Критический зародыш

При фазовых превращениях в сплавах образующаяся фаза очень часто отличается по химическому составу от исходной фазы (смотрите рисунок Системы с различными фазовыми превращениями). Поэтому для образования критического зародыша недостаточно энергетической флуктуации, необходима еще флуктуация концентрации. В твердом растворе при определенном среднем химическом составе имеются участки с большим или меньшим содержанием того или иного компонента.

Очевидно, чем больше отклонение от среднего состава и больше размер участка с таким отклонением, тем меньше вероятность концентрационной флуктуации в пределах исходной фазы. Например, чтобы в аустените эвтектоидного состава (0,8% С) образовался зародыш цементита, содержащего 6,67% С, необходимо местное повышение концентрации углерода примерно в восемь раз. В аустените имеются участки, богатые и бедные углеродом.

Расчет, основанный на теории вероятностей, показывает, что, в 1 см3 аустенита звтектоидного состава имеется 3,3 * 1016 обогащенных углеродом участков размером в 6 элементарных ячеек с концентрацией углерода 6,67% и всего лишь 1000 обогащенных углеродом участков с такой же концентрацией, но размером в 24 элементарных ячейки (всего в 1 см3 аустенита находится 2,14 * 1022 элементарных ячеек).

Критическим зародышем в материнской фазе является флуктуационный участок критического размера с энергией не меньше определенного уровня и с химическим составом, соответствующим составу образующейся фазы.

Следует учитывать различие между флуктуациями состава внутри одной фазы и дисперсной смесью двух фаз. Флуктуации концентрации все время возникают и исчезают. Каждой температуре и среднему составу раствора соответствует свое, не зависящее от времени распределение концентрационных флуктуаций по их величине. Такое распределение существует и в метастабильной, например переохлажденной фазе до начала превращения.

Двухфазная же система не может характеризоваться равновесным распределением частиц фаз по их размерам, так как эти частицы беспредельно стремятся к укрупнению
— вначале растут за счет исходной фазы, а затем коагулируют соседние частицы, принадлежащие одной фазе.

Необходимость флуктуации концентрации в добавление к флуктуации энергии затрудняет образование центров новой фазы, особенно в тех случаях, когда составы исходной и новой фаз сильно различаются.

Различие в составах исходной и новой фаз сказывается не только на механизме зарождения центров, но и на механизме их роста. Рост новой фазы обеспечивается диффузионным притоком атомов одного сорта к фронту кристаллизации и уходом от этого фронта атомов другого сорта.

Так как скорость диффузии сильно зависит от температуры, а также от состава твердого раствора, то процессы диффузионной кристаллизации в исключительно сильной степени зависят от переохлаждения (или перегрева) и от содержания легирующих элементов. Термодинамика процессов образования фазы, отличающейся по составу от исходной более подробно изложена в Термодинамике процессов выделения из твердого.

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

Кинетика фазовых превращений

Кинетика кристаллизационных процессов в твердом состоянии определяется двумя параметрами — скоростью зарождения центров превращения и линейной скоростью роста из этих центров. Как было показано выше, оба параметра кристаллизации зависят от степени переохлаждения или перегрева. Кинетика фазового превращения при определенном переохлаждении или перегреве изображается кинетической кривой, которая показывает нарастание количества новой структурной составляющей во времени. Кинетика…

Кинетические кривые

С практической точки зрения ничтожная степень превращения в инкубационный период не принимается во внимание, поэтому вполне целесообразно говорить о конце инкубационного периода как о начале превращения, всегда мысленно подразумевая, что к «началу» превращения уже образовалось некоторое количество новой структурной составляющей. Например, начало эвтектоидного превращения в стали фиксируется тогда, когда имеется 0,5 — 1% перлита. Кинетические…

Термокинетические диаграммы

Широкому использованию диаграмм изотермических превращений способствует то, что они строятся в тех же координатах температура — время, в которых изображают режимы нагрева и охлаждения при термической обработке. С помощью С-диаграмм особенно удобно анализировать различные виды изотермических обработок, включающих ускоренное охлаждение и выдержку при постоянной температуре, например изотермический отжиг и изотермическую закалку (смотрите Разновидности отжига сталей…

Образование промежуточных метастабильных фаз

Образование стабильной фазы приводит систему в состояние с абсолютным минимумом свободной энергии. Однако при определенных условиях зарождается и растет не абсолютно стабильная, а метастабильная фаза, образование которой приводит систему в состояние с относительным минимумом свободной энергии. Рассмотрим условия равновесия исходной фазы а с новой стабильной фазой β, отличающейся от исходной структурой и составом. Используем для…

Разные метастабильные фазы в системе

Если в системе могут существовать разные метастабильные фазы, то при данной степени переохлаждения с увеличением времени выдержки вначале из-за большей скорости зарождения будет образовываться метастабильная фаза, у которой минимальна работа образования критического зародыша. Затем появятся метастабильные фазы с большей энергией образования критического зародыша и в последнюю очередь появится стабильная фаза, так как энергия активации ее…