Природа и причины упрочнения при термической обработке алюминия » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Природа и причины упрочнения при термической обработке алюминия

15.06.2021

Благодаря интенсивным исследованиям, проведенным в последние десятилетия, накоплена обширная информация о природе и механизме структурных изменений, происходящих при распаде пересыщенного твердого раствора, и их влиянии на изменение свойств. В большинстве стареющих систем имеет место сложная последовательность изменений, зависящих от температуры и продолжительности старения. При относительно невысоких температурах и в начальный период искусственного старения основное изменение структуры заключается в перераспределении растворенных атомов в решетке твердого раствора с образованием скоплений или зон Гинье — Престона. Эти скопления растворенных атомов вызывают искажения кристаллической решетки как внутри зон, так и на расстоянии нескольких атомных слоев в матрице. С увеличением количества или плотности зон степень искажения решетки возрастает. Упрочняющий эффект зон состоит в дополнительном взаимодействии их с дислокациями, которые при своем движении пересекают зоны. Возможен и химический механизм упрочнения (образование новых поверхностей раздела выделение — матрица), в результате чего повышается напряжение, необходимое для движения дислокации в решетке, искаженной вокруг когерентных зон. Постепенное повышение прочности при естественном старении связано с увеличением размера зон Гинье—Престона в одних системах и с повышением плотности зон в других.

В большинстве систем по мере увеличения температуры или длительности старения зоны трансформируются или заменяются частицами, кристаллическая структура которых отличается как от структуры твердого раствора, так и от структуры равновесных фаз. Это частицы промежуточных выделений. В большинстве сплавов они имеют особую кристаллографически ориентированную связь с твердым раствором, так что обе фазы (выделение и матрица) когерентны по определенным плоскостям за счет локальной упругой деформации матрицы. Упрочняющее действие этих полукогерентных выделений связано с торможением движения дислокаций за счет искажений решетки и наличия частиц. Прочность продолжает возрастать по мере увеличения размеров выделений до тех пор, пока дислокации перерезают их при своем движении.

При дальнейшем развитии процесса старения происходит рост частиц переходной фазы, сопровождаемый увеличением упругой деформации до момента, пока не будет превзойдена прочность связи на поверхностях раздела и, таким образом, нарушится когерентность. Это часто совпадает с изменением структуры выделений от переходной формы к равновесной. При потере когерентности упрочняющий эффект ослабляется и он связан с напряжением, необходимым для образования дислокационной петли вокруг частицы выделения при движении дислокации, поскольку некогерентные выделения не перерезаются движущимися дислокациями. По мере роста частиц равновесной фазы и увеличения расстояния между ними прочность постепенно снижается.

Кинетика растворения и выделения. Относительные скорости реакций растворения и выделения в различных растворах зависят от скоростей диффузии элементов, их растворимости и концентрации твердого раствора. Данные о коэффициентах диффузии для нескольких промышленно важных легирующих элементов в алюминии получены различными экспериментальными методами, включая активационный и рентгеноспектральный анализы. Графики, построенные по совокупности этих данных, включая самодиффузию, показаны на рис. 5.3. Медь, магний, кремний и цинк, имеющие наиболее высокие растворимости в алюминии и участвующие в реакциях дисперсионного твердения, обладают относительно высокими скоростями диффузии в алюминии.

Вакансии. Многочисленные экспериментальные данные, накопленные за последние 20 лет, являются убедительным доказательством существования большого количества пустот, не заполненных атомами, в кристаллической решетке большинства твердых растворов. Эти пустоты называются вакансиями. Полагают, что диффузия в твердых растворах замещения, так же как и само диффузия, происходит в основном по вакансионному механизму. Вакансии играют особо важную роль в образовании зон Гинье—Престона. Для объяснения скорости образования зон при относительно низких температурах необходимо, чтобы скорость диффузии была на несколько порядков выше значений, полученных методом экстраполяции величин, определенных при более высоких температурах. Для определения равновесной концентрации вакансий в алюминии при разных температурах (рис. 5.4) были использованы точные замеры электросопротивления и относительных изменений плотности и параметров решетки в зависимости от температуры.

Повышенная подвижность растворенного вещества, необходимая для объяснения высоких скоростей образования зон, связана с вакансионным механизмом диффузии, который становится возможным благодаря сохранению высокой неравновесной концентрации вакансий при низкой температуре. Кроме этой основной роли вакансий, существуют некоторые специфические взаимодействия между вакансиями и различными растворенными атомами, влияющие на кинетику старения и объясняющие влияние примесных элементов. Магний играет особую роль в этом процессе. Благодаря большому атомному диаметру магния происходит быстрое образование комплексов магний—вакансия, вследствие чего при охлаждении сплава легче сохраняется избыток вакансий. Присутствие этих вакансий играет существенную роль в кинетике старения и упрочняющем эффекте.

Образование зародышей. Образование зон представляет собой гомогенный процесс. Несколькими исследованиями показано, что для осуществления этого процесса необходима критическая концентрация вакансий. Модель образования зародышей, предполагающая образование скоплений вакансия — атом растворенного вещества, согласуется с влиянием температуры и скорости закалки.

На образование зародышей новой фазы сильно влияют несовершенства в структуре матрицы, такие как границы зерен, субзерен, дислокации и межфазные границы. Вследствие того что указанные несовершенства обладают более высоким уровнем энергии, чем матрица, они являются местами предпочтительного образования промежуточных или равновесных фаз. Ta часть растворенного вещества, которая выделяется из твердого раствора во время быстрого охлаждения от температуры закалки, не участвует в последующем образовании соединений ни при комнатной, ни при повышенных температурах; поэтому образование выделений при охлаждении влияет на конечные свойства сплава. Выделения по границам зерен субзерен и на отдельных частицах размером 0,5 мкм и более, образующиеся при охлаждении, обычно не оказывают существенного влияния на прочность. При низкой скорости охлаждения фазы, образующиеся на дисперсных частицах (< 0,1 мкм), формируются и укрупняются на ранних стадиях высокотемпературного старения и влияют на свойства. На рис. 5.5 показаны выделения на таких частицах, окруженные зонами без выделений. Появление этих зон после охлаждения и старения связано с обеднением твердого раствора вблизи частиц и недостатком зародышей, вызванным миграцией вакансий к межфазным границам во время охлаждения.

Хотя выделения по границам зерен незначительно влияют на прочность, они могут снижать коррозионную стойкость и увеличивать склонность к межкристаллитной коррозии. Процесс образования выделений по границам зерен часто сопровождается возникновением зоны, свободной от выделений, аналогичной описанной выше. Разница электрохимических потенциалов выделений по границам зерен, зоны, свободной от выделений, и матрицы в зерне является основным фактором в электрохимическом механизме межкристаллитного характера разрушения при коррозии под напряжением.

Исследования структуры выделений методом просвечивающей электронной микроскопии показали, что дислокации, образующиеся при конденсации вакансий или в результате пластической деформации, также являются местами предпочтительного образования зародышей выделений. Различия в плотности дислокаций при разных скоростях охлаждения и степень пересыщения вакансиями и растворенным веществом представляют собой факторы, определяющие влияние скорости охлаждения на упрочнение. Образование дислокаций при холодной деформации после закалки ускоряет процесс старения в сплавах серии 2ХХХ и повышает прочность при искусственном старении. В других сплавах влияние холодной деформации либо незначительно, либо вредно.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: