Процесс кристаллизации и фазовые превращения в сплавах

Процесс кристаллизации и фазовые превращения в сплавах
В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяется друг в друге, образуя однофазный жидкий
раствор. Переход сплава из жидкого состояния в твердое, как и при кристаллизации чистых металлов, протекает только при
наличии некоторого переохлаждения, когда энергия Гиббса жидкой фазы оказывается выше энергии Гиббса твердой фазы.
Любые твердые фазы, образующиеся в жидком сплаве, отличаются по составу от исходного жидкого раствора, поэтому
для образования устойчивого зародыша необходимы не только гетерофазные флуктуации, но и флуктуации концентрации.
Флуктуациями концентрации называют временно возникшие отклонения химического состава сплава в отдельных малых
объемах жидкого раствора от среднего состава.
Такие флуктуации возникают вследствие диффузионного перемещения атомов вещества в результате тепловых движений
в жидком растворе.
Зародыши новой фазы может возникнуть только в тех микрообъемах исходной фазы, состав которых в результате
флуктуации концентрации и расположения атомов соответствует составу и строению новой кристаллизующейся фазы.
Превращения в твердом состоянии протекают в результате образования зародышей новой фазы и последующего их роста.
Фазовые превращения в твердом состоянии также должны отвечать основному термодинамическому условию - уменьшать
энергию Гиббса всей системы.
DG = где DG- изменение энергии Гиббса;
DGV - уменьшение энергии при образовании зародыша новой фазы
DGпов - увеличение энергии за счет образования поверхности раздела между зародышем новой и исходной фазы
DGдеф. - увеличение энергии за счет упругой деформации матрицы вблизи зародыша
Для начала превращения необходимо, DGV > DGпов + DGдеф. Обычно зародыши образуются в дефектных местах
кристаллической решетки, на границе зерен, в местах скопления дислокаций, на включениях примесей и т.д. Это объясняется
уменьшением работы образования зародышей, ускорением диффузионных процессов и тем самым облегчением получения
концентрационных флуктуаций, необходимых для зарождения новой фазы.
При образовании зародышей новой фазы во многих случаях соблюдается принцип структурного и размерного
соответствия. Пока на границе новой и исходной фаз существует сопряженность, или когерентность, решеток по
определенным кристаллическим плоскостям, рост новой фазы идет с большой скоростью, так как атомы перемещаются
упорядоченно на незначительные расстояния (рис.20 а).
Однако образование зародыша новой фазы влечет за собой возникновение упругой энергии за счет разности удельного
объема исходной и новой фаз. Величина этой энергии в некоторый момент превышает предел упругости среды, что вызывает
сдвиговую деформацию, нарушение когерентности и образование межфазовой границы (рис.20 б).
Вследствие этого когерентный рост становится невозможным. при высоких температурах когерентность быстро
нарушается, однако рост кристаллов новой фазы продолжается достаточно быстро, но уже в результате диффузионного
перемещения атомов от матричной фазы к новой через границу раздела фаз. Такой механизм превращения называется
диффузионным или нормальным.
Если при этом между исходной и новой фазами существует структурное соответствие, то новая фаза располагается вдоль
определенных кристаллографических плоскостей исходной фазы в виде пластин и игл. Такую структуру называют
видманштеттовой.
При больших скоростях охлаждения можно подавить нормальные диффузионные превращения, превращения протекают
сдвиговым путем, в основе которого лежит кооперативное и закономерное перемещение атомов, когда они, сохраняя своих
соседей, смещаются по отношению друг к другу на расстояния, меньше межатомных. Новая фаза когерентна и связана с
исходной, при нарушении которой рост кристаллов прекращается, так как при низких температурах переход атомов
невозможен. Такое превращение называют мартенситным, а образующую фазу мартенсит.