Главная / Теория термической обработки металлов / Отжиг второго рода / Общие закономерности фазовых превращений в твердом состоянии / Роль строения межфазных границ при фазовых превращениях

Роль строения межфазных границ при фазовых превращениях

Поверхностная энергия на границе зародыша с исходной фазой зависит от строения этой границы.

Различают три типа межфазных границ: когерентные, полукогерентные и некогерентные.

На когерентной границе решетка одной фазы плавно переходит в решетку другой фазы: атомные плоскости не прерываются на такой границе, а лишь несколько изгибаются, как бы продолжаясь в другой фазе.

Эта упругая деформация, называемая когерентной, обеспечивает плавную сопряженность решеток двух фаз, межатомные расстояния в которых всегда различны. Если новая фаза жестче исходной, то когерентная деформация сосредоточивается в основном в исходной фазе, и наоборот.

Если между кристаллами двух фаз имеется когерентная граница или, коротко, когерентность, то обе фазы (и их кристаллы) также называют когерентными. Если при фазовом превращении обеспечивается когерентность фаз, то это означает, что соседи любого атома в исходной фазе остаются соседями этого же атома в новой фазе (смотрите Механизм мартенситного превращения).

Поверхностную энергию межфазной границы можно представить как состоящую из двух слагаемых: «химической» составляющей, возникающей из-за близкодействующих сил взаимодействия между разнородными атомами в соседних положениях по обе стороны от границы, и «структурной» составляющей, связанной с упругой деформацией решетки.

Несоответствие двух решеток может быть скомпенсировано за счет когерентных деформаций только в том случае, когда разница в межатомных расстояниях сопрягающихся фаз достаточно мала.


Схемы строения когерентной и полукогерентной границ

Схемы строения когерентной и полукогерентной границ

Схемы строения когерентной (а) и полукогерентной (б) границ
между кристаллами фаз α и β.


На рисунке, а видно, что при удалении от его центра к краям изгиб вертикальных атомных плоскостей нарастает. Вполне очевидно, что с увеличением площади когерентной границы должна нарастать и упругая деформация на ней. Поэтому чисто когерентная межфазная граница возможна только на сравнительно небольшой поверхности раздела фаз и тем меньшей, чем больше несоответствие их решеток.

При увеличении размера зародыша может быть достигнут момент, когда компенсация несоответствия решеток двух фаз становится энергетически более выгодной не в результате когерентной деформации по всей поверхности раздела, а частично за счет дислокаций.

Эти дислокации называют структурными или дислокациями несоответствия. В промежутках между ними соблюдается когерентность решеток двух фаз. Межфазную границу, имеющую такое строение, называют полукогерентной. Если, например, степень несоответствия двух решеток ε = (αα — αβ)/αβ = 0,01, а вектор Бюргерса структурных дислокаций равен одному межатомному расстоянию в плоскости сопряжения, то для компенсации указанного несоответствия решеток на полукогерентной границе дислокации должны отстоять одна от другой на 1/0,01 = 100 межатомных расстояний.

Чем больше степень несоответствия решеток, тем выше плотность дислокаций на полукогерентной границе. При большой степени несоответствия решеток двух фаз расстояние между структурными дислокациями настолько уменьшается, что они теряют свою индивидуальность (их ядра сливаются).

Такая межфазная граница имеет неупорядоченное строение по всей своей поверхности и называется некогерентной так же, как и сами фазы, разделяемые этой границей. Из сказанного следует, что прототипом некогерентной границы является высокоугловая граница зерен одной фазы, а прототипом полукогерентной — малоугловая граница.

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