Las estructuras de transformación de espinoidal

Las estructuras de transformación de espinoidal TRANSFORMACIÓN espinodal es una reacción de fase de separación que se produce a partir del comportamiento cinético descrito por primera vez por Gibbs en su tratamiento de la estabilidad termodinámica de las fases o supe congelados sobresaturada. Es no implica un paso de nucleación, que es el mecanismo de nucleación y crecimiento clásica (fig. 1a) de precipitados de una solución sólida meta estable. En cambio, las reacciones espinodal implica desmezcla espontánea o agrupación por difusión de átomos, donde se forma una estructura de dos fases de crecimiento espontáneo de las fluctuaciones de la composición de los pequeños (fig. 1b). El resultado es la descomposición homogénea de una fase única sobresaturada en dos fases que tienen esencialmente la misma estructura cristalina (pero diferente composición) como la fase principal. Estructuras espinodal se caracterizan por lo que ha sido descrito como un tejido o "Tweedy" estructura (Ref. 3). La precipitación se produce en direcciones cristalográficas preferenciales, proporcionando un patrón geométrico evidente en dos o tres direcciones. Fig. 1 Dos secuencias para la formación de una mezcla de dos fases por procesos de difusión. (a) nucleación clásica y el crecimiento. (b) espinodal descomposición. Fuente: Adaptado de Ref. 1, 2 La teoría subyacente de la descomposición espinodal sólo se describen brevemente en este artículo. Los lectores deben consultar Ref. 1, que es la clásica revisión de descomposición espinodal por Cahn. Se proporciona una visión básica sobre el proceso y cómo se puede entender el uso del concepto de la energía del gradiente. El concepto de energía gradiente (que es la energía asociada con una interfaz difusa) en la descomposición espinodal desempeña una función equivalente a la energía interfacial en la nucleación y crecimiento reacciones para establecer la escala de longitud y engrosamiento de conducción.

Cuando una fluctuación composición tiene una gran longitud característica, el crecimiento (o amplificación) de la fluctuación es lento debido a las distancias de difusión son muy largas. Cuando la fluctuación composición tiene una longitud de onda muy corta, el crecimiento de la fluctuación es suprimida por el gradiente de energía llamada o energía superficial de las interfaces difusos o incipiente que se forman durante la separación de fases. Por lo tanto, la microestructura que se desarrolla durante la descomposición espinodal tiene una periodicidad característica que es típicamente de 2,5 a 10 nm (25 a 100 Å) en los sistemas metálicos. El mecanismo espinodal proporciona un modo importante de la transformación, la producción de uniformes, a escala fina, mezclas de dos fases que pueden mejorar las propiedades físicas y mecánicas de las aleaciones comerciales. Descomposición espinodal ha sido especialmente útil en la producción de materiales de imán permanente, ya que las morfologías favorecer coercivities altas. La estructura puede ser optimizada por el procesamiento termo mecánico, el envejecimiento de paso, y el envejecimiento magnético. Separación de fases continuas o descomposición espinodal parece ser importante en los Alnicos clásicos y aleaciones de Cu-NiFe, así como en los desarrollados recientemente Fe-Cr-Co materiales. Descomposición espinodal proporciona un método práctico de producir materiales nano fase que puede tener mejores propiedades mecánicas y físicas. Teoría de la descomposición espinodal Un diagrama de fase binario simple con una región de la descomposición espinodal se muestra en la fig. 2 (a) con una energía libre correspondiente curva (fig. 2b). Si una composición X0 se calienta por encima de la temperatura crítica (Tc), el sistema binario está en la región de solubilidad completa sólido con un solo campo de fase (α0) a temperatura T0. Cuando la temperatura desciende por debajo de la temperatura crítica, un hueco de miscibilidad existe cuando una microestructura homogénea de una fase ya no es estable y se forma una estructura de dos fases (α1 + α2). El límite de la fase en el diagrama de fase a la temperatura T 'está dada por el lugar geométrico de los puntos de tangencia común para las composiciones de equilibrio de dos

Fig. Regiones 2 de descomposición espinodal y nucleación clásica y el crecimiento de precipitados. (a) Fase diagrama con una brecha miscibilidad. (b) La variación en la energía libre con la composición para el sistema mostrado en (a) a la temperatura T '. Fuente: Ref. 2

Cuando la composición de X0 es a temperatura TN en un meta estable (no equilibrio) condición, el estado es uno de subenfriamiento pequeña o baja la sobresaturación. El estado meta estable se mueve hacia el equilibrio mediante la formación de una segunda fase, pero debido a esta condición sobresaturada es baja (o no lejos de la condición de equilibrio), la aparición de una segunda fase requiere fluctuaciones relativamente grandes localizados composición. Este es el proceso de nucleación clásica, cuando la iniciación requiere de un "núcleo fundamental" de tamaño para un mayor crecimiento de la nueva fase. En contraste, si el α0 solución sólida composición X0 está a una temperatura inferior (por ejemplo, Ts), entonces la condición sobresaturada es mayor, y la iniciación del crecimiento de dos fases puede producirse a partir de las fluctuaciones de la composición más pequeñas. En particular, el área de la descomposición espinodal define una región de separación de fases, donde una cinética especial proceso provoca la formación de fase de las fluctuaciones de composición muy pequeñas. No es una región nueva fase, sino más bien una región con una diferencia en la estabilidad termodinámica definido por los puntos de inflexión (∂ 2G / ∂ X2 = 0) de la energía libre (Fig. 2b). La tasa de la cinética y la reacción de descomposición espinodal son controladas por la velocidad de migración atómica y distancias de difusión, que dependen de la escala de descomposición (subenfriamiento).

