Вплив деформації на старіння сплавів

Пластична деформація є одним з ефективних факторів, що впливають на кінетику, а в ряді випадків і на механізм процесу старіння.
Процес старіння в металевих твердих розчинах передбачає перехід через такі стадії: загартований стан, зони Гіньє-Престона (Г.-П.), утворення метастабільної фази виділення, утворення стабільної фази виділення. У різних сплавах і за різних умов обробки число стадій може змінюватися.
Загартований стан характеризується неоднорідною будовою твердого розчину, яка обумовлена збереженням визначеного ступеня порядку при нагріванні на високі температури, а також частковим розпадом у процесі загартування. Неоднорідна будова старіючого сплаву в загартованому стані характеризується наявністю областей субмікроскопічного розміру, хоча і маючих гратки матриці, але значною мірою збагачені атомами розчиненого компонента. Мабуть, велике значення в утворенні неоднорідної будови твердого розчину в загартованому стані мають дефекти кристалічної будови, що утворюються в процесі загартування.
Зони Г.-П, що виникають на початку процесу старіння, зумовлюють значні зміни багатьох властивостей сплаву, при цьому в сплаві не виявляються надлишкові фази. Рентгеноструктурною ознакою утворення зон Г-П. є поява біля основних відображень областей аномального розсіяння або віддзеркалень - сателітів. У процесі старіння розміри зон Г.-П. збільшуються і відбувається їх збагачення розчиненим компонентом, проте зберігається когерентність цих зон з матрицею.
Утворенню метастабільної фази виділення передує в більшості випадків утворення стабільної фази. Роль зародків метастабільної фази грають, звичайно, зони Г.-П, причому рушійною силою є напруги, що виникають при розпаді. Метастабільна фаза зазвичай утворюється в тих випадках, коли кристалічна решітка рівноважної фази виділення не сполучається з гратками матриці, в цих умовах виникають напруги особливо великі, що й сприяє утворенню метастабільної фази.
Утворення стабільної фази відбувається після розриву когерентності при досягненні частками метастабільної фази критичного розміру, і в багатьох випадках частки стабільної фази утворюються на місці частинок метастабільної фази. Ньюкірк вказує, що частки стабільної фази в об'ємі сплаву можуть бути у вигляді загальних виділень, незалежно від границь або інших порушень кристалічної будови, у вигляді локалізованих виділень - на границях, на лініях зсуву, на угрупованнях дислокацій та ін., у вигляді перерваних виокремлень - коли швидкість виділення всередині зерна значно менше швидкості виділення по границях зерен.

Підвищення опору пластичної деформації в результаті старіння обумовлено утворенням ефективних перешкод для руху дислокацій в результаті утворення зон або фаз виділення та оточуючих їх полів напружень, а також і у зв'язку зі зміною стану твердого розчину.
Існує ряд теорій, що пояснюють зміцнення в результаті старіння, поряд з іншими чинниками у всіх теоріях наголошується, що виникнення недосконалостей кристалічної будови у процесі розпаду (старіння) призводить до зміцнення сплаву. Звідси очевидна та велика роль, яку відіграє пластична деформація у розвитку процесів старіння.
Прискорюючий вплив пластичної деформації на розпад твердих розчинів було вперше встановлено С. Т. Конобєєвським, який пов'язував його із збільшенням коефіцієнтів дифузії в деформованих сплавах.
При дослідженні ряду сплавів алюмінію з кремнієм, магнієм, міддю було виявлено, що одна пластична деформація викликає розпад твердих розчинів. Гієнь і Граф па сплавах алюмінію з міддю показали, що при сильному наклепі сплавів після старіння були виявлені виділення стабільной θ-фази, передбачається, що при цьому були пригнічені процеси передвиділення і тому відразу відбувалося утворення частинок стабільної фази. Було показано, що попередня деформація перед старінням сплавів Cu-Ti прискорює утворення проміжної -фази при старінні і перехід її в стабільну -фазу. Прискорюючий вплив деформації на процес розпаду Зейтц пов'язує зі збільшенням концентрації вакансій в реультатi наклепу; вакансії ж полегшують перенесення атомів у сплаві і прискорюють розпад. Набарро вважає, що основний вплив деформації визначається зростанням щільності дислокацій і тими незворотними змінами в тонкій будові, що обумовлені створенням різних конфігурацій і сплетінь дислокацій в результаті наклепу. Це узгоджується з експериментальними даними. Зокрема, гальмування стадії передвиділення (зростання зон) і прискорення утворення виділень з зростанням деформації зв'язуються з тим, що зони зароджуються і ростуть шляхом руху вакансій, тоді як швидкість утворення фаз виділень більше залежить від щільності дислокацій. У процесі ж деформації загартованого сплаву, при зростаючому її ступені, рух дислокацій через кристал нейтралізує вплив гартівних вакансій (вони частково поглинаються), що і уповільнює швидкість утворення зон. Слід зазначити, що якщо кристалічна структура сплаву зумовлює утворення розтягнутих дислокацій, то дефекти укладання є місцем зародження частинок фаз виділення, і це також прискорює процес розпаду.
Кінетика старіння твердих розчинів під впливом деформації зазнає значні зміни, і це призводить, наприклад, до того, що перервний розпад змінюється неперервним, замість проміжної фази утворюється стабільна і т. д.

