金屬學與熱處理第二章

1、遼寧工程技術(shù)大學遼寧工程技術(shù)大學材料科學與工程學院材料科學與工程學院金屬學與熱處理金屬學與熱處理第二章第二章純純 金金 屬屬 的的 結(jié)結(jié) 晶晶材料科學與工程學院材料科學與工程學院內(nèi)內(nèi) 容容 提提 示示 金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固凝固，凝固后形成晶體，則稱為凝固后形成晶體，則稱為結(jié)晶結(jié)晶。金屬的結(jié)晶是。金屬的結(jié)晶是鑄錠、鑄件及焊接件生產(chǎn)中的重要過程，基本鑄錠、鑄件及焊接件生產(chǎn)中的重要過程，基本上上決定了工件的組織和性能決定了工件的組織和性能；對尚需加工的鑄；對尚需加工的鑄錠，直接影響軋制和鍛造工藝性能及制成品的錠，直接影響軋制和鍛造工藝性能及制成品的使用性能

2、。使用性能。 液相向固相轉(zhuǎn)變也是相變過程，本章在液相向固相轉(zhuǎn)變也是相變過程，本章在不考慮其它因素的情況下，主要不考慮其它因素的情況下，主要討論小體積液討論小體積液態(tài)純金屬結(jié)晶的一般規(guī)律，為進一步分析研究態(tài)純金屬結(jié)晶的一般規(guī)律，為進一步分析研究金屬及合金的結(jié)晶打下基礎(chǔ)金屬及合金的結(jié)晶打下基礎(chǔ)。材料科學與工程學院材料科學與工程學院金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)2-1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象1金屬結(jié)晶的熱力學條件金屬結(jié)晶的熱力學條件 2晶核的形成晶核的形成4金屬結(jié)晶的的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的的結(jié)構(gòu)條件35金屬鑄錠組織金屬鑄錠組織6晶核的長大晶核的長大5材料科學與工程學院材料科學與工程學院學習目標學習

3、目標掌握晶核長大形式及長大的條件掌握晶核長大形式及長大的條件,熟悉控熟悉控制晶粒長大的措施制晶粒長大的措施熟悉純金屬鑄錠的組織特點熟悉純金屬鑄錠的組織特點熟悉結(jié)晶的基本規(guī)律；掌握純金屬結(jié)晶熟悉結(jié)晶的基本規(guī)律；掌握純金屬結(jié)晶時形核的能量條件及結(jié)構(gòu)條件時形核的能量條件及結(jié)構(gòu)條件材料科學與工程學院材料科學與工程學院學習重點和難點學習重點和難點晶核長大形式及長大的條件晶核長大形式及長大的條件純金屬結(jié)晶時形核的能量條件純金屬結(jié)晶時形核的能量條件及結(jié)構(gòu)條件及結(jié)構(gòu)條件材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-1 2-1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象一、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象一、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象 在環(huán)境溫度保持不

4、變的情況下，把液態(tài)金屬放在環(huán)境溫度保持不變的情況下，把液態(tài)金屬放在坩鍋內(nèi)以緩慢均勻的速度冷卻，記錄溫度與時間，在坩鍋內(nèi)以緩慢均勻的速度冷卻，記錄溫度與時間，然后將數(shù)據(jù)繪在然后將數(shù)據(jù)繪在 “ 溫度溫度時間時間 ”坐標中坐標中冷卻曲線冷卻曲線熱分析法熱分析法材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-1 2-1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象TmTn 金屬由液體冷凝成固體金屬由液體冷凝成固體時要放出時要放出凝固潛熱凝固潛熱，如這一熱，如這一熱量量恰好能補償系統(tǒng)向環(huán)境散失恰好能補償系統(tǒng)向環(huán)境散失熱量熱量，凝固將在恒溫下進行。，凝固將在恒溫下進行。 平臺所指示的溫度就是實平臺所指示的溫度就是實際凝固（際凝固

5、（結(jié)晶）溫度結(jié)晶）溫度（以（以Tn表表示）。示）。過冷過冷（一）過冷現(xiàn)象（一）過冷現(xiàn)象 實驗表明純金屬的實際凝固溫度實驗表明純金屬的實際凝固溫度Tn總比其熔點總比其熔點Tm低，這種液態(tài)金屬在熔點以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)低，這種液態(tài)金屬在熔點以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象叫做象叫做過冷過冷。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-1 2-1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象 金屬實際結(jié)晶溫度金屬實際結(jié)晶溫度Tn與理論結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度Tm之差之差(T= Tm- Tn)，稱為，稱為過冷度過冷度，用，用T表示。表示。T大小取決于大小取決于1、液態(tài)金屬的本性，金屬不同，、液態(tài)金屬的本性，金屬不同，T也不同；也不同；

6、2、純度越高，、純度越高， T 越大；越大；3、冷卻速度越快，、冷卻速度越快，T越大。越大。但無論多慢也不可能在但無論多慢也不可能在Tm溫度溫度結(jié)晶。結(jié)晶。結(jié)晶的必要條件結(jié)晶的必要條件 過冷過冷 TmTn材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-1 2-1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象（二）結(jié)晶潛熱（二）結(jié)晶潛熱1 摩爾物質(zhì)從一相轉(zhuǎn)變成另一相時，伴隨放出或吸收摩爾物質(zhì)從一相轉(zhuǎn)變成另一相時，伴隨放出或吸收的熱量稱為的熱量稱為相變潛熱。相變潛熱。分熔化潛熱和結(jié)晶潛熱（凝分熔化潛熱和結(jié)晶潛熱（凝固潛熱）。固潛熱）。u在等溫等壓條件下，由于結(jié)晶引起在等溫等壓條件下，由于結(jié)晶引起熱焓的變化，稱為系統(tǒng)向環(huán)境

7、釋放的熱焓的變化，稱為系統(tǒng)向環(huán)境釋放的熱能，這部分熱能即結(jié)晶潛熱熱能，這部分熱能即結(jié)晶潛熱TmTnT結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱如果金屬放出結(jié)晶潛熱恰好能補償散如果金屬放出結(jié)晶潛熱恰好能補償散失到周圍的熱量，凝固將在恒溫下進失到周圍的熱量，凝固將在恒溫下進行，于是出現(xiàn)平臺。結(jié)晶從第一轉(zhuǎn)折行，于是出現(xiàn)平臺。結(jié)晶從第一轉(zhuǎn)折點開始至第二轉(zhuǎn)折點結(jié)束。持續(xù)時間點開始至第二轉(zhuǎn)折點結(jié)束。持續(xù)時間即為結(jié)晶時間。即為結(jié)晶時間。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-1 2-1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象二、金屬結(jié)晶的微觀過程二、金屬結(jié)晶的微觀過程如果結(jié)晶潛熱大于向周圍環(huán)如果結(jié)晶潛熱大于向周圍環(huán)境散失的熱量，則溫度會回境散

