книги / Строение и свойства металлических сплавов
..pdf
Таким образом, исследования, проведенные различными ме тодами, особенно прямым методом авторадиографии, показыва ют, что наследственность или своеобразная «память» по отноше нию к дефектам исходной структуры существует в различных металлах и сплавах. Она зависит от характера исходной дефект ности, особенно дислокационной структуры, состава и условий термической обработки деформированного сплава. Образование совершенной структуры (там, где она была дефектной) и фор мирование дефектной структуры (там, где ее не было), в част ности образование границ новых рекристаллизованных зерен,— процесс, который требует термической активации и, следователь но, времени. Процесс этот идет неравномерно. Авторадиографи ческий анализ показывает, что залечивание одних участков границы идет быстрее, чем других, что, возможно, связано с нерав номерным распределением примесей и неоднородным строением границ. В некоторых случаях дефекты структуры, связанные с границами зерен или другими дислокационными образованиями, весьма устойчивы и не залечиваются при многократной рекри сталлизации или фазовой перекристаллизации. Особенно стаби лизируются дефекты примесями, взаимодействующими с ними. При правильно выбранных условиях рекристаллизации можно создать более благоприятное распределение охрупчивающих при месей и уменьшить их концентрацию на образованных после ре кристаллизации границах зерна.
Возможно, что наблюдаемое в некоторых случаях при высо ких температурах разрушение по зерну вместо обычного интеркристаллитного происходит по бывшим границам, которые ме таллографически уже не выявляются.
Ранее указывалось также на большую стабильность в ряде случаев полигонизованной структуры и возможность практиче ского использования этого для стабилизации упрочненного со стояния сплавов при повышенных температурах.
Следует отметить, что термин «наследственность» не имеет общепринятого смысла. Это понятие обычно употребляют для описания свойств металла, не являющихся функцией состояния, т. е. зависящих от истории образца. Таким образом, речь идет о ряде различных процессов, среди которых, в частности, можно выделить следующие явления:
1. Деформационная наследственность характеризуется непол ным возвратом свойств деформированного и рекристаллизованного металла (например, значения коэффициента диффузии ос таются значительно выше, чем до деформации, даже в том слу чае, когда по металлографическим и рентгенографическим дан ным рекристаллизация завершена). Деформационная наследст венность зависит от природы металла и от его истории и прояв ляется независимо от наличия полиморфного превращения. Это позволяет, в частности, производить термомеханическую обра ботку металлов, не обладающих полиморфизмом.
214
2.Фазовая наследственность определяется кристаллографи ческим соответствием дислокационных структур фаз при поли морфном превращении и лежит в основе термомеханической об работки сплавов на основе металлов, претерпевающих поли морфное превращение (например, железа и титана). Это явле ние обусловливает также накопление дефектов при термоциклировании.
3.Граничная наследственность связана с неполным залечива нием дефектов на участках, соответствующих старым границам зерен после миграции последних. Это приводит к повышенной травимости и диффузионной проницаемости старых границ. Та кой вид наследственности очень устойчив (иногда не снимается при нагреве даже до предплавильных температур) и особенно подвержен влиянию примесей, входящих в состав твердого рас твора и выделяющихся в виде фаз.
Таким образом, наследственность — это характерная особен
ность превращений в реальных кристаллических сплавах, не ог раничивающаяся только наследованием формы и размеров ме таллографически выявляемых форм.
Глава шестая
СТАРЕНИЕ
Спинодальный распад и зародышеобразование • Последовательность про цесса старения • Характеристика структурных состояний на разных стадиях старения # Влияние дефектов структуры • Влияние третьего-элемента • Ко агуляция фаз при старении О Коагуляция карбидов при отпуске # Старение растворов внедрения
Спинодальный распад и зародышеобразование
Процессы старения наблюдаются в большой группе широко при меняемых металлических сплавов; наиболее подробно изучено старение алюминиевых сплавов. Общий вопрос заключается в следующем: каковы пути перехода от пересыщенного твердого раствора к равновесию? Если после охлаждения с высоких тем ператур твердый раствор оказывается в пересыщенном состоя нии, то в конечном счете должно произойти выделение фаз и об разование равновесной структуры, т. е. отвечающей равновесной диаграмме состояния. Однако процесс обычно идет сложным об разом, так как, кроме фактора химического равновесия, в про цесс выделения вмешиваются факторы, связанные с упругой и с поверхностной энергией. Существенное влияние на ход процесса оказывают структура металла и кинетические условия, связан ные с диффузионной подвижностью атомов. В связи с этим ча сто возникают промежуточные состояния метастабильного рав новесия, в определенных условиях достаточно устойчивые [185—188].
