны ГП зарождаются гомогенно на концентрационных флуктуациях. Особенностью образования зон ГП является быстрота и безинкубационность их возникновения даже при комнатной и отрицательной температурах. Это обусловлено повышенной диффузионной подвижностью легирующих элементов, которая связывается с перенасыщением сплава вакансиями при закалке.

Процессы выделения зон ГП, метастабильной и стабильной фаз характеризуются своими С-образными кривыми в координатах температуры — время (рис. 1). Каждому виду фазы соответствует своя температура сольвуса, ниже которой происходит их выделение (Tгп< TΘ'< TΘ). При T < Tгп выделение происходит в очередности П, Θ' и Θ. При этом возможно независимое образование фаз, а также зарождение на ранее образованной\фазе (Θ' на ГП, Θ на Θ') или прямое превращение менее стабильных выделений в более стабильные. При больших степенях переохлаждения распад твердого раствора может продолжаться длительное время, иногда месяцами и даже годами. Процесс выделения мелкодисперсных избыточных фаз (зон ГП и Θ') в сильно переохлажденных растворах называется естественным старением или дисперсным упрочнением. Примером может служить термическая обработка А1—Си—Mg сплавов (дуралюминов) закалка и естественное старение. В результате образуются зоны ГП, обогащенные Си и Mg, и фазы типа CuMgAb2.

С образные кривые распада пересыщенных твердых растворов в стареющих сплавах
Рис. 1. С образные кривые распада пересыщенных твердых растворов в стареющих сплавах TΘ, TΘ' Tгп - температуры, ниже которых возможно образование Θ, Θ, Θ и ГП фаз, i — время старения

Выделение фаз из закаленных пересыщенных твердых растворов существенно ускоряется при их нагреве. Таким процессом является искусственное старение. Ориентировочно температура искусственного старения T для получения максимальной прочности и твердости: T = (0,5 — 0,6) ТплК, где Тпл — температура плавления металла.

Нагрев свыше Тст приводит к перестариванию. При этом прочностные свойства снижаются, а пластические свойства продолжают слабо снижаться. Последнее вызвано укрупнением (коагуляцией) частиц фаз и уменьшению их числа в единице объема. Другой процесс при перестаривании — переход метастабильных фаз в стабильные и замена когерентных границ раздела некогерентными.

Старение закаленных сплавов также называют термическим (закалочным). Существует еще разновидность старения, называемого деформационным. Деформационное старение развивается после холодной деформации при последующей выдержке при комнатной температуре и особенно при нагреве до невысоких температур (например, для технического железа до 470 К). Деформационное старение возможно как в слабо пересыщенных, так и равновесных сплавах типа твердых растворов внедрения, в которых не имеет место закалочное старение (например, в железе с содержанием углерода менее 0,006 % и азота менее 0,01 %). Механизм деформационного старения отличен от закалочного. Деформационное старение связано не с выделением какой-либо фазы, а с сегрегацией растворенного элемента на дислокациях, образовавшихся в процессе деформации. На них образуются облака Коттрелла. При последующей пластической деформации для движения дислокаций необходимо вырывание их из облаков Коттрелла. Последнее требует повышения усилий для деформирования, что и служит причиной упрочнения сплава.

Старение, вызванное предварительной пластической деформацией, называется статическим деформационным старением. Старение, развивающееся в процессе пластической деформации, называется динамическим. Условием динамического старения является определенное соотношение между скоростями деформации и диффузионным перемещением растворенных атомов. В данном случае происходит блокировка растворенными атомами дислокаций, движение которых при деформировании по каким-либо причинам замедляется, что служит причиной упрочнения. Указанное выше соотношение устанавливается при определенных температурах, например для низкоуглеродистой стали в диапазоне 250—400 °С. Частичное охрупчивание стали при этих температурах называется синеломкостью.

Выделение фаз характерно при отпуске закаленных на мартенсит углеродистых и легированных сталей. По мере нагрева стали до температур в интервале 100—700 °С происходит распад метастабильного пересыщенного α-твердвго раствора с последовательным выделением ε-карбида (вероятно Fe2C) и цементита Fe3C. Повышение температуры отпуска приводит к коагуляции и сфероидизации карбидов. При температурах, близких к Ас1, образуется грубая ферритно-карбидная структура. При нагреве сплавов в виде смеси фаз выше температуры, при которой концентрация растворенного элемента становится меньше предела растворимости, происходит фазовое превращение, заключающееся в растворении избыточной фазы. Этим превращениям подвержены сплавы с переменной ограниченной растворимостью, образующие при высоких температурах ненасыщенные твердые растворы. На температуру и интенсивность растворения оказывают влияние размеры и форма частиц избыточной фазы. Чем дисперснее частицы, чем больше радиус кривизны поверхности частиц, тем быстрее они растворяются. Плоские иглообразные частицы растворяются скорее, чем сферические. В условиях ускоренного нагрева, например при сварке, температуры начала и конца растворения существенно повышаются.






Навигация
Болты
Винты, шпильки, штифты, прокладки
Пружины
Заклепки
Шпонки
Гайки
Резьба
Валы
Муфты
Подшипники
Виды соединений
Передачи
Материал
Дополнительные материалы
Госты метизов
Сварка
Мы в соцсетях
podshipniki.moscow применяемость подшипников
Сортовой металлопрокат: str-steel.ru в Москве с доставкой.