Файл: Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник.pdf

переохлаждения. Чем быстрее охлаждается металл, тем меньше успевает образовываться центров кристаллизации новой фазы при каждой степени переохлаждения и тем сильнее переохлаждается материнская фаза.

До сих пор в этой главе рассматривалось фазовое превраще­ ние при охлаждении. Основные положения флуктуационной тео­ рии зарождения центров новой фазы справедливы и для процес­ сов фазового превращения при нагревании. С увеличением степе­

превращения интенсивно растет вследствие уменьшения размера критического зародыша и работы его образования, а также уве­ личения подвижности атомов (рис. 74). Этим объясняется то, что

при превращениях в твердом состоянии достигаемая степень перегрева обычно гораздо меньше, чем 'степень переохлаждения.

При фазовых превращениях в сплавах образующаяся фаза очень часто отличается по химическому составу от исходной фазы (см. рис. 68). Поэтому для образования критического зародыша недостаточно энергетической флуктуации, необходима еще флуктуа­ ция 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 флукту­ ации в пределах исходной фазы. Например, чтобы в аустените эвтектоидного состава (0,8%С) образовался зародыш цементита,, содержащего 6,67% С, необходимо местное повышение концентра­

130

ции углерода примерно в восемь раз. В аустените имеются участ­ ки, богатые и бедные углеродом. Расчет, основанный на теории вероятностей, показывает, что в 1 ем3 аустенита эвтектоидного состава имеется 3,3 • 1016 обогащенных углеродом участков разме­ ром в 6 элементарных ячеек с концентрацией углерода 6,67% и всего лишь 1000 обогащенных углеродом участков с такой же кон­ центрацией, 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 вну­ три одной фазы и дисперсной смесью двух фаз. Флуктуации кон­ центрации все время возникают и исчезают. Каждой температуре и среднему составу раствора соответствует свое, не зависящее от времени распределение концентрационных флуктуаций по их ве­ личине. Такое распределение существует и в метастабильной, на­ пример переохлажденной фазе до начала превращения. Двухфаз­ ная 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, принадле­ жащие одной фазе.

Необходимость флуктуации концентрации в добавление к флук­ туации энергии затрудняет образование центров новой фазы, осо­ бенно 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 прито­ ком 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 ра­ створа, то процессы диффузионной кристаллизации в исключи­ тельно сильной степени зависят от переохлаждения (или перегре­ ва) и от содержания легирующих элементов. Термодинамика про­ цессов образования фазы, отличающейся по составу от исходной более подробно изложена в §41.

§ 19. РОЛЬ СТРОЕНИЯ МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦ ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Поверхностная энергия на границе зародыша с исходной фа­ зой зависит от строения этой границы. Различают три типа меж­ фазных границ: когерентные, полукогерентные и некогерентные.

На когерентной границе решетка одной фазы плавно перехо­ дит в решетку другой фазы (рис. 75, а): атомные плоскости не прерываются на такой границе, а лишь несколько изгибаются, как бы продолжаясь в другой фазе. Эта упругая деформация, назьгва-

емая 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 грани­ ца или, коротко, когерентность1, 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 (см. §34).

Поверхностную энергию межфазной границы можно предста­ вить как состоящую из двух слагаемых: «химической» составляю­ щей, возникающей из-за близкодействующих сил взаимодействия между разнородными атомами в соседних положениях по обе сто­ роны от границы, и «структурной» составляющей, связанной с уп­ ругой деформацией решетки.

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

На рис. 75, а видно, что при удалении от его центра к краям изгиб вертикальных атомных плоскостей нарастает. Вполне оче-

Рис. 75. Схемы строения когерентной (а) и полукогерентной (б) границ между кристаллами фаз а и р

видно, что с увеличением площади когерентной границы должна нарастать и упругая деформация на ней. Поэтому чисто когерент­ ная межфазная граница возможна только на сравнительно неболь­ шой поверхности раздела фаз и тем меньшей, чем больше несоот­ ветствие их решеток.

При увеличении размера зародыша может быть достигнут момент, когда компенсация несоответствия решеток двух фаз становится энергетически более выгодной не в результате когере­ нтной деформации по всей поверхности раздела, а частично за счет дислокаций (рис. 75, б). Эти дислокации называют струк­ турными или дислокациями несоответствия. В промежутках меж­

1 Слово «когерентность» произошло от англ, coherence, что означает связь, связность, согласованность. Поэтому следует признать весьма неудачным до­ вольно распространенное словосочетание «когерентная связь».

132

ду ними соблюдается когерентность решеток двух фаз. Межфаз­ ную границу, имеющую такое строение, называют полукогерентной. Если, например, степень несоответствия двух решеток г —

— (аа —ар)/ар =0,01, а 'вектор Бюргерса структурных дислокаций равен одному межатомному расстоянию в плоскости сопряжения, то для компенсации указанного несоответствия решеток на полу­ когерентной границе дислокации должны отстоять одна от дру­ гой на 1/0,01 = 100 межатомных расстояний. Чем больше степень несоответствия решеток, тем выше плотность дислокаций на полу­ когерентной границе. При-'большой степени несоответствия реше­ ток двух фаз расстояние между структурными дислокациями на­ столько уменьшается, что они теряют свою индивидуальность (их ядра сливаются). Такая межфазная граница имеет неупорядочен­ ное строение по всей своей поверхности и называется некогерент­ ной так же, как и сами фазы, разделяемые этой границей. Из,ска­ занного следует, что прототипом некогерентной границы является высокоугловая граница зерен одной фазы, а прототипом полукогерентной — малоугловая граница.

Согласно оценочным расчетам, поверхностная энергия коге­ рентной границы не превышает 200 эрг/см2, у полукогерентной равна 200—500 эрг/см2, а у некогерентной составляет 500— 1000 эрг/см2. Следовательно, при прочих равных условиях работа образования критического зародыша, имеющего когерентные гра­ ницы, должна быть самой низкой, а скорость образования таких зародышей — наиболее высокой.

На рис. 75 видно, что решетка зародышей, отделенных от исход­ ной фазы когерентной или полукогерентной границей, всегда кристаллографически ориентирована определенным образом по отношению к решетке исходной фазы. Отсюда не следует делать обратного вывода, что две фазы с закономерной взаимной ориен­ тацией их решеток обязательно когерентны. Во-первых, решетка некогерентной фазы может обладать закономерной ориентиров­ кой по отношению к решетке исходной фазы, так как вначале зародыш новой фазы имел полукогерентную границу, затем'при росте кристалла межфазная граница стала некогерентной, а ори­ ентировка его сохранилась прежней. Во-вторых, если заро­ дыш с самого начала имеет некогерентную границу, то также возможна закономерная ориентировка его решетки по отношению к решетке исходной фазы. Ориентированное превращение подчи­ няется общей закономерности, сущность которой была наиболее развернуто сформулирована П. Д. Данковым как принцип ориен­ тационного и размерного соответствия: «Химическое превращение на поверхности твердого тела развивается таким образом, чтобы конфигурация атомов исходной твердой фазы сохранялась (или почти сохранялась) и в новой твердой фазе. Возникающая при указанном процессе кристаллическая решетка новой фазы сопря­ гается с кристаллической решеткой исходной фазы подобными кристаллическими плоскостями, параметры которых отличаются друг от друга минимально». Причина закономерной ориентации

133