РОЗДІЛ 2
ОСТВАЛЬДІВСЬКЕ ДОЗРІВАННЯ ДИСПЕРСНОЇ СТРУКТУРИ МЕТАЛЕВИХ СПЛАВІВ В УМОВАХ
ЗМІШАНОЇ ДИФУЗІЇ
2.1. Ріст частинок зміцнюючої фази за умови закріплення дислокацій на їх
поверхні
2.1.1. Основні характеристики дисперсної структури. Критерії вибору структури.
Функція розподілу за розмірами
Надання матеріалам необхідних властивостей базується на вмінні отримувати
необхідну мікроструктуру в процесі їх виготовлення. При створенні сплавів для
сучасної техніки постає питання правильного вибору матеріалу основи а також
необхідно врахувати тип зміцнюючої фази, її об’ємну долю, розмір і форму
дисперсних частинок, статистику розподілу за розмірами тощо. Стабільність
структури в таких випадках набуває важливого значення, оскільки існує чітка
кореляція між мікроструктурою і властивостями матеріалів. В першу чергу
необхідно забезпечити термічну стабільність, так як може виявитись, що,
по-перше, дисперсні частинки, які армують матрицю, належать до метастабільної
фази. По-друге, чим більш дисперсні частинки зміцнюючої фази, тим сильніше
розвинута їх міжфазна поверхня і, як наслідок, більше значення міжфазної
поверхневої енергії :
, (2.1)
де - питоме значення міжфазної поверхневої енергії, S – загальна поверхня.
, (2.2)
де функція – розподілу частинок за розмірами, –радіус частинки.
Питоме значення міжфазної поверхневої енергії входить до ряду важливих
термодинамічних співвідношень, зокрема, у співвідношення теорії фазових
перетворень.
Вдосконалення фізико-хімічних методів досліджень дозволяє крім традиційних
залежностей, таких як склад – властивості фіксувати структурні ефекти, які
виникають під впливом багатьох кінетичних факторів і параметрів експлуатації
сплавів. Вихідна мікроструктура сплавів є чутливою до цих факторів, вона
неперервно змінюється, викликаючи відповідні зміни властивостей. Така ситуація
виникає тому, що будь-який сплав може мати єдину стабільну структуру і цілу
низку метастабільних або нестабільних мікроструктур. Саме тому сплав із
покращеними властивостями майже завжди термодинамічно нестабільний. Задану
структуру отримують, комбінуючи визначеним чином операції термообробки,
дифузійного відпалу і деформації. Вдале проведення цих операцій є суттєвою
частиною сучасної технології отримання матеріалів з необхідними міцністю,
в’язкістю, електричними властивостями тощо. Однак, ці переваги досягаються за
рахунок потенціальної нестабільності виникаючих структур, які з часом можуть
перетворюватись у менш бажані структури, особливо у випадку використання
матеріалів при підвищених температурах. За нестабільність існуючої
мікроструктури відповідає значення вільної енергії і термодинамічного
потенціалу G. Рівновага досягається за умови мінімуму термодинамічного
потенціалу або вільної енергії F:
(2.3)
де .
На практиці в більшості випадків мають справу з процесами, в яких зміною
об’єму можна нехтувати, тому можна вважати, що умовою рівноваги є мінімальне
значення вільної енергії. Нерівності (2.3) вказують на те, що вільна енергія
(термодинамічний потенціал) при будь-яких малих відхиленнях системи від
положення рівноваги залишається постійною або збільшується. Ці рівняння
описують відносний мінімум вільної енергії або термодинамічного потенціалу.
Відносний мінімум вільної енергії відповідає метастабільному стану системи,
тобто стану відносної стійкості, а абсолютний мінімум визначає стійку рівновагу
системи.
Утворення нової фази передбачає декілька стадій: це–виникнення центрів
(зародків, кластерів), нової фази, їх незалежний ріст і накінець подальший
розвиток цих центрів у взаємодії між собою, через твердий розчин розчиненої
речовини. Цю останню, або як її ще називають, пізню стадію формування нової
фази, коли дрібненькі частинки розчиняються, а за їх рахунок ростуть більш
крупні, що обумовлено ефектом Гіббса-Томсона (залежність тиску або концентрації
на межі з частинкою від кривизни її поверхні), називають ОД,
рідше–коалесценцією. В дисперсних системах важливу роль відіграє міжфазна
поверхнева енергія. Перехід до рівноваги в таких системах пов’язаний із
зменшенням вільної енергії поверхні розділу, і здійснюється за рахунок (ОД)
укрупнення – коалесценції дисперсних фаз у вигляді дисперсних частинок, які
зміцнюють матрицю. Рухомою силою коалесценції є концентраційна неоднорідність
атомів речовини другого компоненту у твердому розчині. Процес коалесценції
впливає на ступінь дисперсності частинок другої фази, а також на ступінь
насичення другим компонентом твердого матричного розчину. Коалесценція частинок
суттєво впливає на міцність дисперсно-зміцнених сплавів. У випадку когерентних
виділень при розпаді пересичених твердих розчинів на стадії формування і росту
частинок межа текучості з часом старіння зростає. На стадії порушення
когерентності межа текучості не змінюється. Укрупнення частинок, в більшості
випадків, є небажаним явищем, оскільки воно супроводжується погіршенням
фізико-механічних властивостей сплавів.
Найбільш повну інформацію про довільну дисперсну систему містить в собі
функція розподілу частинок за розмірами . Для того, щоб визначити найбільш
вживані числові характеристики дисперсної системи, такі як: середній і найбільш
ймовірний розміри, медіану, число частинок в одиниці об’єму, їх площу і питомий
об’єм, дисперсію, середньоквадратичне відхилення, коефіцієнт асиметрії , ексцес
, необхідно розрахувати початкові моменти :
,
- Київ+380960830922