ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Теория зародышеобразования из "Материаловедение Технология конструкционных материалов Изд2 " Зарождение новой фазы рассмотрим на примере образования кристаллической фазы из жидкой, что считается основным процессом при получении кристаллов. На самом деле, термодинамические основы диффузионного зарождения новой фазы при различных превращениях (газ - жидкость, газ - кристалл, жидкость - жидкость, жидкость - кристалл и кристалл - кристалл) идентичны, поскольку в каждом случае образуется поверхность, разделяющая фазы с различными свойствами. [c.94] Явление зародышеобразования может быть определено как образование дисперсных кристаллов, способных расти внутри собственного расплава. Традиционно рассматривают два вида возникновения зародышей кристаллической фазы гомогенное и гетерогенное. [c.94] Гомогенное зародышеобразование твердой фазы происходит, когда зародыш ее свободно образуется в объеме охлажд1аемой жидкости. Движущая сила зарождения новой фазы - переохлаждение. [c.94] Наличие движущей силы при любой температуре ниже означает, что зарождение должно происходить при сколь угодно малом переохлаждении жидкости нйже температуры Т . Однако малые частицы твердой фазы не обязательно будут стабильны из-за повыще-ния свободной энергии, связанного с зарождением границы раздела фаз. То есть любой новой фазе системы соответствует зародыш критического размера, до образования которого существование новой фазы термодинамически невыгодно, так как требует увеличения свободной энергии системы. [c.95] Часть первая. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ... [c.96] Гомогенное зародышеобразование и дальнейший рост частицы происходит в том случае, если ее радиус превышает некоторое критическое значение г. После этого рост зародыша сопровождается непрерывным уменьшением свободной энергии (рис. 1.57). [c.96] Следовательно, частицы с радиусами, большими критического, -устойчивы и растут, а с радиусами, меньшими критического, могут лишь спонтанно возникать в жидкой фазе при температурах как выше, так и ниже Т . [c.96] Глава I. Физико-химические основы материаловедения... [c.97] Ео - энергия активации диффузии, приходящаяся на 1 атом (молекулу) Агв = 1,380658 10 Дж/К - постоянная Больцмана. [c.97] Диффузия - неравновесный процесс, вызываемый молекулярным тепловым движением и приводящий к установлению равновесного распределения концентраций компонентов внутри фаз. [c.97] В реальных условиях большинство металлов затвердевает при значительно меньшем переохлаждении, чем максимальное переохлаждение АГ = 0,2Ге, следующее из теории гомогенного зародышеобразования., Это связано с наличием в расплаве инородных твердых частиц или присутствием стенок формы, что облегчает процесс зародышеобразования. Если поверхность кластера (кристаллопо-. добной частицы), имеющего форму сферического сегмента (рис. 1.59), образовалась на плоской подложке, то этот кластер может расти и достичь критического размера. [c.98] Сформировавшийся таким образом зародыш будет иметь меньший объем, чем сферический зародыш такого же радиуса. Соответственно этому движущая сила (или переохлаждение Д7), необходимая для образования зародыша в виде шарового сегмента, будет меньше аналогичной величины, необходимой при гомогенном зарождении. [c.98] Сравнивая (1.80) с (1.73) с учетом (1.69), видим, что критические радиусы зародыша при гомогенном и гетерогенном образовании равны. Сравнение (1.81) и (1.74) с учетом (1.69) показывает, что энергия гетерогенного образования от гомогенного отличается сомножителем в квадратных скобках, зависящим от угла смачивания. Величина этого сомножителя при любом 0 меньше единицы. При этом с увеличением смачиваемости (0 - О, рис. 1.59) энергетический барьер, препятствующий зарождению, уменьшается, и эффективность влияния подложки на процесс зародышеобразования растет. [c.99] При 0 = 0 АС гет = О, и растущая твердая фаза смачивает поверхность подложки. В результате затвердевание может начаться по достижении жидкостью равновесной температуры затвердевания, АГ = 0. [c.99] Первый тип характеризуется переходом от жидкости к твердой фазе на протяжении нескольких атомных слоев, которые образуют диффузную границу раздела фаз (рис. 1.60, а). При этом степень упорядоченности атомов в этих слоях возрастает по мере приближения к полностью затвердевшей области, пока атомы не окажутся на своих местах в узлах кристаллической решетки и не выделится вся скрытая теплота кристаллизации. Такое представление достаточно упрощенное, поскольку в действительности атомы диффузного слоя нельзя четко разделить на принадлежащие к жидкой или твердой фазе. Некоторые из них, расположенные выше штриховой линии (рис. 1.61), могут быть упакованы так же, как и в кристалле, другие же, находящиеся ниже линии (они выделены более темным цветом), несколько смещены относительно своих узлов. [c.100] Второй тип межфазной границы (см. рис. 1.60, б) представляет собой атомарно-гладкую поверхность с плотной упаковкой атомов. В этом случае переход от жидкой фазы к твердой должен происходить в области с толщиной в один атомный слой. Это представление основано на исследованиях процесса осаждения из газовой фазы и не совсем верно для расплавов, где фазовая граница должна иметь толщину по крайней мере в несколько атомных слоев. Однако классические представления, развитые для атомарногладких поверхностей, легко могут быть распространены на слабодиффузные границы, которые часто возникают при переходах жид-кость-твердое тело. [c.100] Глава I. Физико-химические основы материаловедения.. [c.101] На диффузных поверхностях рост происходит гораздо легче, чем на гладких. Это связано с тем, что на диффузных границах есть много мест, удобных для присоединения атомов, и по мере присоединения последних такая граница движется более или менее равномерно. В этом случае рост называется непрерывным. Если же граница атомарно-гладкая, то она движется за счет присоединения атомов к ступенькам, которые перемещаются вдоль поверхности раздела (рис. 1.62, а). Такой рост твердой фазы называют ступенчатым. [c.101] Часть первая. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ... [c.102] Промежуточным случаем между идеально-диффузной и, атомарно-гладкой ф овыми границами можно считать границу, представленную на рис. 1.62, б. Здесь переход от расплава к твердой фазе происходит на протяжении нескольких атомных слоев, однако рост границы идет за счет бокового перемещения ступеней, каждая из которых - достаточно диффузная. [c.102] Вернуться к основной статье