Главная / Теория термической обработки металлов / Отжиг второго рода / Общие закономерности фазовых превращений в твердом состоянии / Откуда берется в замкнутой системе энергия

Откуда берется в замкнутой системе энергия

Откуда же берется в замкнутой системе энергия, требуемая для образования критического зародыша?

В кристалле колеблющиеся атомы непрерывно обмениваются между собой кинетической энергией. Из-за хаотичности теплового движения энергия распределена между атомами неравномерно. В определенный момент энергия разных атомов различна, а для одного атома она меняется от одного момента времени к другому. Всегда имеются атомы и группы атомов, кинетическая энергия которых больше или меньше средней величины.

Отклонение энергии от среднего значения называется флуктуацией энергии. Флуктуационное повышение энергии в группе атомов материнской фазы может обеспечить работу образования критического зародыша. Критический зародыш образуется там, где участок материнской фазы размером не меньше критического обладает повышенной энергией не ниже определенного уровня.

Таким образом, хотя у решетки новой фазы запас свободной энергии меньше, чем у решетки материнской фазы, переход от одной фазы к другой при образовании центра кристаллизации происходит через промежуточное состояние с повышенной свободной энергией, большей, чем у исходной фазы.

Число атомов, энергия которых выше некоторого уровня пропорционально фактору Больцмана eE/kT. Очевидно, чем больше флуктуация по уровню энергии и по размерам в кристалле участка с повышенной энергией, тем меньше вероятность флуктуации в пределах исходной фазы.

Теперь можно объяснить зависимость скорости зарождения центров новой фазы от переохлаждения. С увеличением степени переохлаждения уменьшаются размер критического зародыша и работа его образования. Следовательно, чем больше степень переохлаждения, тем меньшая по уровню энергии и геометрическим размерам требуется флуктуация, на базе которой образуется критический зародыш, и тем больше число таких флуктуаций. Поэтому с ростом степени переохлаждения увеличивается число критических зародышей, возникающих в единицу времени в единице объема в результате флуктуаций энергии. Их число должно быть пропорционально фактору e—ΔFкр/kT.

Критический зародыш становится центром кристаллизации только тогда, когда он присоединяет к себе один или несколько атомов от материнской фазы. Частота присоединения атомов к зародышу пропорциональна фактору e—Q/kT, где Q — энергия активации перехода атома через границу раздела фаз.

Следовательно, скорость зарождения центров кристаллизации, зависящую от вероятности образования определенных энергетических флуктуаций и вероятности присоединения атомов к критическим зародышам, можно представить следующим выражением:

Формула

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков