第4章_純金屬晶體生長(zhǎng)界面動(dòng)力學(xué)過程

1、 第四章第四章 純金屬晶體生長(zhǎng)界面純金屬晶體生長(zhǎng)界面 動(dòng)力學(xué)過程動(dòng)力學(xué)過程 液體金屬中形核以后，液體中的原子陸續(xù)向晶體表面排列堆砌，晶體便不斷長(zhǎng)大。因此晶體的生長(zhǎng)就是液體中的原子向晶體表面的堆砌過程，也是固-液界面向液體中不斷推移的過程。 晶體的生長(zhǎng)主要主要受以下三個(gè)因素的影響： 界面前沿液體中的溫度條件界面前沿液體中的溫度條件 界面的結(jié)構(gòu)界面的結(jié)構(gòu) 對(duì)合金而言，還與界面前液體中的溶質(zhì)濃度及合對(duì)合金而言，還與界面前液體中的溶質(zhì)濃度及合 金本身性質(zhì)有關(guān)。金本身性質(zhì)有關(guān)。 本章只講純金屬的晶體生長(zhǎng)，合金的晶體生長(zhǎng)在第五章中講述。4-1晶體生長(zhǎng)界面微觀動(dòng)力學(xué)4-2 晶體宏觀生長(zhǎng)方式4-3 晶體微觀生

2、長(zhǎng)方式4-1晶體生長(zhǎng)界面微觀動(dòng)力學(xué)晶體生長(zhǎng)界面微觀動(dòng)力學(xué) 一、固一、固-液界面上的原子交換液界面上的原子交換 界面上始終存在原子的交換 即 原子s 原子L1. 原子L 原子S界面上液體中的原子如具有較大的能量克服液體中其它原子對(duì)它的作用力，就能越過界面跑到固體表面而定居下來，便產(chǎn)生部分液體的凝固。也就是說，液體原子必須克服能量為QL（液體激活能）的勢(shì)壘才能凝固。sdtdn)( 設(shè)液體原子跑到固體表面而定居下來的面密度（單位面積上的原子數(shù)）為n，則凝固速度為 （t為時(shí)間）圖 1.界面上原子交換 如果界面上固體原子具有大于QS（固體激活能）的激活能，即克服QS的能量勢(shì)壘，就越過界面跳到液體中，發(fā)生

3、部分固體的熔化。設(shè)固體原子跳到液體中的面密度為n，熔化速度為：mdtdn 2. 原子原子S 原子原子L 當(dāng)界面溫度T=Tm（熔點(diǎn)）時(shí)，有：smdtdndtdnsmdtdndtdnsmdtdndtdn熔化速度等于凝固速度，界面處于平衡狀態(tài)，界面不能生長(zhǎng)。當(dāng)TTm時(shí)，有發(fā)生熔化。當(dāng)TTm時(shí)，有發(fā)生凝固，晶體得以生長(zhǎng)，固-液界面向液體中推進(jìn)。 二、晶體生長(zhǎng)的條件二、晶體生長(zhǎng)的條件 晶體不斷生長(zhǎng)必須滿足： 界面溫度T 2 光滑界面231.8mmSRS （ 氣體常數(shù)）kmolJSm/6 .16kmolJR/31. 8kmolJSm/6 .16熔化熵： 光滑界面（大多數(shù)非金屬及化合物屬于這種結(jié)構(gòu)）熔化熵：

