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胞区分解

/cellular decomposition/
条目作者刘俊明

刘俊明

最后更新 2023-09-06
浏览 110
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过饱和固溶体发生分解的一种方式。

英文名称
cellular decomposition
所属学科
材料科学与工程

其特征是分解发生在向着母相推进的反应前沿上,分解产物是由两平衡相组成的胞区结构。它们可以呈片状、条状或胞状。胞区分解可以分为3类:共晶凝固、共析分解和胞区沉淀。共晶凝固(见共晶生长)和共析分解在唯象机制上很相似,分解产物中两相都和母相结构不相同;而胞区沉淀产物中有一相与母相结构不同,另一相虽然成分不同于母相,但结构相同而不共格。

胞区分解包括成核、生长和粗化阶段。

胞区分解之初新相成核属于非均匀成核。一般情况下,母相晶界是高溶质新相成核的有利场所。当两相中一个相核心出现并开始长大时,其附近母相出现溶质贫化,从而为低溶质相成核创造了条件。这时新的高溶质相析出可以通过“搭桥”机制而变得容易。

胞区分解中新相与母相两者的成分不相同,其长大过程受溶质原子的长程扩散控制,两相的平均间距决定于溶质扩散过程和反应界面曲率效应间的耦合过程。大的相间距对应于较小的界面曲率,但溶质扩散距离较长,反之则界面曲率很大。因而相间距的选择要服从一个物理规则,仍是一个未完全解决的问题。对于任意一个相间距,当胞区结构是片状(lamellar)和条状(rod)时,相应的稳态反应前沿母相中的溶质扩散场由M.希勒特(Hillert)导出。在考虑了界面能修正后,反应前沿的过冷度可以表示为:


式中为反应界面推进速度;为胞区结构两相间距;为溶质浓度梯度引入的过冷度因子;为界面吉布斯-汤姆孙效应因子。

如果胞区分解是以强制方式进行,则为给定,C.曾讷(Zener)提出应选择一个的特定值,此时为最小,则有。如果胞区分解是在等温等压条件下以自由方式进行,则为恒定,相应地,应选择一个特定值使达到最大,则有

理论上严格证明最小和最大这两个规律的工作在20世纪80年代取得很大进展,例如,J.S.兰格(Langer)证明强制分解系统中最小位置同边缘稳定性原理是一致的。

胞区分解过程中存在一些非线性响应特征。例如反应界面前沿局域孤子波的形成和传播,反映了分解过程中的宇称破缺转变,从而为更深入地理解胞区分解过程开辟了途径。

胞区分解产物的粗化并不是发生在反应界面前沿处。胞区结构中两相交替排列并不是严格的,而是存在很多端结缺陷。设胞区结构中存在一个高溶质相端结,此端结的曲率半径比相间距小,按吉布斯-汤姆孙定理,在此端结附近低溶质相中靠近端结处溶质浓度高于远处区域,从而形成一个浓度梯度。随着扩散进行,高溶质端结就会收缩,导致附近两个高溶质相增厚,局域相间距增大,即粗化。胞区分解产物还存在另一种粗化机制,当在接近平衡温度处保温时,粗的胞区组织可以在原先细胞区组织晶界上形成并伴随晶界移动长大,这一过程可以看成是更高一级的胞区分解。

纤维状胞区分解产物还有可能按二维奥斯特瓦尔德熟化机制粗化,也可能按瑞利失稳机制而发生粗化。

  • 冯端.金属物理学.第二卷.北京:科学出版社,1990.

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