2.1.6　組織粗化

在轉變的后期，系統中新相的總量將逐步趨近于平衡相圖所給定的數量，但這并不意味著轉變的進程已經完結。大量核心的形成和長大使轉變產物中存在大量界面，相當數量的自由能以界面能的形式存在。它們是組織粗化的主要驅動力。

2.1.6.1　彌散沉淀相的粗化——奧斯瓦爾德（Ostwald）熟化

在相界面為曲面的情況下，靠近相界面的母相中溶質原子的平衡濃度與曲線的曲率半徑有關，可由下式表示：

　　（2-31）

式中，C_α（r）及C_α（∞）為β相顆粒半徑為r和∞時溶質原子B在母相α中的溶解度；σ為界面能；V_B為β相的摩爾體積。這一關系稱為吉布斯-湯姆斯（Gibbs-Thomson）定律?？梢?，β相半徑r越小，溶質原子在基體相中的溶解度越大。

設想在固態相變過程中，球形新相細小彌散，大小不等，且顆粒間的平均距離d遠大于顆粒直徑2r，如圖2-19所示，在半徑不同的兩個β相附近的母相α中，B原子濃度呈現差異，即C_α（r₁）＞C_α（r₂）。在此濃度梯度的作用下，B原子將從小顆粒周圍向大顆粒附近擴散，于是在兩個相附近B原子濃度不再平衡。擴散的結果是小顆粒逐漸溶解，大顆粒不斷吸收來自小顆粒的溶質原子而長大，同時顆粒之間的距離將增加，這種粗化稱為奧斯瓦爾德（Ostwald）熟化。

2.1.6.2　片狀和纖維狀組織的粗化

片狀組織（例如珠光體）的相界面為平面。

由于界面狀態與平面的任何微小的偏離都會導致界面面積的增大，所以片狀組織是相當穩定的。但是片狀組織的排列難免存在缺陷，它們往往成為片狀組織粗化的發源地。圖2-20為一個β相片層終止在周期排列的片狀組織內部形成一個缺陷的示意圖。片層終止處有條棱邊，按照吉布斯-湯姆斯效應，在棱邊附近母相α的B原子濃度高于其他區域。這種濃度梯度將導致如圖2-20中箭頭所示的B原子擴散流。結果將使中斷的片層縮短，而附近的兩個β片層加厚。

片狀組織的另一種粗化機制是球化。片狀珠光體由滲碳體片和鐵素體片組成。在滲碳體片中存在著的亞晶界處形成微觀的溝槽，如圖2-21所示。該溝槽處的曲率半徑顯然小于平面，將富集碳原子，從而在鐵素體內產生碳的擴散。隨著擴散的不斷進行，溝槽將進一步加深，直至溶斷，并逐步球化。

纖維狀組織的粗化較多地表現為以下兩種方式：一是二維奧斯瓦爾德熟化，即細纖維附近溶質原子向粗纖維附近擴散，細纖維不斷變細，粗纖維不斷變粗。二是瑞利（Reyleigh）失穩，它原指一根粗細均勻的圓柱形液體將破碎成一連串球形液滴。對于纖維狀組織，局部區段上直徑的某些微小漲落可以在保持纖維體積不變的條件下使界面面積減小，從而導致纖維斷裂。圖2-22示出纖維直徑為d，長度為l的單根纖維的失穩情況。對于無限長的纖維，由于瑞利失穩纖維最終將變成一列圓球，球的直徑和間距λ取決于界面能和擴散系數［圖2-22（a）］。如果纖維很短，l/d＜7.2，那么它將逐步收縮為一個圓球［圖2-22（b）］。對于l/d＞7.2的有限長纖維，失穩演變的最快途徑將是依次在桿的端部形成一個一個圓球，并與纖維脫開［圖2-22（c）］。如果纖維中存在晶界，或者在包圍纖維的基體中存在與纖維相交的一組平行晶界，那么由于晶界擴散的幫助，纖維傾向于沿這些界面逐步斷開，并逐段縮聚成球，類似片狀珠光體的球化［圖2-22（d）］。