4、 粗糙界面（大多數(shù)金屬界面屬于這種結(jié)構(gòu)）設(shè) ，其中R=KA，K為波爾茲曼常數(shù)，A為阿伏伽德羅常數(shù)，則1圖 7.界面自由能變化與界面上 原子所占位置分?jǐn)?shù)的關(guān)系 mkTHm二、晶體的微觀長(zhǎng)大方式二、晶體的微觀長(zhǎng)大方式 上述固上述固-液界面的性質(zhì)（粗糙界面還是光滑界面），液界面的性質(zhì)（粗糙界面還是光滑界面），決定了晶體微觀生長(zhǎng)方式的差異。決定了晶體微觀生長(zhǎng)方式的差異。1. 連續(xù)生長(zhǎng)連續(xù)生長(zhǎng)2. 晶體的二維晶核生長(zhǎng)晶體的二維晶核生長(zhǎng)3. 晶體從缺陷處生長(zhǎng)晶體從缺陷處生長(zhǎng)4. 三種生長(zhǎng)速度的比較三種生長(zhǎng)速度的比較 1. 連續(xù)生長(zhǎng)連續(xù)生長(zhǎng) 粗糙面的界面結(jié)構(gòu)，許多位置均可作為原子向上堆砌的臺(tái)粗糙面的界面結(jié)構(gòu)

5、，許多位置均可作為原子向上堆砌的臺(tái)階，液相擴(kuò)散來的原子很容易被接納與晶體連接起來。由階，液相擴(kuò)散來的原子很容易被接納與晶體連接起來。由于前面討論的熱力學(xué)因素，生長(zhǎng)過程中仍可維持粗糙面的于前面討論的熱力學(xué)因素，生長(zhǎng)過程中仍可維持粗糙面的界面結(jié)構(gòu)。只要原子沉積供應(yīng)不成問題，可以不斷地進(jìn)行界面結(jié)構(gòu)。只要原子沉積供應(yīng)不成問題，可以不斷地進(jìn)行“連續(xù)長(zhǎng)大連續(xù)長(zhǎng)大”。 其其生長(zhǎng)方向?yàn)榻缑娴姆ň€方向生長(zhǎng)方向?yàn)榻缑娴姆ň€方向，即垂直于界面生長(zhǎng)。，即垂直于界面生長(zhǎng)。 生長(zhǎng)特點(diǎn)：生長(zhǎng)特點(diǎn)： 生長(zhǎng)過冷度生長(zhǎng)過冷度 很?。汉苄。?生長(zhǎng)速度生長(zhǎng)速度 很快很快: ( 連續(xù)生長(zhǎng)系數(shù)連續(xù)生長(zhǎng)系數(shù)) 生長(zhǎng)后的晶體形貌：非多面體（

6、也稱非小晶面）生長(zhǎng)后的晶體形貌：非多面體（也稱非小晶面）kTkTk05. 001. 0kTR1連1連R2. 晶體的二維生長(zhǎng)晶體的二維生長(zhǎng) 對(duì)平整的固對(duì)平整的固-液界面，因液界面，因界面上沒有多少位置供原子占界面上沒有多少位置供原子占據(jù)，據(jù)， 單個(gè)的原子無法往界面上單個(gè)的原子無法往界面上堆砌。此時(shí)如同均質(zhì)形核那樣，堆砌。此時(shí)如同均質(zhì)形核那樣，在平整界面上形成一個(gè)原子厚在平整界面上形成一個(gè)原子厚度的核心，叫度的核心，叫二維晶核二維晶核，如圖，如圖8所示所示.由于二維核心的形成，由于二維核心的形成，產(chǎn)生了臺(tái)階產(chǎn)生了臺(tái)階；液相中的原子即；液相中的原子即可源源不斷地沿臺(tái)階堆砌，使可源源不斷地沿臺(tái)階堆砌，

7、使晶體側(cè)向生長(zhǎng)。當(dāng)臺(tái)階被完全晶體側(cè)向生長(zhǎng)。當(dāng)臺(tái)階被完全填滿后，又在新的平整界面上填滿后，又在新的平整界面上形成新的二維臺(tái)階，如此繼續(xù)形成新的二維臺(tái)階，如此繼續(xù)下去，完成凝固過程。下去，完成凝固過程。圖 8. 平整界面二維晶核長(zhǎng)大模型 生長(zhǎng)特點(diǎn)：生長(zhǎng)特點(diǎn)： 生長(zhǎng)過冷度生長(zhǎng)過冷度 很大：很大： 生長(zhǎng)速度生長(zhǎng)速度 很慢：很慢： ( 二維生長(zhǎng) 系數(shù) b 常數(shù)) 生長(zhǎng)后晶體形貌：多面體（也稱小晶面）生長(zhǎng)后晶體形貌：多面體（也稱小晶面）kTKTk21kTbeR2222R3. 晶體從缺陷處生長(zhǎng)晶體從缺陷處生長(zhǎng) 一般條件下，晶體總要形成各種生長(zhǎng)缺陷（由一般條件下，晶體總要形成各種生長(zhǎng)缺陷（由冷卻凝固較快引起）