El proceso de cinética de descomposición espinodal se ilustra en la figura. 1 (b), donde una pequeña fluctuación en la composición se amplifica por difusión hacia arriba (representada por las flechas). La razón para la difusión hacia arriba se puede entender cuando se considera que la dirección de migración atómica está gobernada por el gradiente de potencial químico no, por el gradiente de concentración como se indica por la primera ley de Fick. Migración Atómica se producirá desde la región de alto potencial químico a la región de bajo potencial químico. Como se muestra en la fig. 3, el potencial químico dentro de la espinodal (puntos de inflexión de la curva de energía libre) disminuye a medida que aumenta la composición, lo que ilustra que las especies atómicas dentro de la química espinodal migrarán de baja concentración a la alta concentración. Regiones que rodean las fluctuaciones de la composición amplificados se agotan, como se difunde soluto hasta el gradiente de concentración. Estas regiones localmente agotados luego dará lugar a regiones amplificadas adicionales adyacentes a la región localmente empobrecido (Fig. 1b). Fig. 3 libre energía curva que ilustra el cambio en el potencial químico con la composición. Fuente: Ref. 2 En la región de la nucleación y crecimiento clásica, la descomposición en una mezcla de dos fases sólo puede ocurrir cuando la nucleación se permite que comienzan en el tamaño de los núcleos crítico. En esta región de dos fases por encima de la "química espinodal" línea, la composición pequeño decaimiento fluctuaciones por el proceso más común de bajada de difusión (fig. 1a). La difusión cuesta abajo puede entenderse considerando la figura. 3 y teniendo en cuenta que fuera de la espinodal, disminuye el potencial químico a medida que disminuye la composición. Así, la difusión en esta región implica la migración atómica de las zonas de alta concentración a baja concentración, y cualquier composición decae pequeñas fluctuaciones. Debido a estado sólido resultados de la descomposición espinodal en dos fases con la misma estructura cristalina, la retícula debe permanecer constante. Si los radios atómicos de las especies presentes en una estructura espinodal variar apreciablemente, a continuación, las cepas de coherencia estará presente. Si la tensión inducida en la red es significativo, el sistema puede ser estabilizado frente a la descomposición (Ref. 4). Esto da como resultado una estabilización de la curva de desplazamiento espinodal y la brecha miscibilidad por debajo de la espinodal química, definiendo así la coherente espinodal y la brecha miscibilidad coherente (ver fig. 4). Fig. 4 Miscibilidad brecha. Región 1: α homogénea es estable. Región 2: α homogénea es meta estable, sólo fases incoherentes puede nucleada. Región 3: α meta estable homogénea, coherente puede fase nucleada. Región 4: homogénea α inestable descomposición, espinodal se produce. Fuente: Ref. 4

La longitud de onda (λ) de las fluctuaciones de la composición (ΔC) puede entenderse considerando la expresión de la onda composición que se derivó considerando la ecuación de difusión y la energía de gradiente (Ref. 1) (energía asociada con interfaces difusas): El factor de amplificación, R (β), tiende a ser un máximo a longitudes de onda intermedias. A longitudes de onda grandes de fluctuación composición, distancias de difusión son los resultados de crecimiento muy largo y lento. En longitudes de onda muy cortas de la fluctuación de la composición, una energía o la energía del gradiente de la superficie asociada con interfaces difusas dominará y suprimirá la amplificación de la fase de variación composición separada o estructuras espinodal causar efectos de difracción llamados "satélites" o "bandas laterales" donde las reflexiones fundamentales están flanqueadas por la intensidad de máximos secundarios (fig. 5). La dispersión difusa que provoca que los satélites es una consecuencia de la variación periódica en parámetro de red y / o factor de dispersión. En el espacio recíproco, la distancia entre la reflexión fundamental y los máximos secundarios están inversamente relacionados con la longitud de onda de las ondas de la composición en el sólido. La cinética de una reacción espinodal puede ser cuantitativamente estudió utilizando un pequeño ángulo de rayos X y dispersión de neutrones, mediante la supervisión del cambio en la distribución de intensidad alrededor de la viga directa. Fig. 5 El área seleccionada patrón de difracción de Cu-15Ni-8Sn aleación de satélites que muestra la estructura de la modulación. Fuente: Ref. 5