Безсумнівно, що велике значення має, як вказує Я. С. Уманський, зменшення критичної величини зародка виділеної фази у площин зсуву в деформованій матриці. Переважне утворення фаз виділення уздовж слідів ковзання в процесі старіння попередньо деформованих твердих розчинів було виявлено в ряді експериментальних досліджень. Це пов'язують з впливом скупчень дислокацій у зазначених обсягах. Вплив скупчень проявляється у створенні певних полів напружень, що викликають висхідну дифузію, а також в утворенні концентраційних неоднорідностей за механізмом атмосфер Коттрела (або Сузукі, у разі розтягнутих дислокацій). Якщо вважати, що на прискорення старіння в деформованому твердому розчині визначальний вплив надають недосконалості кристалічної будови (що утворюються при наклепі) і в першу чергу дислокації, а не загальне прискорення дифузії, то, враховуючи локальний характер процесу деформації, можна пояснити і нерівномірний розподіл утворених виділень.
Було детально вивчено вплив пластичної деформації на подальший розпад сплавів алюмінію з кремнієм, з кремнієм і магнієм, з міддю.

Дослідження поверхневих шарів зразків сплаву алюмінію з кремнієм показало, що деформація (стисненням і розтягуванням із ступенем від 4 до 20%) після гартування і до старіння призвела до того, що кількість виділених частинок (в результаті старіння) була в два- три рази більшою, ніж у недеформованих. Вивчення розпаду в обсязі зразків показало, що утворені частинки виділень більш дисперсні, ніж у поверхневих шарах. Автори роботи приходять до висновку, що залишкові напруги в досліджених сплавах розподілені в об'ємі без помітної локалізації в зонах слідів ковзання Відповідно з цим не було виявлено переважного виділення часток біля слідів ковзання. Прискорюючий вплив пластичної деформації на розпад пов'язують зі збільшенням числа центрів розпаду, а не з прискоренням дифузії, тому що при рівномірному розподілі залишкових напружень за обсягом сплаву їх енергія буде значно нижче активації дифузії. Такими центрами розпаду є дислокації і їх скупчення і, відповідно, автори роботи поділяють точку зору Набарро про механізм впливу пластичної деформації на розпад перенасичених твердих розчинів, проте справедливо вказують на необхідність враховувати також роль підвищеної щільності вакансій. З цих уявлень очевидно, що режим старіння в випадку попередньої деформації повинен бути скоректований (температура повинна бути знижена або зменшена витримка) з тим, щоб процес виділення не отримав надмірного розвитку, характерного для стану перестарівання або стадії утворення стабільної фази, що викликає в багатьох випадках падіння міцності. Іншим очевидним наслідком є те, що велике значення має не тільки ступінь, але й умови деформування. Так, наприклад, зміна схеми напруженого стану може призвести до того, що при одному і тому ж стеупені деформації можна отримати різну ступінь наклепу.
Особливе значення має температура проведення деформації в умовах, при яких не відбувається рекристалізація у масштабах, знижуючих ефект наклепу. Так, в дослідженнях Е. Н. Соколкова показано, що дислокаційні структури після високотемпературної деформації відрізняються більшою стабільністю, ніж після холодного наклепу; утворюються сітчаті конфігурації дислокацій при очевидному порівняльному зменшенні їх щільності, і це не може не вплинути на характер подальшого розпаду.

