Зарождение новой фазы, происходящее совершенно случайным образом в разных местах объема исходной фазы, называют гомогенным.
Одним из механизмов гомогенного зарождения является флуктуационное образование критических зародышей (смотрите Термодинамика фазовых превращений). Сами флуктуации энергии и концентрации являются результатом хаотичного теплового движения, и возникновение их в разных участках исходной фазы носит вероятностный характер. Поэтому и распределение по объему исходной фазы зародышей, возникших на базе таких флуктуаций, также случайно.
Классическая теория гомогенного зарождения была развита применительно к конденсации пара и кристаллизации жидкости. Но уже с самого начала было известно, что эти процессы происходят Преимущественно на стенках сосуда или изложницы и на взвешенных частицах, т. е. на готовых поверхностях раздела.
В расплаве всегда присутствуют мельчайшие обычно неконтролируемые химическим анализом включения — окислы, нитриды, карбиды, сульфиды и др. Многочисленные «посторонние» включения служат затравками, и поэтому в обычных условиях мы имеем дело не с самопроизвольным гомогенным зарождением внутри объема чистой жидкости, а с зарождением на имеющихся поверхностях раздела с другими фазами. Поэтому такое зарождение было названо гетерогенным.
Гетерогенное зарождение не противоречит классической флуктуационной теории образования критических зародышей. Если поверхностная энергия на границе зародыша с включением ниже, чем на границе с расплавом, то работа образования критического зародыша будет меньше. Повышение скорости зарождения на готовых поверхностях раздела при росте переохлаждения объясняется, как и в случае гомогенной кристаллизации, уменьшением размеров критического зародыша и работы его образования.
В твердом состоянии условия для предпочтительного зарождения в определенных местах еще более благоприятны, так как в исходной фазе имеется множество мест с повышенной свободной энергией, которая способствует превращению. Такими местами являются границы зерен и субзерен исходной фазы, дисперсные включения других фаз, дислокации и дефекты упаковки.
Термин «гетерогенное зарождение» был распространен на все случаи предпочтительного зарождения в твердой фазе независимо от природы мест, в которых образуются зародыши.
При гетерогенном зарождении в твердом состоянии можно выделить две причины уменьшения работы образования критического зародыша:
- пониженную поверхностную энергию на готовой границе раздела зародыша и матрицы;
- полное или частичное исчезновение в исходной фазе дефекта решетки и связанной с ним свободной энергии.
Рассмотрим раздельно гетерогенное зарождение в каждом из типовых мест предпочтительного образования, зародышей.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков