晶核生长.doc

在母相中形成等于或超过一定临界大小的新相晶核的过程称为“形核”一、均匀形核(一)均匀形核的能量变化“结构起伏”的尺寸,大小与温度有关,温度越低,“结构起伏”尺寸越大,当温度降到熔点以下时,这种晶坯的尺寸较大,其中的原子组成了晶态的规则排列,而其外层原子却与液体金属中不规则排列的原子相接触而构成界面。因此,当过冷液体中出现晶坯时,一方面由于在这个区域中原子由液态的聚集状态转变为固态的排列状态,使体系的自由能降低(固、液相之间的体积自由能差);另一方面,由于晶坯构成新的表面,又会引起表面自由能的增加(单位面积表面能σ)。△G小于0(反应可自发进行),越负越好,有利于晶核的形成,及其反应的自发进行。假定晶胚为球形,半径为r,当过冷液体中出现一个晶胚时,总的自由能变化:液、固两相单位体积自由能差绝对值,由于过冷到熔点以下时,自由能为负值当r=r*时,临界晶核形成的自由能增高等于其表面能的1/3,形核功是过冷液体金属开始形核的主要障碍。当r<r*时,晶胚长大将导致系统自由能的增加,这种晶胚不稳定,瞬时形成,瞬时消失。当r>r*时,随晶胚长大,系统自由能降低,凝固过程自动进行。当r=r*时,可能长大,也可能熔化,两种趋势都是使自由能降低的过程,将r*的晶胚称为临界晶核,只有那些略大于临界半径的晶核,才能作为稳定晶核而长大,所以金属凝固时,晶核必须要求等于或大于临界晶核。极值点处将(3)代入(2):临界晶核半径随过冷度(实际结晶温度与理论结晶温度的差值,过冷度的大小与冷却速度密切相关,冷却速度越快,实际结晶温度就越低,过冷度就越大;反之冷却速度越慢,过冷度就越小,实际结晶温度就更接近理论结晶温度。)增大而减小。P37图37将(2)、(3)、(4)代入(1)式:(5)称为临界晶核形成功,简称形核功,即形成临界晶核时要有值的自由能增加,与成反比。将(4)式代入得(6)(6)式表明,当r=r*时,临界晶核形成时的自由能增高等于其表面能的1/3,此形核功是过冷液体金属开始形核时的主要障碍。形核功来自何方?在没有外部供给能量的条件下,依靠液体本身存在的“能量起伏”来供给。(二)非均匀形核形核率指在单位时间、单位体积,母相中形成的晶核数目,个临界晶核,临界晶核,dt时间内由液相获得原子的临界晶核所占分数为dn,于是单位体积单位时间内应形成个可以稳定长大的晶核。形核率受两个相互矛盾的因素控制:①Cn形核功因子∝,K:玻尔兹螺常数随着过冷度增大,故增大;②dn/dt受控于原子扩散因子,∝随过冷度的增大而减少。形核率随过冷度增大而增大,超过极大值后,形核率突然增大的温度称为有效形核温度。形核率随过冷度增大而增大,超过极大值后,形核率又随过冷度进一步增大而减小。对于金属材料,形核率与温度的关系如b图所示,形核率突然增大的温度称为有效形核温度,。(二)形核率:单位时间,单位体积母相中形成的晶核数目,形核功因子2受控于原子扩散因子形核率随过冷度的升高而升高,超过极大值后,形核率突然增大的温度称为二、非均匀形核l晶核优先依附在现成固体表面上形成。(一)非均匀形核的临界晶