10. Фазові і структурні перетворення в сплавах

Перехід сплаву з рідкого стану у тверде протікає, як і при кристалізації чистих металів, тільки при деякому переохолодженні, при якому значення різниці об'ємної енергії Гібса рідкої і твердої фаз G_o6 буде більше збільшення поверхневої енергії (G_o6>). Процес кристалізації протікає в результаті утворення центрів кристалізації (зародків) і наступного їхнього росту у виді дендритних або повногранних кристалів.

Будь-які фази, що утворяться в сплаві, відрізняються по складу від вихідного рідкого розчину, тому для утворення стійкого зародка необхідні не тільки гетерогенні флуктуації, але і флуктуації концентрації. Флуктуаціями концентрації і називають тимчасово виникаючі відхилення хімічного складу сплаву в окремих малих обсягах рідкого розчину від середнього його складу. Такі флуктуації виникають унаслідок дифузійного переміщення атомів речовини в результаті теплових рухів у рідкому розчині.

Чим більше відхилення складу флуктуації від середнього складу сплаву, тим сутужніше вона утвориться. Однак, з огляду на колосальну кількість атомів, що складають рідкий розчин, очікується, що в даному обсязі металу існує велике число ділянок, що мають склад, що значно відрізняється від середнього.

Зародок нової фази може виникнути тільки в тих мікрообсягах вихідної фази, склад яких у результаті флуктуації концентрації і розташування атомів відповідає складові і будівлі нової фази, що кристалізується. Якщо при цьому концентраційні флуктуації відповідають мікрообсягам, що мають розмір не менше критичного, виникає стійкий зародок, здатний до росту. Зі збільшенням ступеня переохолодження зростає число подібних зародків. Наявність у рідкій фазі зважених часток, що відповідають розглянутим вище умовам модифікування, сприяє, особливо при порівняно невеликому ступені переохолодження, утворенню великої кількості зародків.

У багатьох сплавах після їхнього затвердіння, тобто у твердому стані, відбуваються фазові перетворення. Вони викликаються поліморфними перетвореннями компонентів і розпадом твердого розчину в зв'язку зі зміною взаємної розчинності компонентів у твердому стані.

Перетворення у твердому стані протікають у результаті утворення зародків нової фази у вихідній фазі (матриці) і наступного їхнього росту за рахунок матриці. Кристалізаційні процеси утворення фаз у твердому стані підкоряються тим же закономірностям, що і процеси кристалізації з рідини. Однак у випадку перетворення у твердому стані потрібно враховувати пружні напруження, що виникають унаслідок того, що питомі обсяги старої і нової фаз не однакові. Енергія пружної деформації підвищує енергію Гібса й утрудняє перетворення: ∆G = —∆G_o6 + ∆+∆. Тому для початку перетворення потрібно, щоб виграш в об'ємній енергії компенсував не тільки програш, зв'язаний з утворенням нових поверхонь роздягнула ∆, але і компенсував пружні перекручування ∆G_yn : ∆ G_o6 >.∆ +∆.

Поки на границі нової і вихідної фаз існує спряженість або когерентність ґрат по визначених кристалографічних площинах (рис. 3.6), ріст нової фази відбувається з великою швидкістю, тому що атоми переміщаються впорядковано на незначні відстані. Однак утворення зародка нової фази спричиняє виникнення пружної енергії (тобто енергії пружної деформації). Величина цієї енергії в деякий момент перевищує межу пружності середовища, що спричиняє рушійну деформацію, порушення когерентності й утворення міжфазної границі (див. рис. 3.6). Унаслідок цього когерентний ріст стає неможливим.

Рис. 1. Схематичне зображення співвідношень між ґратами вихідної (I) і нової (II) фаз: а – безперервний перехід ґрат фази I у ґрати фази II (когерентний зв'язок); б – невпорядкованість на границі, що приводить до порушення когерентного зв'язку