8、失的熱量，則溫度會回升，甚至出現(xiàn)局部重熔現(xiàn)象。升，甚至出現(xiàn)局部重熔現(xiàn)象。結(jié)晶過程就是不斷形成具有結(jié)晶過程就是不斷形成具有某一臨界尺某一臨界尺寸的晶核寸的晶核，然后晶核在不斷凝聚液體中，然后晶核在不斷凝聚液體中的原子的原子凝聚長大凝聚長大的過程。的過程。結(jié)晶的普遍規(guī)律：結(jié)晶的普遍規(guī)律：不斷形核和晶核不斷長大的過程。不斷形核和晶核不斷長大的過程。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-1 2-1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象結(jié)晶過程示意結(jié)晶過程示意首先在液體中出現(xiàn)一些首先在液體中出現(xiàn)一些微小的晶體，然后以其微小的晶體，然后以其為核心向液體中長大，為核心向液體中長大，與此同時第二批乃至第與此同時第二

9、批乃至第三批晶核又不斷出現(xiàn)，三批晶核又不斷出現(xiàn)，并不斷長大，直至各個并不斷長大，直至各個晶體相互接觸，液體耗晶體相互接觸，液體耗盡。盡。先出現(xiàn)的作為結(jié)晶核心的微小晶體叫晶核。先出現(xiàn)的作為結(jié)晶核心的微小晶體叫晶核。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-1 2-1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象結(jié)晶過程的普遍規(guī)律示意圖結(jié)晶過程的普遍規(guī)律示意圖熔體熔體形核形核長大長大長大長大形成多晶體形成多晶體當過冷液體冷到當過冷液體冷到Tn溫度時晶核并未立即形成，而是溫度時晶核并未立即形成，而是經(jīng)過一定時間，到經(jīng)過一定時間，到Tn時與出現(xiàn)第一批晶核低的時間時與出現(xiàn)第一批晶核低的時間稱為稱為孕育期孕育期。材料科學與

10、工程學院材料科學與工程學院2-1 2-1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象晶粒：結(jié)晶過程中一個晶核所長成的晶體晶粒：結(jié)晶過程中一個晶核所長成的晶體晶界晶界等軸晶粒：晶粒等軸晶粒：晶粒在三維方向上尺在三維方向上尺寸大致相等，近寸大致相等，近似于球狀似于球狀(理想理想的形狀為十四面的形狀為十四面體體)()如果結(jié)晶過程只有一個晶核形成并長大，進行如果結(jié)晶過程只有一個晶核形成并長大，進行成一塊單晶體。成一塊單晶體。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-2 2-2 金屬結(jié)晶的熱力學條件金屬結(jié)晶的熱力學條件金屬為什么不能在理金屬為什么不能在理論結(jié)晶溫度結(jié)晶？論結(jié)晶溫度結(jié)晶？為什么為什么T 不能為不能為0？這

11、是由熱力學條這是由熱力學條件決定的！件決定的！材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-2 2-2 金屬結(jié)晶的熱力學條件金屬結(jié)晶的熱力學條件 根據(jù)熱力學定律，體系自由能俞高，狀態(tài)與不穩(wěn)根據(jù)熱力學定律，體系自由能俞高，狀態(tài)與不穩(wěn)定。在等溫等壓條件下（等溫等容條件下），系統(tǒng)總定。在等溫等壓條件下（等溫等容條件下），系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能高狀態(tài)向自由能較低狀態(tài)轉(zhuǎn)變。是自發(fā)地從自由能高狀態(tài)向自由能較低狀態(tài)轉(zhuǎn)變。 只有自由能降低過程才能自發(fā)地進行只有自由能降低過程才能自發(fā)地進行。金屬的結(jié)晶。金屬的結(jié)晶也是自由能降低的自發(fā)過程。也是自由能降低的自發(fā)過程。吉布斯自由能是表示系統(tǒng)能量的一個狀態(tài)函數(shù)，表示吉布斯自

12、由能是表示系統(tǒng)能量的一個狀態(tài)函數(shù)，表示為：為：TSHGH系統(tǒng)內(nèi)能，系統(tǒng)中各種能量的總和熱焓系統(tǒng)內(nèi)能，系統(tǒng)中各種能量的總和熱焓T熱力學溫度熱力學溫度 S熵熵材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-2 2-2 金屬結(jié)晶的熱力學條件金屬結(jié)晶的熱力學條件自由能均隨溫度和壓力的變化而變化，即：自由能均隨溫度和壓力的變化而變化，即：SdTVdpdG結(jié)晶一般在常壓下進行，即：結(jié)晶一般在常壓下進行，即：0dpSdTdG所以所以熵熵S是表征系統(tǒng)中原子排列的有是表征系統(tǒng)中原子排列的有序程度（混亂程度）的參數(shù)，恒序程度（混亂程度）的參數(shù)，恒為正值。為正值。溫度升高，原子的活動能力增加，溫度升高，原子的活動能力增加，

13、故其排列有序度降低，即故其排列有序度降低，即S增加增加因因 ，G 隨溫度的升高隨溫度的升高而降低而降低SdTdG材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-2 2-2 金屬結(jié)晶的熱力學條件金屬結(jié)晶的熱力學條件由于液態(tài)原子的有序度遠比固由于液態(tài)原子的有序度遠比固態(tài)為低，故液態(tài)的墑值遠大于態(tài)為低，故液態(tài)的墑值遠大于固態(tài)，并且隨溫度的變化也較固態(tài)，并且隨溫度的變化也較大。大。在在Tm下下 ，不可能完成凝固。，不可能完成凝固。0LSGGGGs和和GL的交點溫度的交點溫度Tm是液固是液固兩相共存的平衡溫度，即理兩相共存的平衡溫度，即理論結(jié)晶溫度。論結(jié)晶溫度。因為因為Gv Gs GL,TSHGGvHsTSs(

