ТЕОРИЯ сварочных процессов

Распад твердых растворов

Распад твердых растворов с выделением фаз является превра­щением диффузионного типа и происходит по механизму образо­вания и роста 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 происходит замедленно в связи с 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 0-фазы с некогерентными границами раздела (границами, при пе­реходе через которые полностью изменяется кристаллическая ре­шетка). 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 0-фазы часто образуется метастабильная 0’-фаза, содержащая обычно меньше растворенного компонента, чем стабильная 0-фаза. Зарождение 0'-фазы происходит гетероген­но, предпочтительно на малоугловых границах блоков внутри зе­рен, скоплениях вакансий и отдельных дислокациях. Она имеет полностью или частично когерентные границы раздела (новая фа­за отделена от старой переходной зоной с искаженной кристалли­ческой решеткой). Предпочтительное возникновение метастабиль - ных фаз обусловлено более низким энергетическим барьером при их зарождении, чем при зарождении стабильных фаз. Кроме того, для возникновения метастабильной фазы требуются меньшие флуктуации концентраций. При длительной выдержке может про­изойти переход 0' -> 0, в результате которого 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. Вследствие различия атомных диаметров металла-растворителя и легирующего элемента его скопление вызывает местное измене­ние межплоскостных расстояний и появление зон, называемых 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 от 10 3 до

_2

10 мкм. Границы их раздела полностью когерентны. Поэтому поверхностная энергия зон пренебрежимо мала. У зон малого раз­
мера энергия упругих искажений решетки также мала. Поэтому энергетический барьер для их зарождения весьма невелик. Зоны ГП зарождаются гомогенно на флуктуациях концентраций. Осо­бенностью образования зон ГП является быстрота и отсутствие инкубационного периода при их возникновении даже при комнат­ной и более низких температурах. Это обусловлено повышенной диффузионной подвижностью легирующих элементов, которая связана с пересыщением сплава вакансиями при закалке.

Процессы выделения зон ГП, метастабильной (O') и стабильной (0) фаз характеризуются С-образными кривыми в координатах температура - время (рис. 12.38). Каждому виду фазы соответству­ет своя температура сольвуса, ниже которой происходит выде­ление фазы (7гп < 7"©' < Ге). При Т < 7гп выделение происходит в очередности: ГП, 0' и 0. При этом возможно независимое образова­ние фаз, а также их зарождение на ранее образованной фазе (0' на ГП, 0 на 0') 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 01) в сильно переохлаж­денных растворах называется естественным старением или дис­персным упрочнением. Примером может служить термическая об­работка Al-Cu-Mg сплавов (дуралюминов), закалка и естественное старение. В результате образуются зоны ГП, обогащенные Си и Mg, и фазы типа 0' и 0.

Выделение фаз из закаленных пересыщенных твердых раство­ров существенно ускоряется при их нагреве. Таким процессом яв­ляется искусственное старение. Ориентировочно температура ис­кусственного старения для получения максимальной прочности и твердости равна

ТСТ * (0,5...0,6)ГПЛ, (12.49)

где Тпл - температура плавления металла.

Нагрев свыше Гст приводит к перестариванию. При этом проч­ностные свойства снижаются. Пластические свойства продолжают слабо снижаться, что вызвано укрупнением (коагуляцией) частиц фаз и уменьшением 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 холодного деформирования при последующей выдержке при комнатной температуре и особенно при нагреве до невысоких температур (например, для технического железа до 200 °С). Де­формационное старение возможно как в слабо пересыщенных, так и равновесных сплавах типа твердых растворов внедрения, в кото­рых не происходит 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 деформирования. На них образуются облака Коттрелла. При последующей пластической деформации для дви­жения дислокаций необходимо вырывание их из облаков Коттрел­ла. Последнее требует повышения усилий для продолжения де­формирования, что выражается в упрочнении сплава.

Старение, вызванное предварительным пластическим дефор­мированием, называется статическим деформационным старением. Старение, развивающееся в процессе пластического деформирова­ния, 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 мета-

стабильного пересыщенного твердого раствора Fea(C) с последо­

вательным выделением є-карбида (вероятно, FeC) и цементита РезС. Повышение температуры отпуска приводит к коагуляции и

сфероидизации карбидов. При температурах, близких к Ас, обра­зуется грубая ферритокарбидная 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 дисперснеє частицы, чем больше радиус кривизны поверхности частиц - тем быстрее они растворяются. Плоские иглообразные частицы растворяются быстрее, чем сферические. В условиях ус­коренного нагрева, например при сварке, температуры начала и конца растворения существенно повышаются.