8、，這些缺陷就構(gòu)成了原子往上冷卻凝固較快引起），這些缺陷就構(gòu)成了原子往上堆砌的臺(tái)階。堆砌的臺(tái)階。 此種晶體生長(zhǎng)方式實(shí)質(zhì)上是平整界面的二維生長(zhǎng)此種晶體生長(zhǎng)方式實(shí)質(zhì)上是平整界面的二維生長(zhǎng)的另一種形式，它不是由形核來形成二維臺(tái)階，而的另一種形式，它不是由形核來形成二維臺(tái)階，而是依靠晶體缺陷產(chǎn)生出臺(tái)階，如位錯(cuò)、孿晶等。是依靠晶體缺陷產(chǎn)生出臺(tái)階，如位錯(cuò)、孿晶等。包括包括（1）螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)）螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng) （2）反射孿晶生長(zhǎng)）反射孿晶生長(zhǎng) （3）旋轉(zhuǎn)孿晶生長(zhǎng)）旋轉(zhuǎn)孿晶生長(zhǎng)（1）螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)）螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng) 這種螺旋位錯(cuò)臺(tái)階在生這種螺旋位錯(cuò)臺(tái)階在生長(zhǎng)過程中不會(huì)消失。長(zhǎng)過程中不會(huì)消失。 生長(zhǎng)特點(diǎn)：生長(zhǎng)特點(diǎn)：生長(zhǎng)過冷

9、度生長(zhǎng)過冷度 較小較小生長(zhǎng)速度生長(zhǎng)速度 較快：較快：（ 螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)系數(shù)）螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)系數(shù)）生長(zhǎng)后晶體形貌：由缺陷數(shù)生長(zhǎng)后晶體形貌：由缺陷數(shù) 的多少?zèng)Q定。的多少?zèng)Q定。kT螺R23kTR螺 圖 9. 螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)機(jī)制3（2）反射孿晶生長(zhǎng)）反射孿晶生長(zhǎng)這種缺陷往往出現(xiàn)在面心立方結(jié)構(gòu)的晶體中（如Al、Cu等），以密排面（111）所形成的溝槽孿晶邊界，并向方向生長(zhǎng)快，長(zhǎng)大過程中溝槽可保持下去，長(zhǎng)大不斷進(jìn)行。圖 10. 反射孿晶生長(zhǎng)機(jī)制（3）旋轉(zhuǎn)孿晶生長(zhǎng)）旋轉(zhuǎn)孿晶生長(zhǎng) 這種缺陷往往存在于層狀結(jié)構(gòu)的晶體中（如石墨等），由于兩層基面排錯(cuò)而旋轉(zhuǎn)一定角度，形成側(cè)面臺(tái)階。（=13.2，21.8，27.8）， 于是沿 生長(zhǎng)較快，長(zhǎng)成片狀。01100110圖11. 旋轉(zhuǎn)孿晶生長(zhǎng)機(jī)制4、三種生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)速度的比較、三種生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)速度的比較 連續(xù)生長(zhǎng)連續(xù)生長(zhǎng) 二維晶核臺(tái)階生長(zhǎng)二維晶核臺(tái)階生長(zhǎng) 螺旋位錯(cuò)臺(tái)階生長(zhǎng)螺旋位錯(cuò)臺(tái)階生長(zhǎng)kTbeR2223kTR螺kTR1連圖12.三種生長(zhǎng)速度的比較第4章作業(yè)：1. 金屬及合金的凝固包括哪兩個(gè)過程？完成這兩個(gè)過程需要哪兩種過冷度？這兩種過冷度的區(qū)別及物理