什么是spinodal分解?

[拼音]：spinodal fenjie

[外文]：spinodal decomposition

或译为亚稳分域、调幅分解、隐晶分解、亚稳相分解。在一定合金系统中，固溶体经适当热处理之后，分解为成分不同的微小区域相间分布的组织。这些小区域的溶质含量沿一个方向形成一定的波形分布，波峰处成分高于平均成分，波谷处成分低于平均成分。这些富区与贫区保持原固溶体的晶体结构，相同成分区域之间的距离（即分域或调幅波长）一般在 50～1000┱之间。此种由成分调幅的微小区域组成的不均匀组织，称为亚稳分域组织，此分解过程称为spinodal分解。这种分解不需形核势垒，只是通过固溶体中出现的成分涨落(起伏)波的生长进行的。生长由上坡扩散控制。图1为Cu-Ni-Fe合金经spinodal分解后形成的亚稳分域组织，其中白色区域为富铜区（见金属中的扩散）。

spinodal分解的概念是吉布斯 （J.W.Gibbs）首先引入的。在1940年，布喇德雷（A.G.Bradley）在淬火并在两相区中退火的Cu-Ni-Fe 合金中发现在X射线布喇格(Bra-gg)衍射峰的两侧出现有侧带结构(或称卫星条带)，首次在结构上证实了在固溶体中发生spinodal分解。

在许多合金系统中，如Al-Zn、Al-Ag、SmCo5-xCux、Fe-Cr-Co、Cu-Ni-Sn 等系统中皆存在有 spinodal分解。许多玻璃系统，如 Na2O-SiO2、B2O3-PbO、V2O5-P2O5、SnO2-TiO2等系统中的 spinodal分解也进行了广泛的研究。有的合金在时效初期，GP区的形成也具有spinodal分解的性质。

由于spinodal分解能形成高度弥散的不均匀结构，目前已成为对金属材料及非金属材料进行热处理所经常利用的固态相变之一。

考虑一个简单的含有固态两相区的二元系相图，见图2。在固溶间隙区之上的T1温度，固溶体的自由能G(C)随成分变化的情况如图3所示。在此条件下，在体系的全部成分范围内，单相固溶体是稳定的，自由能曲线呈凹处向上。在温度Tc，自由能曲线的中间一段显示出平直线，此温度称为汇溶温度。在Tc以下的任一温度T2，自由能曲线的中间一段向上弓起，自由能曲线可划分为三段，两端的曲线凹处向上，中间一段凹处向下，在凹处向上两段的公切线(图3未画出)两切点Cα'及Cα''之间即为不互溶区，即固溶间隙区，成分位于此区间的合金，在Tc温度以下处于平衡态时，将分解为成分为Cα'及Cα''的两个相。在曲线的凹处向上部分与曲线的凹处向下部分的交接处，即曲线的曲率变更符号的拐点处，其二阶偏导数，


各个温度满足此关系的点的轨迹线称为化学拐点线，在图2中用虚线表示。在拐点线之内，


；在拐点线之外，


拐点线的重要意义是，它将固溶间隙区划分为不稳定区与亚稳定区两部分，其内为不稳定区，其外为亚稳定区。此结论可通过微小成分涨落引起的自由能变化的情况来说明。

固溶体发生spinodal分解时，无形核势垒，只是溶质原子发生上坡扩散。溶质原子进行上坡扩散的结果，使成分起伏的振幅增加，当波幅达到饱和值后，波形逐渐向矩形波形状改变，最后达到矩形调幅波，如图4所示。

扩散系数愗与原子迁移率M及


之间的关系为：

式中M总是正值，因此愗与


同符号，由此可知，在拐点线之内，扩散系数愗为负值，扩散是上坡扩散；而在拐点线之外，愗为正值，扩散为下坡扩散。

在d性各向异性的介质中，不同方向具有不同的Y值


Y＝E/(1-v)，E为固溶体的d性模量，v为泊松比


，调幅波沿着Y小的方向排列，见图1。

形核长大型的脱溶分解与spinodal分解的主要区别如下。

参考书目

C. N. R. Rao， K. J. Rao， Phase Transitions in Solids，McGraw-Hill， New York， 1978.G. W. Cahn，Trans. Met. Soc. AIME， 242， P. 166， 1968.J. E. Hilliard， Phase Transformations， ASM，pp. 497～560， Chapman & Hall， London， 1970.