14、HLTSL) (HsHL )T(Ss SL)材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-2 2-2 金屬結(jié)晶的熱力學條件金屬結(jié)晶的熱力學條件由于由于HL Hs Hf 是熔化潛熱，是熔化潛熱， Hf 0。GvHsTSs(HLTSL) (HsHL )T(Ss SL)而當而當 T Tm時，時， Gv0 (HL Hs)T(Ss SL)= (HL Hs)T S所以所以 ，Hf Tm（ Ss SL ） TmSS Hf TmGv Hf TS Hf + T Hf TmmfmmmfVTTH)TT-T()TT-(1HGfH當當T TT Tm m時，時，S S變化很小，可視為常數(shù)，則：變化很小，可視為常數(shù)，則：材料科學

15、與工程學院材料科學與工程學院2-2 2-2 金屬結(jié)晶的熱力學條件金屬結(jié)晶的熱力學條件當當T Tm時，時， T 0，液固兩相單位體積自由能之，液固兩相單位體積自由能之差差G0 ，GSGL?？梢酝瓿山Y(jié)晶?？梢酝瓿山Y(jié)晶。mfmmmfVTTH)TT-T()TT-(1HGfH純金屬結(jié)晶的熱力學條件就是必須有一定的純金屬結(jié)晶的熱力學條件就是必須有一定的過冷度。過冷度。過冷度過冷度T 愈大，液態(tài)和固態(tài)的自由能差愈大，即相愈大，液態(tài)和固態(tài)的自由能差愈大，即相變驅(qū)動力愈大，所以結(jié)晶速度愈快。變驅(qū)動力愈大，所以結(jié)晶速度愈快。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-3 2-3 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件在

16、液態(tài)金屬中晶在液態(tài)金屬中晶核又是如何形成核又是如何形成的呢？的呢？結(jié)晶是晶核形成和晶結(jié)晶是晶核形成和晶核不斷長大的過程核不斷長大的過程這與液態(tài)金屬中的原這與液態(tài)金屬中的原子排列狀況有關(guān)子排列狀況有關(guān)材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-3 2-3 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬熔化時體積增加很少金屬熔化時體積增加很少35。液態(tài)金屬與固態(tài)金屬的原子間距相差不大；液態(tài)金屬與固態(tài)金屬的原子間距相差不大；液態(tài)金屬比固態(tài)金屬的配位數(shù)有所下降，但相差不液態(tài)金屬比固態(tài)金屬的配位數(shù)有所下降，但相差不大；大；但是金屬溶化后熵明顯增加，其原子排列的有序度但是金屬溶化后熵明顯增加，其原子排列的有序度大大

17、降低，混亂度大大提高。大大降低，混亂度大大提高。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-3 2-3 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件 X X射線衍射等分析研究表射線衍射等分析研究表明，液態(tài)金屬從明，液態(tài)金屬從長程而言長程而言，原子原子排列是不規(guī)則的，即長程無序；排列是不規(guī)則的，即長程無序；局部部位鄰近原子有與晶體類似局部部位鄰近原子有與晶體類似的規(guī)律性，也就是在的規(guī)律性，也就是在近程有可能近程有可能出現(xiàn)原子瞬間規(guī)則性的排列出現(xiàn)原子瞬間規(guī)則性的排列，即，即近程有序近程有序。 近程有序結(jié)構(gòu)在液態(tài)金屬中各處處于近程有序結(jié)構(gòu)在液態(tài)金屬中各處處于“時聚時散，時聚時散，此起彼伏此起彼伏”的變化中，這種

18、的變化中，這種近程有序的聚散現(xiàn)象稱為近程有序的聚散現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)起伏或相起伏。結(jié)構(gòu)起伏或相起伏。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-3 2-3 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件結(jié)構(gòu)起伏是液態(tài)金屬的重要特征之一，結(jié)構(gòu)起伏是液態(tài)金屬的重要特征之一，是形成晶核的基礎(chǔ)，為金屬結(jié)晶提供了是形成晶核的基礎(chǔ)，為金屬結(jié)晶提供了結(jié)構(gòu)條件結(jié)構(gòu)條件在金屬熔體中，每一瞬時都會出現(xiàn)大量在金屬熔體中，每一瞬時都會出現(xiàn)大量尺寸不等的結(jié)構(gòu)起伏尺寸不等的結(jié)構(gòu)起伏在溫度一定的條件下，結(jié)構(gòu)起伏尺寸不在溫度一定的條件下，結(jié)構(gòu)起伏尺寸不同，其出現(xiàn)的幾率也不相同同，其出現(xiàn)的幾率也不相同rmax的大小與溫度有關(guān)；出現(xiàn)的大小與溫度有關(guān)

19、；出現(xiàn)rmax的幾率的幾率也與溫度（過冷度）有關(guān)也與溫度（過冷度）有關(guān)過冷液體中較大尺寸的，較為穩(wěn)定且原過冷液體中較大尺寸的，較為穩(wěn)定且原子排列方式與金屬本身晶格相同的近程子排列方式與金屬本身晶格相同的近程有序原子集團有可能就是結(jié)晶的胚芽有序原子集團有可能就是結(jié)晶的胚芽 （晶胚晶胚），），晶胚有可能在結(jié)晶時變成晶胚有可能在結(jié)晶時變成晶核。晶核。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成 在母相（過冷液體）中在母相（過冷液體）中形成等于或大于一定臨界形成等于或大于一定臨界尺寸的新相晶核尺寸的新相晶核的過程叫的過程叫“形核形核”。2、形核的形式、形核的形式1、定義、定

20、義均勻（均質(zhì)、自發(fā)）形核均勻（均質(zhì)、自發(fā)）形核非均勻（異質(zhì)、非自發(fā)）形核非均勻（異質(zhì)、非自發(fā)）形核3、均勻形核、均勻形核1）定義）定義 在過冷液體金屬中，以液態(tài)金屬本身具有的、在過冷液體金屬中，以液態(tài)金屬本身具有的、能夠穩(wěn)定存在的晶胚為結(jié)晶核心直接成核的過程。能夠穩(wěn)定存在的晶胚為結(jié)晶核心直接成核的過程。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成2）形核時的能量變化）形核時的能量變化當過冷液相中形成一個晶胚時，自由能變化有兩種：當過冷液相中形成一個晶胚時，自由能變化有兩種：原子由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，自由能降低原子由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，自由能降低結(jié)晶的動力結(jié)晶的動力形成新的表面，

