Зоны Гинье-Престона в алюминиевых сплавах

Зоны Гинье-Престона в алюминиевых сплавах

зона гинье престон алюминиевый сплав.

Гинье-Престона зоны — представляют собой весьма малые (субмикроскопические) объемы твердого раствора с резко повышенной концентрацией растворенного компонента, сохраняющие решетку растворителя. Скопление растворенных атомов вызывает местное изменение периода решетки твердого раствора. При значительной разнице в размерах атомов A и B, как это, например, наблюдается в сплавах Al-Cu (атомный радиус Al равен 0,143 нм; Cu — 0,128 нм), зоны Гинье-Престона имеют форму дисков, толщина которых (учитывая искажения решетки) составляет несколько межатомных расстояний, диаметр — 10−50 нм. Диски закономерно ориентированы относительно пространственной решетки растворителя. При небольшом различии в атомных диаметрах компонентов, как, например, в сплавах Al-Zn (атомный радиус Zn равен 0,138 нм), обогащенные зоны имеют форму сфер.

После закалки следует старение, когда сплав выдерживают при комнатной температуре несколько суток (естественное старение) или в течение 10−24 ч при повышенной температуре (искусственное старение).

В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплава. Распад пересыщенного твердого раствора, в решетке которого атомы меди располагаются статистически равномерно, происходит в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности старения. При естественном (при 20°С) или низкотемпературном искусственном старении (ниже 100−150°С) не наблюдается распада твердого раствора с выделением избыточной фазы; при этих температурах атомы меди перемещаются только внутри кристаллической решетки б-твердого раствора на весьма малые расстояния и собираются по плоскостям {100} в пластинчатые образования или диски — зоны Гинье-Престона (ГП-1). Зоны ГП-1 в сплавах Al-Cu протяженностью 1−10 нм и толщиной 0,5−1 нм более или менее равномерно распределены в пределах каждого кристалла. Концентрация меди в зонах ГП-1 меньше, чем в CuAl₂ (54%).

Если сплав после естественного старения кратковременно (несколько секунд или минут) нагреть до 230−270°С и затем быстро охладить, то упрочнение полностью снимается и свойства сплава будут соответствовать свежезакаленному состоянию. Это явление получило название возврата после старения. Разупрочнение при возврате связано с тем, что зоны ГП-1 при этих температурах оказываются нестабильными и поэтому растворяются в твердом растворе, а атомы меди вновь более или менее равномерно распределяются в пределах объема каждого кристалла твердого раствора, как и после закалки. При последующем вылеживании сплава при комнатной температуре вновь происходит образование зон ГП-1 и упрочнение сплава. Однако после возврата и последующего старения ухудшаются коррозионные свойства сплава, что затрудняет использование возврата для практических целей. Длительная выдержка при 100 °C или несколько часов при 150 °C приводит к образованию зон Гинье-Престона большей величины (толщина 1−4 нм и диаметр 20−30 нм) с упорядоченной структурой, отличной от б-твердого раствора. Концентрация меди в них соответствует содержанию ее в CuAl₂. Такие зоны в сплавах А1 — Сu принято называть ГП-2. С повышением температуры старения процессы диффузии, а следовательно, и процессы структурных превращений протекают быстрее. Выдержка в течение нескольких часов при высоких температурах (150−200°С) приводит к образованию в местах, где располагались зоны ГП-2, дисперсных (тонкопластинчатых) частиц промежуточной и'-фазы, не отличающейся по химическому составу от стабильной и-фазы (CuAl₂), но имеющей отличную кристаллическую решетку. и'-фаза частично когерентно связана с твердым раствором. Повышение температуры до 200−250°С приводит к коагуляции метастабильной фазы и к образованию стабильной и-фазы, имеющей с матрицей некогерентные границы.

Таким образом, при естественном старении образуются лишь зоны ГП-1. При искусственном старении последовательность структурных изменений в сплавах А1-Сu можно представить в виде следующей схемы: ГП-1 > ГП-2 > и' >и.

Однако это не означает, что одно образование «на месте» переходит в другое. Возможно, что возникновение последующего образования или фазы происходит после растворения исходного.

Эта общая схема распада пересыщенного твердого раствора в сплавах Аl-Cu справедлива и для других сплавов. Различие сводится лишь к тому, что в разных сплавах неодинаков состав и строение зон, а также образующихся фаз.

Для стареющих алюминиевых сплавов разных составов существуют и свои температурно-временные области зонного (образование ГП-1 и ГП-2) и фазового (и' и и-фаз) старения.

Величина упрочнения при закалке и старении зависит от природы фазы упрочнителя, размеров их частиц, количества их и распределения. Наибольшее упрочнение сплавов достигается благодаря MgZn₂, Mg₂Si и S-фазы (Al₂CuMg), имеющих сложную структуру и состав, отличный от б-твердого раствора.

После зонного старения сплавы чаще имеют повышенный предел текучести и относительно невысокое отношение у_0,2/у_в (?0,6ч0,7), повышенную пластичность, хорошую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хрупкому разрушению. Это объясняется тем, что дислокации при деформации пересекают зоны, не создающие значительного сопротивления начальным деформациям. Отсутствие границы раздела между зонами ГП-1 или ГП-2 с матричной фазой определяет хорошее сопротивление коррозии.

После фазового старения отношение у_0,2/у_в повышается до 0,9 — 0,95, а пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются. В этом случае при деформации дислокации огибают частицы метастабильных фаз, образуя многочисленные дислокационные петли и отдельные скопления. Как следствие этого, сопротивление начальным деформациям повышается, а пластичность уменьшается. В процессе коагуляции образовавшихся фаз (коагуляционное старение) прочностные свойства на начальной стадии сначала возрастают, достигая максимального значения, а затем снижаются. Пластичность, вязкость и сопротивление коррозии возрастают.