Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




22.11.2020


22.11.2020


22.11.2020


18.11.2020


17.11.2020


04.11.2020


01.11.2020


01.11.2020


31.10.2020


31.10.2020





Яндекс.Метрика
         » » Гомогенная нуклеация

Гомогенная нуклеация

25.10.2017

Гомогенная нуклеация происходит в участках совершенной кристаллической структуры и не зависит от дефектов кристалла, таких, как вакансии, дислокации и границы зерен. Изложенная выше теория предполагает, что это так и происходит в действительности, и в этом состоит самое общее исходное допущение. Распространение положений теории на гетерогенную нуклеацию, происходящую в предпочтительных позициях, рассматривается в следующем разделе.
Природа поверхности раздела между двумя фазами определяется их структурными соотношениями. Если обе фазы имеют близкие структуры, новая фаза может быть ориентирована в матрице так, что решетки по обе стороны поверхности раздела будут хорошо согласовываться друг с другом. Если эти две структуры совершенно различны, может оказаться невозможным достижение какой-либо непрерывности структуры поперек поверхности раздела. Степень согласованности решеток на поверхности раздела описывается термином когерентность. Рис. 5.12 иллюстрирует значение терминов «когерентный», «полукогерентный» и «некогерентный», как они применяются в данном контексте.

Поверхности раздела с хорошим согласованием решеток имеют более низкие поверхностные энергии, чем поверхности с плохим согласованием. Следовательно, когерентные нуклеусы будут обладать более низкой активационной энергией для нуклеации, чем полукогерентные или некогерентные нуклеусы. Это схематически показано на рис. 5.13. Для любой данной пары фаз наилучшая энергетическая ситуация существует тогда, когда фазы ориентированы относительно друг друга таким образом, что достигается наилучшее согласование решеток. Поскольку большинство минералов анизотропны (структуры в разных направлениях различны), некоторые поверхности раздела между новой фазой и матрицей будут иметь более низкую поверхностную энергию, чем другие. Новая фаза будет стремиться расти таким образом, что для каждого данного объема образовавшейся фазы общая поверхностная энергия будет сводиться к минимуму за счет преимущественного роста этих поверхностей с минимальной энергией. Это приводит к определенной морфологии и соотношениям ориентировки между фазами. Имеется множество примеров распада в минералах, когда выделившаяся фаза принимает форму ориентированных пластин внутри матричной фазы. Это свидетельствует о том, что такие пластинки первоначально образовались с высокой степенью когерентности.
Наконец, рассмотрим происхождение члена напряжения в уравнении (5.1) и факторы, определяющие его величину. Мы опять коснемся природы поверхности раздела между фазами, но на этот раз нас будет интересовать степень рассогласования на этой поверхности. В качестве иллюстрации на рис. 5.14, а показана когерентная поверхность раздела с полностью согласованными решетками. В этом случае член энергии напряжения равен нулю. На рис. 5.14, б поверхность раздела также когерентна и решетки на ней не претерпевают разрыва, но небольшое различие в параметрах решеток вызывает упругие напряжения и, следовательно, положительную энергию напряжения. Когда степень несоответствия решеток становится слишком большой, связи в этом месте разрываются, образуя полукогерентную поверхность раздела (рис. 5.14, в). Это уменьшает энергию напряжения, но увеличивает член поверхностной энергии. При полностью некогерентной поверхности раздела энергия упругого напряжения исчезает, а член поверхностной энергии достигнет максимума.

Само по себе сокращение члена энергии напряжения приведет к снижению активационной энергии для нуклеации во многом таким же образом, как и уменьшение члена поверхностной энергии. Однако, как можно видеть из вышеизложенного, эти два члена не вполне независимы друг от друга. Когерентной поверхности, по-видимому, свойственны большая энергия напряжения и меньшая поверхностная энергия, чем некогерентной поверхности, где наблюдается обратная ситуация. Таким образом, в любой системе между этими двумя энергетическими членами должен быть достигнут компромисс, и наиболее энергетически благоприятной будет такая их комбинация, при которой сумма этих членов будет иметь минимальную положительную величину.
Баланс между этими двумя членами будет зависеть от констант упругости и размера частиц новой фазы. Хотя детальное исследование выходит за рамки настоящей книги, мы можем оценить общую ситуацию, рассмотрев типичный случай выпадения (осаждения) мелких пластинок из материнского твердого раствора. Если принять, что форма растущей пластинки такова, что отношение ее радиуса r к толщине t постоянно, то можно показать, что член поверхностной энергии будет пропорционален t2. Член энергии напряжения пропорционален t3. При когерентном осаждении член поверхностной энергии пренебрежимо мал, так что энергия, подавляющая нуклеацию, будет пропорциональна t3 для когерентного нуклеуса, и t2 для некогерентного. Как схематически показано на рис. 5.15, функция t3 для малых значений t имеет меньшую величину, и поэтому следует что на ранних стадиях образования осажденной фазы наиболее вероятна когерентная поверхность раздела. Толщина, при которой когерентность теряется и некогерентные частицы становятся более стабильными, зависит от различия структур выделившейся и материнской фаз, а также от упругих свойств обеих фаз.
Последнее замечание, которое мы сделаем в данном разделе, касается формы и ориентировки зарождающейся фазы. Выше уже отмечалось, что преимущественный рост поверхностей с минимальной энергией приводит к определенной морфологии и ориентировке. Энергетический член напряжений может также влиять на окончательную морфологию и ориентировку благодаря анизотропии упругих свойств матрицы. При полностью когерентном осаждении (например, выделение фазы с такой же структурой, как и у матрицы, но с несколько другим составом) разрастание новой фазы будет происходить на плоскостях, перпендикулярных «мягким» (в отношении упругих свойств) направлениям в матрице. При некогерентном выделении некоторая энергия напряжения возникает вследствие небольших различий в объеме фаз, и в анизотропной матрице энергия напряжения будет зависеть от формы частиц выделяющейся фазы.