Кластеры, обнаруживаемые структурными методами называются зонами Гинье-Престона.

У них также кристаллическая решетка, что и у матричного раствора, из-за различия в атомных диаметрах металла-основы и легирующего элемента скопления этого элемента вызывают местное изменение межплоскостных расстояний.

Модель зоны алюминиево-медного сплава (рис.11-90) Атомы меди занимают одну из плоскостей {100}, а по обе стороны от нее параллельные плоскости состоят только из атомов алюминия. Атомный диаметр меди меньше атомного диаметра алюминия. Поэтому в местах расположения атомов меди плоскости с атомами алюминия будут смещены в сторону плоскости с атомами меди. Возникает значительная упругая деформация кристаллической решетки. Зона ГП в алюминиево-медных сплавах тонкопластинчатая, дискообразная.

В сплавах Al-Ag, Al-Zn разница в атомных размерах невелика, соответственно, упругая деформация решетки также мала и форма зон ГП – сферическая. Размер зон ГП зависит от состава сплава, температуры и продолжительности старения и составляет величину порядка 1-10 нм.

Образование кластеров – это диффузионный процесс. Особенностью кинетики образования зон ГП является необычайно высокая подвижность атомов растворенных элементов. Кластеры образуются даже при отрицательных температурах (в сплавах Al-Cu при -100 C).

Аномально высокая скорость диффузии обусловлена пересыщением твердого раствора вакансиями закалки. Т.к. механизм диффузии в растворах замещения вакансионный, то закалочные вакансии резко ускоряют миграцию атомов легирующего элемента.

Зоны ГП можно сравнить с метастабильными промежуточными фазами.

Но надо иметь в виду, что зона ГП это не новая фаза, а участок исходного твердого раствора, обогащенный растворенным элементом. В отличие от промежуточных фаз, которые имеют свою кристаллическую решетку, зона ГП имеет ту же решетку, что матричный раствор, только она деформирована.

Зоны ГП не требуют в отличие от стабильных фаз некоторого инкубационного периода. Поэтому их часто называют предвыделениями. Термодинамической же точки зрения их можно рассматривать как самостоятельную метастабильную фазу.

В отличие от концентрационных флуктуаций, которые непрерывно возникают и также непрерывно размываются темповым движением, ГП зоны имеют ряд особенностей:

· Длительное время устойчивы (при низких температурах – неопределенно долгое время);

· С увеличением продолжительности старения размер зон возрастает, причем более крупные растут за счет растворения более мелких;

· Состав зон при данной температуре не зависит от состава сплава;

· Главное (!), зоны ГП в двойной системе имеют свою линию сольвуса – они образуются только при переохлаждении матричного раствора ниже этой линии. Если же в растворе имеются зоны ГП, то при нагреве выше линии сольвуса, они растворяются (полная аналогия с зарождением и растворением стабильной фазы; рис. 11.91).

 

 

Рис.11.91.

Механизм зарождения зон 1 ГП слабо изучен. Считается, что для кластеров характерно главным образом гомогенное зарождение на концентрационных флуктуациях.

Большое значение этих зон то, что они зарождаются равномерно по всему объему матричного раствора и дают структуру равномерного распада с высокой плотностью выделений.

Выделение промежуточных и стабильных фаз

Стабильная фаза Q-фаза (CuAl₂) – тетрагональная решетка полностью некогерентная с матрицей.

Q//-фаза полностью когерентна с матрицей; часть плоскостей занята только атомами алюминия, а часть атомами меди. Когерентность обеспечивается большой упругой деформацией. Максимальная толщина выделений 10 нм, а диаметр – до 150 нм.

Q/ -промежуточная фаза состав соответствует соединению CuAl₂, но она имеет полукогерентную границу с матрицей.

Таким образом распад твердого раствора можно изобразить соответствующей схемой:

ГП зоны® Q//-фаза ® Q/ ® Q

В отличие от зон ГП промежуточные и стабильные фазы зарождаются гетерогенно.

Местами предпочтительного зарождения промежуточных фаз служат отдельные дислокации, малоугловые границы (стенки дислокаций), дефекты упаковки. В зонах ГП также могут образовываться промежуточные фазы.

Некогерентные выделения стабильной фазы предпочтительно зарождаются на высокоугловых границах и вакансионных кластерах и на ранее появившихся выделениях промежуточных фаз.