21、表面能增高形成新的表面，表面能增高結(jié)晶的阻力：結(jié)晶的阻力：材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成SGVGV2V3r4Gr34G形成體積為形成體積為V、半徑為、半徑為r、表面積為、表面積為S的晶胚時，自由的晶胚時，自由能變化為能變化為不是所有的晶胚都可以變成晶核不是所有的晶胚都可以變成晶核當當r rk時，時， r增大，增大，G降低，晶胚降低，晶胚可以可以長大；長大；當當r = rk時，時， 晶胚既可以消失，也可晶胚既可以消失，也可以成為晶核存在。以成為晶核存在。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成只有那些大于或等于某一臨界尺寸

22、只有那些大于或等于某一臨界尺寸rk 的晶胚才能形成的晶胚才能形成晶核晶核r=rk 晶胚稱為晶胚稱為臨界晶核臨界晶核rk 臨界晶核半徑臨界晶核半徑3）臨界晶核和臨界晶核半徑）臨界晶核和臨界晶核半徑由于由于 rk 對應自由能對應自由能 G 變化極變化極大值，所以臨界晶核出現(xiàn)的熱大值，所以臨界晶核出現(xiàn)的熱力學條件是：力學條件是：0rG材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成0842kVkrGrrG2V3r4Gr34GVkGr2可見，可見， rk 與晶核單位表面能與晶核單位表面能成正比，與單位體積成正比，與單位體積自由能自由能 GV 成反比。因此，成反比。因此，設(shè)法增加

23、設(shè)法增加GV 及減小及減小 都可使都可使 rk 減小，使晶胚變成晶核更容易。減小，使晶胚變成晶核更容易。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成mfmmmfVTTH)TT-T()TT-(1HGfHVkGr2rk與與T成反比，即成反比，即T rk ，容易形核，容易形核THT2rfmk材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成晶胚能否變成晶核，晶胚能否變成晶核， 就要看是否滿足就要看是否滿足 rmax rk ，只，只有有 TT k，即，即T 越大，超過越大，超過 rk晶胚數(shù)量越多，晶胚數(shù)量越多，結(jié)晶越容易進行。結(jié)晶越容易進行。材料科學與

24、工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成純金屬均勻形核的純金屬均勻形核的T約為約為0.2T m，此時此時rk約為約為10nm，晶核內(nèi)約有晶核內(nèi)約有200個原子個原子材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成4）形核功）形核功 當當r rk時，時， r增大，增大，G降降低，晶胚可以長大變成晶低，晶胚可以長大變成晶核。核。當當r r0時，時， Gr rk時，時， G0，阻，阻力大于動力，力大于動力， 需外界做需外界做功功形核功形核功形成形成 尺寸為尺寸為rkr0之間的晶核之間的晶核時，時， 需外界提供的、用于補需外界提供的、用于補償表面自由能增高

25、的能量成償表面自由能增高的能量成為形核功為形核功材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成2V3r4Gr34GVkGr2)4(31)G2(431)G2(-4G)G2(-34G22V2VV3VKkr臨界晶核表面積臨界晶核表面積24 rSkkkSG31材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成kkSG31形成臨界晶核時形成臨界晶核時，體積自由能下降只補償了表面能體積自由能下降只補償了表面能增加的增加的 2/3 2/3 ，還有，還有1/3 1/3 需晶核外界提供，這部分需晶核外界提供，這部分功功，稱為稱為臨界形核功臨界形核功G Gk k形核

26、功形核功是過冷液體形核主要障礙，也是有孕育期是過冷液體形核主要障礙，也是有孕育期的主要原因的主要原因G Gk k 的大小與過冷度有關(guān)的大小與過冷度有關(guān)THT2rfmk)4(31G2Kkr材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成形核功從何而來形核功從何而來呢？呢？2223221316)2(431)(431THTTHTrGfmfmkkT Gk 結(jié)晶容易進行結(jié)晶容易進行能量起伏能量起伏材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成能量起伏能量起伏 在金屬熔體中各個微區(qū)的自由能各不相同，各在金屬熔體中各個微區(qū)的自由能各不相同，各個微區(qū)的能量處于

27、起伏不定的狀態(tài)中個微區(qū)的能量處于起伏不定的狀態(tài)中 。能量起伏是指體系中微小能量起伏是指體系中微小體積所具有的能量偏離體體積所具有的能量偏離體系的平均能量，而且微小系的平均能量，而且微小體積能量處于時起時伏體積能量處于時起時伏 ，此起彼伏狀態(tài)的現(xiàn)象此起彼伏狀態(tài)的現(xiàn)象 。當液相中某一微區(qū)的高能量原子附著于晶核上時，當液相中某一微區(qū)的高能量原子附著于晶核上時，會釋放出部分能量，可以全部補償表面能的增加，會釋放出部分能量，可以全部補償表面能的增加，使使G0。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成5）形核率）形核率（1）定義）定義單位體積液相中單位時間內(nèi)所形成的（可穩(wěn)定

28、長大）單位體積液相中單位時間內(nèi)所形成的（可穩(wěn)定長大）晶核數(shù)目，用晶核數(shù)目，用 N表示，單位是表示，單位是 cm-3.s-1。（2）影響的）影響的N因素因素N 受兩個因素影響及制約：受兩個因素影響及制約： T rk Gk （易于形核）（易于形核）N)exp(1kTGNk當體系內(nèi)有足夠的能量起伏提供形核功時，微區(qū)當體系內(nèi)有足夠的能量起伏提供形核功時，微區(qū)內(nèi)的形核因子內(nèi)的形核因子材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成 T 擴散遷移能力擴散遷移能力形核困難形核困難 N受原子擴散影響的形核率因子受原子擴散影響的形核率因子Q擴散激活能擴散激活能)exp(2kTQN所以形核

29、率可表示為：所以形核率可表示為：N=N1 N2)exp()316exp(42232kTQkTHThTTaHnkTeehrkTnaNfmmfkTQkTGkkk 波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)；T 絕對溫度；絕對溫度；n 單位體積液相中的原子數(shù)；單位體積液相中的原子數(shù)；h 普朗克常熟；普朗克常熟；Q 擴散激活能；擴散激活能；a原子間距原子間距材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成當當T較小時，較小時，N主要受主要受N1的控的控制；當制；當T較小時，較小時，N主要受主要受N2的的控?？梢娍?。可見T過大或過小，均使得過大或過小，均使得N下降。有一最大值，此溫度叫下降。有一

