Гомогенизация (металлургия)

Феноменология

При гомогенизации происходит растворение избыточных фаз, выравнивание химического состава.

Термодинамика

$G=H-TS$

При гомогенизации главная движущая сила - увеличение энтропии. Понижение энтальпии связано с тем, что растворяются избыточные фазы, имеющие повышенную энергию.

Кинетика

Основной механизм - диффузия, соответственно поток диффузии пропорционален градиенту концентрации:

$J\sim{\frac{\Delta c}{dx}}=grad(c)$

,

где J - диффузионный поток, c - концентрация примеси. Чем больше градиент концентрации, тем быстрее будет проходить гомогенизация. Все значимые изменения происходят в течение 1-2 часов. Скорость диффузии зависит от коэффициента диффузии:

$D=D_0\exp\Bigl({\frac{-Q}{RT}}\Bigr)$

.

Пути ускорения процесса:

1. Поднять температуру - не годится, чрезмерный рост зерна, опасность пережога.
2. D₀ (коэффициент самодиффузии) и Q (энергия активации диффузии) - характеристики материала, управлять ими не удастся.

Другой выход: гомогенизация на разные элементы требует разного времени. Чем меньше D₀ и больше Q у элемента, тем больше ему времени требуется на гомогенизацию. Углерод по сравнению с железом имеет Q в 2 раза меньше, а D₀ больше на 4 порядка. Абсолютное большинство легирующих элементов имеют D₀ меньше, а Q - больше. Скорость диффузии углерода на 5 порядков больше, чем скорость диффузии металлических атомов, в результате сталь гомогенизируется по углероду в течение 1-2 секунд при охлаждении. Отсюда 2 следствия:

1. Углеродистые стали не гомогенизируют.
2. Гомогенизируют легированные стали на атомы, растворенные по типу замещения (хром, никель, молибден, вольфрам, титан).

Механизм

• Выравнивание химсостава внутри раствора происходит за счет решеточной диффузии.
• Из-за разности концентраций легирующего элемента на границе твердого раствора и второй фазы происходит растворение второй фазы и отток легирующего элемента внуть твердого раствора по градиенту концентраций, вплоть до полного растворения второй фазы.
• Поры образуются при гомогенизации путем захлопывания вакансионных дисков и последующего роста.
• Зерна растут по механизму собирательной рекристаллизации.
• Еще один вариант механизма гомогенизации - выравнивание химсостава внутри раствора за счет массопереноса в результате ИПД (интенсивной пластической деформации), например в ходе равноканального углового прессования.