Согласно [149], возможны фазовые превращения, связанные с флуктуациями двух типов: 1) большая флуктуация в небольшом объеме и 2) небольшая флуктуация в большом объеме. В клас сической теории зародышеобразования, обсуждавшейся ранее (гл. IV), рассматриваются флуктуации первого типа. Необходи мость возникновения таких флуктуаций видна из рис. 92, где схематически изображена зависимость свободной энергии F твердого раствора от его состава. Рассмотрим состав С, соответ-
ствующий части кривой Е(С), для которой ----- > 0.
dC2
Если в результате небольшой флуктуации возникает рассло ение и образуются области состава С+ и С~, то свободная энер гия системы повышается. Такие малые флуктуации должны рас сасываться, и по отношению к ним система устойчива. Только
216
большие флуктуации (на |
|
|||
пример, с возникновени |
|
|||
ем |
областей |
состава C++ |
|
|
и С~) приводят |
к пони |
|
||
жению свободной энергии |
|
|||
системы. При этом следу |
|
|||
ет, по-видимому, разли |
|
|||
чать случай, когда в твер |
|
|||
дом |
растворе сразу обра |
|
||
зуются частицы новой фа |
|
|||
зы |
(обычно, |
когерентные, |
|
|
но с отличной от матрицы |
|
|||
структурой |
критическо |
|
||
го |
размера, |
см. гл. IV) |
|
|
или когда на |
первой ста |
Рис. 92. Зависимость свободной энергии от соста |
||
дии |
образуются |
агрегаты |
ва сплава (спинодальный распад) |
|
(кластеры) |
измененного |
|
||
по сравнению с матрицей состава, но со структурой, непрерывно переходящей в структуру матрицы.
Ситуация существенно меняется, если рассмотреть сплав С\, находящийся в том интервале составов, для которого кривизна
кривой F (С) |
d2F |
отрицательна, т. е. ----- < 0 (на рис. 92 этот интер |
|
|
ес2 |
вал находится между а и b — точками перегиба на кривой). Если теперь в результате небольшой флуктуации возникает расслое ние и образуются, например, области состава С+ и Су, то сво
бодная энергия системы уменьшается, как бы ни была мала эта флуктуация. Следовательно, такой сплав неустойчив по отноше нию к сколь угодной малой флуктуации и если расслоение не вы зывает увеличения поверхностной или упругой энергии системы, то сплав будет разделяться на области, обогащенные и обеднен ные одним из компонентов, со скоростью, зависящей только от скорости диффузии. Это — случай флуктуации второго типа.
d2F
Если значения составов, для которых----- = 0, нанести на dCz
график в зависимости от температуры, получим так называемую спинодальную кривую или спинодаль. Кинетика процесса выде ления в спинодальной области, т. е. для составов, удовлетворяю-
d2F
щих условию ----- < 0, существенно отличается от таковой для
dC2
флуктуаций первого типа.
При спинодальном распаде нет резкого перехода между за родышем и матрицей; поверхность раздела оказывается размы той, диффузной; распад может идти одновременно, по всему объему.
Кан (в рамках теории регулярных растворов с учетом взаи модействия ближайших соседей) и Хиллерт (термодинамически,
217
связано с увеличением поверхностной энергии и, следовательно, с уменьшением движущей силы роста. Длина волны, соответст
вующая максимальной |
скорости роста, зависит от температуры |
и параметров раствора. |
о |
Обычно она бывает ~ 10 нм (100 А). |
|
Группировки, возникающие в результате спинодального рас |
|
пада, образуются одновременно во всем объеме; возникает весь ма равномерное распределение локальных неоднородностей очень малого масштаба.
Комбинация непрерывности роста и периодичности на ран них стадиях приводит к типичной морфологии выделений при спинодальном распаде; регулярный ряд частиц, кристаллогра фически связанных с матрицей (в упруго изотропном материале, например стекле, флуктуации состава ориентированы случайно и не обязательно дают периодическую структуру). Анализ рас смотренной теории Кана и Хиллерта для бездефектного матери
ала проведен в работе [185]. |
высоких температурах струк |
В системе Си — Ni — Fe при |
|
тура (в определенном интервале |
концентраций) представляет |
собой однофазный раствор с г. ц. к. решеткой, а при низких — двухфазную смесь. Переход в равновесное состояние при старе нии в начальной стадии идет через образование «модулирован ной» структуры. Рентгенографически это выражается в появле нии «сателлитов» на дебаеграммах. Длина волны модулирован ной структуры определенным образом связана с расстоянием между сателлитами. Электронная микрофотография модулиро ванной структуры сплава 60% Си + 20% Ni + 20% Fe приве дена на рис. 94.
Такие же эффекты наблюдаются в сплавах Си — Ni — Со и Аи — Pt [185]. Электронномикроскопические исследования спла вов Со — Ni — Nb на основе р-кобальта (Скаков [186—188]) показали, что при внутризеренном распаде образуется модули рованная структура с периодом модуляции 5—10 нм (50—
О
100 А) (старение при 700° С в течение 5 мин).
Появление сателлитов наблюдали для никелевых сплавов, на пример Ni + 20% Cr, Ni — Ti и Ni — Сг — Ti [189]. Однако не вполне ясно, является ли их структура модулированной, как в Си — Ni — Со сплавах. В никелевых сплавах (Кишкин, Поляк [190]) наблюдаются выделения кубической формы, имеющие тенденцию располагаться вдоль направлений < 100> или скап ливаться в плоскостях {100}, что является характерным для мо дулированной структуры.
В работе [185] отмечается, что в сплавах с большой объемной долей мелкодисперсных выделений должно иметь место взаимо действие их собственных полей напряжений. Такие группировки частиц будут понижать энергию искажений, что должно повли ять на рост выделений. В никелевых сплавах в этом случае об разуются линии из правильных кубических частиц. В сплавах с
219