30、最大值，此溫度叫有效成核溫度有效成核溫度右圖僅適用于一般晶體形核。對于右圖僅適用于一般晶體形核。對于金屬晶體，因其結(jié)晶傾向極大，在金屬晶體，因其結(jié)晶傾向極大，在一般冷卻條件下有：一般冷卻條件下有：當當T到達到達Tp前，幾乎不形核；當前，幾乎不形核；當T=Tp時，時，N急劇增加，急劇增加，在到達很大的在到達很大的T之前，金屬液體已全部結(jié)晶成固體。所以此之前，金屬液體已全部結(jié)晶成固體。所以此圖不存在極大過冷度下的圖不存在極大過冷度下的N下降部分。下降部分。Tp有效過冷度，有效過冷度，)(2 . 0KTTmp材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成c.可能性不大，因金

31、屬不可能絕對純凈。可能性不大，因金屬不可能絕對純凈。均勻（均質(zhì)、自發(fā)）形核均勻（均質(zhì)、自發(fā)）形核a.液相中各區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的；液相中各區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的；b.金屬絕對純凈，無任何雜質(zhì)，也不和型壁接觸，金屬絕對純凈，無任何雜質(zhì)，也不和型壁接觸，只是單純只是單純依靠能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏形成晶胚直至晶依靠能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏形成晶胚直至晶核核；材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成4、非均勻形核、非均勻形核液體中總是存在微小固體雜質(zhì)質(zhì)點，凝固時又與型壁接觸，液體中總是存在微小固體雜質(zhì)質(zhì)點，凝固時又與型壁接觸，則則晶核優(yōu)先依附于這些現(xiàn)成的固體

32、表面形成，這種形核方式晶核優(yōu)先依附于這些現(xiàn)成的固體表面形成，這種形核方式稱為非均勻（異質(zhì)、非自發(fā)）形核。稱為非均勻（異質(zhì)、非自發(fā)）形核。1）定義）定義2）非自發(fā)形核的臨界晶核半徑和形核功）非自發(fā)形核的臨界晶核半徑和形核功非均勻形核使非均勻形核使T 大大降低，實際中過冷度一般不超過大大降低，實際中過冷度一般不超過20，就是這個緣故。就是這個緣故。利用活性質(zhì)點，仍然要依靠液相中的利用活性質(zhì)點，仍然要依靠液相中的相起伏和能量起伏來形核相起伏和能量起伏來形核，也就是由晶胚變成晶核，且同時伴有也就是由晶胚變成晶核，且同時伴有G 和和S。因此也只有。因此也只有大于臨界尺寸的晶胚才能形成晶核。大于臨界尺寸的

33、晶胚才能形成晶核。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成 假設(shè)晶核為球冠，晶核與基底的接觸角為假設(shè)晶核為球冠，晶核與基底的接觸角為，晶，晶核與液相、液相與基底、晶核與基底的表面能（數(shù)值上核與液相、液相與基底、晶核與基底的表面能（數(shù)值上等于表面張力）分別用等于表面張力）分別用 表示，當晶核穩(wěn)定存表示，當晶核穩(wěn)定存在時：在時：cos.LL材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成當在基底上形成一個晶核時，總的自由能變化仍然可當在基底上形成一個晶核時，總的自由能變化仍然可以表示為：以表示為： sVGGVG晶核與液相面積：晶核與液相面積：

34、)cos-(1r2S21晶核與基底面積：晶核與基底面積：222sinrS球冠晶核的體積：球冠晶核的體積：)cos3cos-(2r31V33材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成非自發(fā)形核，表面能變化非自發(fā)形核，表面能變化 Gs 有三部分：有三部分： 晶核球冠上表面能的增加晶核球冠上表面能的增加 ； 1SL 晶核底面表面能的增加晶核底面表面能的增加 ；2S 原來基底表面能的消失原來基底表面能的消失 。2SL2L1L221LSSSSSSG）（LsVGGVG)-(sinr)cos-(1r2G)cos3cos-(2r31GLL22L2V33材料科學與工程學院材料科學與

35、工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成)-(sinr)cos-(1r2G)cos3cos-(2r31GLL22L2V33cos.LL)cos1 (sin22)4cos3cos-2( )r4G34(G3L2V3r0rGTT2G2mLVfLkHr)4cos3cos-2()r(431G3L2 kK材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成)4cos3cos-2()r(431G3L2 kK)4(31G2Kkr4cos3cos-2GG3kk當當0時，時，Gk0，說明固體雜質(zhì)相當于，說明固體雜質(zhì)相當于現(xiàn)成的大晶核，不須形核功現(xiàn)成的大晶核，不須形核功當當 時，時，GkGk

36、說明固體雜質(zhì)說明固體雜質(zhì)不起促進形核作用不起促進形核作用材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成一般，一般，0 相應的相應的 cos 在在11之間之間變化，則變化，則GkGk形核功減小形核功減小3）形核率）形核率)exp()(316exp)cos1 (3232kTQfkatTHThkTnNfmk 波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)；T 絕對溫度；絕對溫度；n 單位體積液相中與固單位體積液相中與固態(tài)粒子相鄰一層的原子數(shù)；態(tài)粒子相鄰一層的原子數(shù)；h 普朗克常熟；普朗克常熟；Q 擴散激活能擴散激活能（1）T的影響的影響)exp()316exp(4232kTQkTHThTTaH

37、nkTNfmmf 與均勻形核與均勻形核N相比相比指數(shù)項中多了指數(shù)項中多了 ， 1coscos32412f f材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大但當過冷度大于但當過冷度大于 0.02Tm 后，后，N 降低。原因是基底降低。原因是基底完全被覆蓋，非自發(fā)結(jié)束，隨后在較高的完全被覆蓋，非自發(fā)結(jié)束，隨后在較高的T自發(fā)自發(fā)形核。形核。由于由于GkGk，所以其需要的，所以其需要的T 也小。在較小也小。在較小的的T 0.02Tm ，均勻形核率幾乎等于零時，具有，均勻形核率幾乎等于零時，具有最大形核率。最大形核率。又因單位體積液相中與固態(tài)粒子又因單位體積液相中與固態(tài)粒子相鄰

38、一層的原子數(shù)相鄰一層的原子數(shù)n 遠小于單位遠小于單位體積液相中的原子數(shù)體積液相中的原子數(shù)n ，所以非，所以非自發(fā)形核率隨溫度的變化也不像自發(fā)形核率隨溫度的變化也不像均勻形核那么大。均勻形核那么大。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成（2） 固體雜質(zhì)基面結(jié)構(gòu)的影響固體雜質(zhì)基面結(jié)構(gòu)的影響潤濕角潤濕角是判斷固態(tài)基面促進成核效果的一個參量：是判斷固態(tài)基面促進成核效果的一個參量： N。 LL-cos取決于液相、晶核、基底三者之間比表取決于液相、晶核、基底三者之間比表面能相對大小，只有面能相對大小，只有 小，小， 與與 接近，接近，cos才能接近才能接近 1， 越小促進

39、成核越小促進成核效果越好。效果越好。LL材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成 取決于晶體和固態(tài)雜質(zhì)基面結(jié)構(gòu)的相似程度，固取決于晶體和固態(tài)雜質(zhì)基面結(jié)構(gòu)的相似程度，固體基面和晶核結(jié)構(gòu)越相似，其促進形核的效果越顯著。體基面和晶核結(jié)構(gòu)越相似，其促進形核的效果越顯著。 晶核就優(yōu)先依附于現(xiàn)成的表面，形成非自發(fā)形核。晶核就優(yōu)先依附于現(xiàn)成的表面，形成非自發(fā)形核。其條件是：其條件是：固體質(zhì)點與晶核的晶格相似，或至少兩者有某個晶固體質(zhì)點與晶核的晶格相似，或至少兩者有某個晶面原子排列相似；面原子排列相似；兩者晶格常數(shù)大小相當或者原子間距成整數(shù)倍。兩者晶格常數(shù)大小相當或者原子間距成

40、整數(shù)倍。符合上述條件的質(zhì)點稱為符合上述條件的質(zhì)點稱為“活性質(zhì)點活性質(zhì)點”，材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成Zr 能促進能促進 Mg 的非自發(fā)形核，因晶格類型相似（密排的非自發(fā)形核，因晶格類型相似（密排六方），且常數(shù)相近：六方），且常數(shù)相近：Mg：a=0.32022nm, c=0.51991nm;Zr： a=0.3223nm, c=0.5123nm。WC能促進能促進Au形核，形核， Au是面心立方，是面心立方，WC 是扁六方，是扁六方，但面心立方的但面心立方的 111與六方（與六方（ 0001）都是密排面，）都是密排面，排列相同，間距也接近，排列相同，間距

41、也接近，Au是是0.2884nm，WC 是是 0.2901nm。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成（3）固體雜質(zhì)表面形貌的影響）固體雜質(zhì)表面形貌的影響三個基面上均有晶胚形成，且具有相同的曲率半徑三個基面上均有晶胚形成，且具有相同的曲率半徑和潤濕角。和潤濕角。凹面上晶胚體積最小，凸面上晶胚體積最大。凹面上晶胚體積最小，凸面上晶胚體積最大。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成在相同的過冷度下，凹面上只需形成較小的晶胚體在相同的過冷度下，凹面上只需形成較小的晶胚體積就可達到臨界晶核半徑，所需形核功最小，最容易積就可達到臨界晶核

42、半徑，所需形核功最小，最容易形核；在其他條件相同時，凹面上形核所需形核；在其他條件相同時，凹面上形核所需T 也最也最要??；平面次之、凸面最差。要??；平面次之、凸面最差。模壁上的微裂紋、粗糙不平的模壁表面凹坑處可以模壁上的微裂紋、粗糙不平的模壁表面凹坑處可以優(yōu)先發(fā)生非均勻形核。優(yōu)先發(fā)生非均勻形核。（4）過熱度的影響）過熱度的影響過熱度過熱度指液體金屬溫度與熔點之差。指液體金屬溫度與熔點之差。過熱度不大時，不會使現(xiàn)成質(zhì)點表面狀態(tài)改變，過熱度不大時，不會使現(xiàn)成質(zhì)點表面狀態(tài)改變，對形核無影響；對形核無影響；材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成過熱度較大時，使現(xiàn)成質(zhì)點

43、表面狀態(tài)有所改變，過熱度較大時，使現(xiàn)成質(zhì)點表面狀態(tài)有所改變，如凹變平等，形核率如凹變平等，形核率N 有所降低；有所降低；過熱度很大時，固相質(zhì)點全部熔化，轉(zhuǎn)為自發(fā)過熱度很大時，固相質(zhì)點全部熔化，轉(zhuǎn)為自發(fā)形核，形核率形核，形核率N 急劇降低。急劇降低。（5）其它因素）其它因素振動、攪拌、磁場、超聲波等可以明顯提高形核率。振動、攪拌、磁場、超聲波等可以明顯提高形核率。 材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-4 2-4 晶核的形成晶核的形成金屬結(jié)晶形核有如下要點：金屬結(jié)晶形核有如下要點：1 1、必須在過冷液體中進行，要大于臨界過冷度，晶胚尺寸、必須在過冷液體中進行，要大于臨界過冷度，晶胚尺寸要大于臨

44、界晶核半徑要大于臨界晶核半徑 r rk k ，前者提供形核驅(qū)動力，后者滿足，前者提供形核驅(qū)動力，后者滿足形核熱力學條件。形核熱力學條件。2、 rk值的大小與晶核表面能成正比，與值的大小與晶核表面能成正比，與 T成反比。成反比。 T 越大，越大， rk 越小，形核率越大，凡能降低表面能的方法都能促越小，形核率越大，凡能降低表面能的方法都能促進形核進形核。3 3、形核即需要結(jié)構(gòu)起伏，也需能量起伏。、形核即需要結(jié)構(gòu)起伏，也需能量起伏。4、形核是原子擴散過程，因此需在一定溫度下進行。、形核是原子擴散過程，因此需在一定溫度下進行。5 5、生產(chǎn)中總是以非自發(fā)形核方式結(jié)晶。、生產(chǎn)中總是以非自發(fā)形核方式結(jié)晶。

45、材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大一、長大條件一、長大條件 當金屬熔體中出現(xiàn)穩(wěn)定的晶核（當金屬熔體中出現(xiàn)穩(wěn)定的晶核（r rk ）后，即進）后，即進入了長大階段。入了長大階段。金屬的組織決定于結(jié)晶中的形核和晶金屬的組織決定于結(jié)晶中的形核和晶核長大兩個過程。核長大兩個過程。 晶核的長大晶核的長大是是SL界面不斷向液相中推進的過程，界面不斷向液相中推進的過程，實質(zhì)上實質(zhì)上SL界面的推進界面的推進是液相中的原子不斷遷移到晶是液相中的原子不斷遷移到晶核表面變?yōu)楣滔啾砻嬉?guī)則排列原子的過程。核表面變?yōu)楣滔啾砻嬉?guī)則排列原子的過程。 長大時，體積增大、表面積也增大，即同時伴

46、有長大時，體積增大、表面積也增大，即同時伴有VGv（動力）和（動力）和 S（阻力）。（阻力）。 所以要保證所以要保證Gv Gs GL Tk， G0。0SGVGV材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大 另外，另外， T T ，原子在液相和晶體的表面之間，原子在液相和晶體的表面之間遷移的速度就越低。遷移的速度就越低。當液當液固界面具有一定的固界面具有一定的T 時，便可使固相界面上原子向時，便可使固相界面上原子向液相中跳動的幾率小于液相中液相中跳動的幾率小于液相中原子向固相界面上跳動的幾率，原子向固相界面上跳動的幾率，晶核表面向液相中推進。晶核表面向液相中推進。使晶

47、核表面能夠向液相中推進時固相界面具有的過使晶核表面能夠向液相中推進時固相界面具有的過冷度稱為冷度稱為動態(tài)過冷度動態(tài)過冷度。動態(tài)過冷度遠遠小于形核時的動態(tài)過冷度遠遠小于形核時的Tk材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大 當體積增長率大于表面積增長率時，所需過冷度當體積增長率大于表面積增長率時，所需過冷度就越來越小。有研究表明，當晶體已長到足夠大，表就越來越小。有研究表明，當晶體已長到足夠大，表面缺陷足夠多時，只需面缺陷足夠多時，只需10-310-4就能維持長大。就能維持長大。二、液固界面的微觀結(jié)構(gòu)二、液固界面的微觀結(jié)構(gòu)固相原子固相原子液相原子液相原子根據(jù)液固界面

48、的原子排列情況，根據(jù)液固界面的原子排列情況，界面分為兩類：界面分為兩類：（一）液固界面的分類（一）液固界面的分類1、光滑界面、光滑界面液固兩相之間有明顯的分液固兩相之間有明顯的分界面。界面。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大固相原子固相原子液相原子液相原子界面上部所有的原子都處于液態(tài)，界面上部所有的原子都處于液態(tài)，下部均為固態(tài)，即所有原子都處下部均為固態(tài)，即所有原子都處于晶體結(jié)構(gòu)所規(guī)定的位置，此界于晶體結(jié)構(gòu)所規(guī)定的位置，此界面通常為固相的密排面，由于面通常為固相的密排面，由于界界面是曲折鋸齒狀面是曲折鋸齒狀又稱又稱小平面界面小平面界面。2、粗糙界面、粗糙界

49、面粗糙界面粗糙界面液固兩相間有數(shù)個原子層厚液固兩相間有數(shù)個原子層厚度的過渡層度的過渡層材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大 在層中，液固相原子交替在層中，液固相原子交替分布著，所以歸為粗糙界面，分布著，所以歸為粗糙界面，又稱為又稱為非小平面界面非小平面界面。粗糙界面粗糙界面（二）界面結(jié)構(gòu)類型的判據(jù)（二）界面結(jié)構(gòu)類型的判據(jù) 設(shè)界面上原子位置數(shù)為設(shè)界面上原子位置數(shù)為N，其中，其中NA 個位置為固個位置為固相原子所占有。相原子所占有。 則固相原子占有的則固相原子占有的 比例比例 x NA/N ，液相原子占，液相原子占據(jù)位置的比例據(jù)位置的比例 1- x。材料科學與工

50、程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大 界面平衡結(jié)構(gòu)應是界面能量最低，任意添加原子界面平衡結(jié)構(gòu)應是界面能量最低，任意添加原子時，界面自由能變化為：時，界面自由能變化為：)1ln()1 (ln)1 (xxxxxxNkTGms晶面上固相所占位置比例晶面上固相所占位置比例x% 時，時，x=0.5處，界面能最小，處，界面能最小，相界面上位置有約相界面上位置有約50%為固相原子為固相原子所占有所占有粗糙界面；粗糙界面；2k 波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)； 杰克遜因子杰克遜因子粗糙界面粗糙界面 時，時，x接近于接近于0或或1處，界面能處，界面能最小，相界面上極少或極多量位置最小，相界面

51、上極少或極多量位置為固相原子所占有為固相原子所占有光滑界面；光滑界面；5 在在25之間時，往往形成混合界面；之間時，往往形成混合界面；材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大一般金屬一般金屬Fe、Al、Cu和某些有機物和某些有機物2，許多有機化許多有機化合物合物5，少數(shù)材料如少數(shù)材料如Si在在25之間。之間。三、晶體長大機制三、晶體長大機制1、橫向長大方式、橫向長大方式1）二維晶核長大機制）二維晶核長大機制光滑界面光滑界面，液相原子單個擴散遷移至界面上所帶來，液相原子單個擴散遷移至界面上所帶來表面能增加遠遠大于體積自由能降低。表面能增加遠遠大于體積自由能降低。所

52、以晶體不是靠單個原子從液相中遷移至晶體表面而所以晶體不是靠單個原子從液相中遷移至晶體表面而長大的。長大的。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大由于液相和固相密度相近，靠能量起由于液相和固相密度相近，靠能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏使一定大小原子集團差伏、結(jié)構(gòu)起伏使一定大小原子集團差不多同時降落在光滑界面上，以二維不多同時降落在光滑界面上，以二維晶核的方式向晶體表面覆蓋。此時晶核的方式向晶體表面覆蓋。此時VGv S形核后周圍出現(xiàn)臺階，后來形核后周圍出現(xiàn)臺階，后來原子填充到臺階處，表面能原子填充到臺階處，表面能增加很小，直至填滿。而后增加很小，直至填滿。而后重新形核、長大。