Зокрема, дислокаційні конфігурації, які утворюються після високотемпературного наклепу, мають значно більшу термічну стійкість при наступному нагріванні (у тому числі і на температури розвитку старіння в даному сплаві), ніж дислокаційні структури після холодного наклепу. Це може бути пов'язано з меншою щільністю дефектів після високотемпературного наклепу, а також з тим, що в цих умовах деформування відразу зберігаються лише порівняно стійкі дислокаційні побудови, а нестійкі розпадаються вже в процесі високотемпературної деформації. Як вказує Н. Н. Буйнов, щільність вакансій в гарячо-деформованому сплаві менше, ніж у холоднодеформованом, і у випадку алюмінієвих сплавів при подальшому відпуску після високо температур- ного наклепу одержують відносно велику щільність зон Г.-П. і більш високу дисперсність метастабільних виділень (оскільки щільність дислокацій все ж підвищена) і, отже, велику міцність. Цим може бути пояснено зміцнення в результаті ТМО алюмінієвих сплавів, що передбачає високотемпе- ратурну деформацію і подальше помірне нагрівання - відоме явище прес-ефекту.
Збільшення швидкості утворення зон Г.-П в результаті деформації, наприклад сплавів Al-Cu в умовах підвищеної щільності дислокацій пояснюється збиранням атомів міді навколо дислокацій за механізмом головним чином пружної взаємодії цих останніх з атомами розчинених елементів.

Було показано, що відбуваються значні зміни форми дислокацій при нагріванні попередньо деформованих сплавів Аl-Сu. Ці зміни автори пояснюють впливом надлишкових вакансій, для яких дислокації є сприятливими стоками. Одночасно зі зміною конфігурації дислокацій спостерігається зменшення їх щільності.
Таким чином, прискорюючий вплив наклепу на розпад твердих розчинів, який раніше пов'язувався взагалі зі зростанням метастабільності системи в результаті деформування, отримує останнім часом більш конкретне пояснення з точки зору взаємодії атомів розчинених елементів з дефектами, головним чином з дислокаціями. Особливе значення мають розтягнуті дислокації, дефекти укладання в яких є найбільш сприятливим місцем в об’ємі сплаву для виникнення зародку фази виділення. Тоді очевидний висновок, що інтенсифікація процесу розпаду твердого розчину обумовлена в основному зростанням швидкості виникнення зародків. Звідси закономірна і велика дисперсність частинок, і підвищена їх кількість, експериментально спостерігаються при вивченні старіння деформованих сплавів. Як вказує Ю. А. Скаков, зонну стадію розпаду в ряді випадків можна розглядати як альтернативу стадії виділення стабільних фаз. При низькотемпературному старінні після сильної деформації і не дуже великому пересиченні може виникати стан неоднорідного твердого розчину, подібний зональній структурі, але з таким розподілом областей неоднорідностей, що визначається розподілом дефектів кристалічної будови. У таких випадках стадія інтенсивного виділення стабільної фази спостерігається разом з рекристалізацією.
Особливий інтерес представляють випадки утворення частинок фаз виділення в системі упорядкування розташованих дислокацій, наприклад при полігонізації. При цьому буде спостерігатися, по-перше, оптимально рівномірний розподіл часток у обсязі, а по-друге, знижена їх коагуляція у процесі повторного нагріву через сильне фрагментування структури (через певну непроникність субграниць для збиральної дифузії, а також через ослаблення далекодіючих полів пружних напруг, які можуть прискорити дифузію). Оптимальним варіантом при цьому є випадок, при якому швидкість розпаду при старінні в попередньо деформованому твердому розчині менше швидкості перерозподілу дислокацій. Тоді раніше пройдуть процеси звертання структури полігонізації, а потім у сплаві з оптимальним розташуванням дислокацій відбудеться виникнення частинок фаз виділення.
Що стосується форми частинок, що утворюються при старінні деформованих твердих розчинів, то спроби знайти якісь загальні положення, що описують вплив наклепу на конфігурації фаз виділення, не призвели до успіху. Мабуть, це пов'язано з вирішальним впливом багатьох інших факторів на форму частинок. Основними з цих факторів є природа сплаву, співвідношення кристалічних граток матриці і фази виділення, характер розпаду і т. д. Відповідно до факту придушення виникнення метастабільних фаз і прискорення виникнення стабільних під впливом попередньої деформації можна вважати справедливим вказівку, що вплив наклепу на конфігурацію утворених при старінні частинок визначається тенденцією прийняти більш стабільну форму - сферичну замість пластинчастої.

Поиск по сайту: