Формирование структуры материалов.
Свойства материалов в значительной степени зависят не только от их состава, но и от структурных особенностей. Так, при рассмотрении раздела «Дефекты кристаллического строения» мы отмечали, что механические и электрические свойства материалов зависят от размера зерен и плотности дислокаций. Кроме того, свойства материалов существенно зависят от фазового состава материала и размера частиц фаз. Важно отметить, что фазовый состав материала может не совпадать с равновесным фазовым составом, определяемым диаграммой состояния.
В процессе получения или обработки любого материала в нем происходят те или иные фазовые превращения. В зависимости от особенностей развития этих превращения появляется возможность изменять структуру материала, а, следовательно, и его свойства.
Наиболее важными из фазовых превращений являются:
кристаллизация - переход жидкой фазы в твердую;
конденсация - переход газообразной фазы в твердую;
превращения структуры в твердом состоянии (изменение типа решетки - полиморфные превращения, изменение растворимости фаз при изменении температуры, мартенситное превращение, упорядочение твердых растворов и так далее);
изменение плотности дислокаций и размера зерен при нагреве деформированных материалов.
Несмотря на различия во всех фазовых превращениях в их основе лежат одни и те же закономерности. Понимание этих закономерностей позволяет предсказывать свойства материалов при различных способах их обработки, а также целенаправленно использовать различные особенности обработки для получения нужных свойств материалов.
Любое фазовое превращение можно рассматривать как результат развития двух процессов: образования зародышей новых фаз и рост этих зародышей. Соответственно, основными параметрами процесса являются: n [см-3/с] – скорость зарождения частиц новой фазы, т.е. число частиц новой фазы возникающих за единицу времени в единице объема; с [см/с] – линейная скорость роста этих зародышей. В зависимости от соотношения скорости образования зародышей и скорости их роста формируются различные структуры материала. Поэтому понимание природы образования и роста зародышей новых фаз чрезвычайно важно для целенаправленного изменения структуры материалов.
Термодинамической движущей силой любого фазового превращения является стремление системы к уменьшению свободной энергии F или изобарно-изотермического потенциала G. Для протекания фазового превращения свободная энергия единицы объема новой фазы должна быть меньше свободной энергии единицы объема исходной фазы. Однако, это условие необходимое, но недостаточное.
При образовании частиц новых фаз возникают поверхности раздела, обладающие повышенной энергией, что затрудняет превращение. Кроме того, в случае превращения в твердых фазах энергия системы повышается за счет энергии упругих искажений решетки, вызванных разностью удельных объемов исходной и новых фаз. Это также затрудняет превращение.
Итак, в общем виде, суммарное изменение свободной энергии системы при фазовом превращении можно записать следующим образом:
(2)
где F – суммарное изменение свободной энергии, FV, FS, FЕ - изменение свободной энергии связанное с объемной, поверхностной и упругой составляющими. Составляющую FЕ следует учитывать только при рассмотрении фазовых превращений, протекающих в твердом состоянии, поскольку в жидкостях и газах напряжения легко релаксируют.
Рассмотрим развитие фазовых превращений на примере кристаллизации.