53、重新形核、長大。光滑界面晶體靠二維形核覆蓋形成臺階，再逐層擴大，光滑界面晶體靠二維形核覆蓋形成臺階，再逐層擴大，層層生長。這種長大方式也稱為臺階式生長層層生長。這種長大方式也稱為臺階式生長材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大2）螺型位錯長大機制）螺型位錯長大機制螺型位錯在晶體表面露頭，螺型位錯在晶體表面露頭，形成一個螺旋上升的臺階。形成一個螺旋上升的臺階。原子可一個個不斷地填充臺階，原子可一個個不斷地填充臺階，新增表面能很小，可以被結(jié)晶新增表面能很小，可以被結(jié)晶時體積自由能的降低所補償。時體積自由能的降低所補償。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2

54、-5 晶核的長大晶核的長大 原子不斷依附于臺階上，使界面呈螺旋面，形原子不斷依附于臺階上，使界面呈螺旋面，形成永不會消失的臺階。螺旋上升的晶面叫成永不會消失的臺階。螺旋上升的晶面叫 “生長蜷生長蜷線線” SiCSiC螺旋長大的晶體螺旋長大的晶體材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大無論是二維晶核長大機制還是晶體缺陷臺階長大機無論是二維晶核長大機制還是晶體缺陷臺階長大機制，原子依附在臺階上是使制，原子依附在臺階上是使晶體新表面長大的方向總晶體新表面長大的方向總是與光滑界面平行，所以稱為橫向長大方式是與光滑界面平行，所以稱為橫向長大方式。ab材料科學與工程學院材料

55、科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大2、垂直長大機制、垂直長大機制針對粗糙界面結(jié)構(gòu)提出來的。因為在粗糙界面上存針對粗糙界面結(jié)構(gòu)提出來的。因為在粗糙界面上存在著約在著約50%的尚未被占據(jù)的正常點陣位置，液相中的尚未被占據(jù)的正常點陣位置，液相中的原子可以直接進入這些位置而使的原子可以直接進入這些位置而使晶體連續(xù)的垂直晶體連續(xù)的垂直生長，所以又稱連續(xù)長大機制。生長，所以又稱連續(xù)長大機制。這種方式成長，所需要動態(tài)過這種方式成長，所需要動態(tài)過冷度很小，冷度很小，Tk 為為0.010.05 ，這種成長機理適用于大多，這種成長機理適用于大多數(shù)金屬。數(shù)金屬。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2

56、-5 2-5 晶核的長大晶核的長大研究表明，液相原子在體心立方和面心立方晶體上最研究表明，液相原子在體心立方和面心立方晶體上最快附著晶面族是快附著晶面族是100100，晶體最快生長方向是，晶體最快生長方向是100100， 密排六方原子最快附著晶面族密排六方原子最快附著晶面族10101010，而密，而密排六方晶體最快生長方向則是排六方晶體最快生長方向則是10101010。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大金屬結(jié)晶相起伏能量起伏晶胚晶核長大材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大四、液四、液-固界面前沿液體中的溫度梯度固界面前沿

57、液體中的溫度梯度1、正溫度梯度、正溫度梯度 一般情況下，金屬在鑄型中凝固時，型壁附近一般情況下，金屬在鑄型中凝固時，型壁附近散熱快，溫度最低，首先凝固，而越靠型腔中心溫度散熱快，溫度最低，首先凝固，而越靠型腔中心溫度越高。越高。液、固界面前沿液相中溫度隨離開液、固界面前沿液相中溫度隨離開界面距離的增加而升高。界面距離的增加而升高。這樣的溫這樣的溫度分布稱度分布稱“正溫度梯度正溫度梯度”。過冷度隨著離界面距離的增加而過冷度隨著離界面距離的增加而減小。減小。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大2、負溫度梯度、負溫度梯度 有些情況下，結(jié)晶不是從型壁開始，而是在型腔

58、有些情況下，結(jié)晶不是從型壁開始，而是在型腔中。當達到一定過冷度后，開始凝固。長大時只需幾中。當達到一定過冷度后，開始凝固。長大時只需幾分之一度即可，晶體長大時放出結(jié)晶潛熱使界面很快分之一度即可，晶體長大時放出結(jié)晶潛熱使界面很快升高到接近熔點升高到接近熔點T Tm m, , 隨后放出潛熱向固和液中散失。隨后放出潛熱向固和液中散失。在液固界面前沿液相中溫在液固界面前沿液相中溫度隨離開界面距離的增加而度隨離開界面距離的增加而降低，稱降低，稱 “負溫度梯度負溫度梯度”。過冷度隨著離界面距離的增過冷度隨著離界面距離的增加而增大。加而增大。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核

59、的長大五、晶體生長的界面形狀五、晶體生長的界面形狀-晶體形態(tài)晶體形態(tài) 在正溫度梯度條件在正溫度梯度條件下，晶體生長的界面形下，晶體生長的界面形態(tài)與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，固態(tài)與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，固液界面的微觀結(jié)構(gòu)有兩液界面的微觀結(jié)構(gòu)有兩種：種：1、在正溫度梯度下生長的界面形態(tài)、在正溫度梯度下生長的界面形態(tài)材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大（1）光滑界面生長形態(tài)）光滑界面生長形態(tài) 顯微界面為晶體學小平面，顯微界面為晶體學小平面，它們與散熱方向呈不同角度分布它們與散熱方向呈不同角度分布著，與著，與Tm 交有一定角度，而從交有一定角度，而從宏觀看，仍與宏觀看，仍與Tm 平行的

60、等溫平平行的等溫平直面。有利于形成具有規(guī)則形狀直面。有利于形成具有規(guī)則形狀的晶體。的晶體。 球形晶核表面是由多個晶體學小平面組成，晶面球形晶核表面是由多個晶體學小平面組成，晶面不同，原子密度也不同，各處表面能也不同。不同，原子密度也不同，各處表面能也不同。 研究表明：原子密度大的晶面長大速度慢，密度研究表明：原子密度大的晶面長大速度慢，密度小的快。小的快。材料科學與工程學院材料科學與工程學院2-5 2-5 晶核的長大晶核的長大但長大速度大的晶面容易被速度小的晶面所制約，最但長大速度大的晶面容易被速度小的晶面所制約，最后表面都是密排面，并且具有規(guī)則的幾何形狀。后表面都是密排面，并且具有規(guī)則的幾何