Горофилен данный элемент или горофобен в конкретном растворителе можно весьма надежно оценить, используя представление об аналогии между строением расплава и неупорядоченной структурой на границе зерен. Из этой аналогии вытекает, что отношение концентраций растворенного элемента в объеме зерна и на межзеренной границе должно быть равно отношению концентраций его в твердом (С,.) и жидком (С) растворах, т. е. равно коэффициенту распределения

C,lC,pCjC = k. (27)

Значение k легко определить по диаграмме состояния вблизи точки плавления основного компонента. Если добавка понижает точку ликвидуса, то < 1 и, следовательно, растворенный элемент должен быть горофилен: концентрация его в расплаве больше, чем в твердом растворе, а на границе зерен больше, чем в теле зерна. Если же добавка повышает точку ликвидуса твердого раствора, то k > \ и, следовательно, растворенный элемент горофобен: концентрация его в расплаве меньше, чем в твердом растворе, а на межзеренной границе меньше, чем в теле зерна. Однако надежных количественных предсказаний степени проявления горофильности или горофобности на основе указанного метода сделать нельзя хотя бы потому, что структура границ зерен не тождественна структуре жидкого раствора.

Равновесная сегрегация горофильного элемента или, наоборот, обеднение приграничной зоны горофобным элементом может сильно влиять на зарождение новой фазы по границам зерен, причем в принципе возможно и облегчение, и затруднение здесь фазового превращения. Особенно важно то, что при незначительном общем содержании горофильного элемента в сплаве концентрация его в растворе на межзеренной границе может быть достаточно велика, чтобы повлиять на фазовое превращение. Разные плавки сплава одной и той же марки в силу случайных обстоятельств содержат неодинаковое количество неконтролируемых обычными методами анализа горофильных примесей, и поэтому эти плавки могут существенно различаться по скорости зарождения новой фазы на границах зерен. Из-за равновесной сегрегации на фазовые превращения сильно влияют специально вводимые малые, гомеопатические добавки, например, добавки бора, тысячные доли процента которого затрудняют распад аустенита по межзеренным границам.

Границы зерен влияют не только на зарождение, но и на скорость роста зародыша новой фазы. Если новая фаза отличается от исходной по химическому составу, то диффузионный рост ее зародышей по границам зерен идет быстрее, чем в теле зерна. Это объясняется тем, что, как известно, скорость диффузии по границам зерен, где строение металла &)лее рыхлое , выше, чем в объеме зерен. Энергия активации зернограничной диффузии примерно вдвое меньше, чем у объемной диффузии. Так как величина энергии активации входит в показатель степени в формуле температур-

йой зависимости коэффициента диффузии (D = Ле-с/Г), то указанная разница в значениях энергии активации обусловливает большое различие в коэффициентах граничной и объемной диффузии. Например, у у-железа при 1000° С коэ<ициент самодиффузии по границам зерен в 10 раз больше, чем внутри их.

Роль границ зерен в диффузионном превращении возрастает с понижением температуры в связи с тем, что диффузионная подвижность в объеме зерен становится весьма низкой. Границы зерен начинают заметно влиять на скорость диффузионных фазовых превращений при температурах ниже 0,75 Гпл-

2i Зарождение на дислокациях

Вокруг дислокации существует поле упругих напряжений. Например, в случае краевой дислокации под краем неполной атомной плоскости находится область растяжения, а над этим краем- область сжатия. Поэтому структурное несоответствие зародыша и исходной фазы может быть частично или полностью скомпенсировано дислокацией, что служит одной из причин предпочтительного образования на дислокациях зародашей с полукогерентными и некогерентными границами. При образовании такого зародыша упругая энергия решетки исходной фазы в некоторой области вблизи линии дислокации уничтожается. Это значит, что в формуле (24) слагаемое AFynp имеет минус: упругая энергия дислокации способствует зарождению, суммируясь с движущей силой превращения Af об- По одной из оценок, в результате этого скорость зарождения на дислокациях в 10* раз больше скорости гомогенного зарождения.

Другая причина предпочтительного зарождения на дислокациях - образование вдоль линий дислокаций атмосфер Коттрелла из атомов растворенного элемента. Если зародыш отличается от исходной фазы повышенным содержанием легирующего элемента, то естественно, что ему легче образоваться там, где уже имеется сегрегация этого элемента. Наконец, энергия активации диффузии вдоль краевых дислокаций примерно вдвое ниже, чем в объеме зерна вдали от дислокаций. Ускоренная диффузия по дислокационным трубкам облегчает диффузионный рост зародышей но-юй фазы, особенно при низких температурах, когда диффузия в объеме зерна исходной фазы становится очень медленной.

3. Зарождение на дефектах упаковки

Дефект упаковки, например в гранецентрированной кубической решетке, является прослойкой гексагональной плотноупа-кованной решетки, и наоборот. Если новая фаза имеет решетку того же типа, что и дефект упаковки, то он может служить готовым зародышем новой фазы. Так как растворимость легирующего элемента в общем случае должна быть разной в решетках разно-

го типа, то атомы перераспределяются между дефектом упаковки и остальной решеткой исходной фазы, образуя атмосферы Суэуки, которые способствуют зарождению фазы, отличающейся по составу от исходной. По этим двум причинам растянутые дислокации, в которых дефект упаковки связывает частичные дислокации, являются местами предпочтительного зарождения новой фазы.

4, Зарождение на включениях

В исходной фазе часто имеются включения окислов, карбидов, нитридов, интерметаллидов и других фаз. Включение могут облегчить зарождение новой фазы по той же причине, что и при гетерогенном зарождении в расплаве: работа образования критического зародыша уменьшается, если поверхностная энергия на границе зародыша с включением меньше, чем с материнской фазой. Это более вероятно в том случае, когда решетка включения изоморфна решетке зародыша.

Включения могут ускорять зарождение не только непосредственно, но и через образование дислокаций. Из-за разницы в термических коэффициентах расширения включений и матрицы при термической обработке вокруг включений могут возникнуть такие напряжения, что в материнской фазе генерируются дислокации, на которых может предпочтительно зарождаться новая фаза.

При затвердевании расплава образование центров кристаллизации т более тугоплавких включениях является основным механизмом гетерогенного зарождения. При превращениях же в твердом состоянии зарождение непосредственно на поверхности включений играет, как правило, второстепенную роль по сравнению с зарождением на разного рода дефектах решетки (границах зерен, субграницах,дислокациях), число которых и протяженность обычно намного больше, чем включений.

5, Зарождение в микронесплошностях

На поверхности усадочных и газовых микропор, микротрещин и других несплошностей, возникающих по границам и внутри зерен при кристаллизации, пластической деформации и термической обработке, а также на открытой поверхности изделия, зарождение новой фазы может быть сильно облегчено, так как здесь отсутствует упругое сопротивление сплошной среды возникновению в ней кристаллов с другим удельным объемом. Эти места предпочтительного зарождения особенно эффективны, когда слагаемое Дупр в формуле (25) велико. Примерами являются зарождение графита в микронесплошностях аустенита и превращение белого олова в серое, начинающееся с открытой поверхности образца.