材料科学基础B材料的相结构与相图之三A1.ppt

非均匀形核： 形核热力学 形核过程的?G I 体系界面能的变化 II 体系体积自由能的变化 III 体系自由能变化总值 IV 讨论 ① 当?=180℃时，f(?)=1，?Ghet= ?Ghom ② 当?=0℃时，f(?)=0，?Ghet=0 不需形核功 ③ 一般地， 0 ℃ ?180℃ 0 f(?)1 ?Ghet ?Ghom 故 异质基体一般具有促进形核的作用 V 临界晶核半径与临界晶核体积 重要结论(与均匀形核相比)： ① 临界晶核半径不变； ② 临界晶核体积较小； ③ 所需过冷度较小； ④ 原因：临界晶核所需原子数目小 2. 形核动力学 2.4 晶体长大 形核之后，晶体长大，其涉及到长大的形态，长大方式和长大速率。形态常反映出凝固后晶体的性质，而长大方式决定了长大速率，也就是决定结晶动力学的重要因素。 1．液－固界面的构造 经典理论认为，晶体长大的形态与液、固两相的界面结构有关。晶体的长大是通过液体中单个原子按照晶面原子排列的要求与晶体表面原子结合起来。按原子尺度，把相界面结构分为粗糙界面和光滑界面两类，如图所示 。 透明水样苯酯晶体的小面形态 ×60 透明环己烷凝固成树枝形晶体?×60 杰克逊(K.A.Jackson)提出决定粗糙及光滑界面的定量模型。他假设液-固两相在界面处于局部平衡，故界面构造应是界面能最低的形式。如果有N个原子随机地沉积到具有NT个原子位置的固-液界面时，则界面自由能的相对变化ΔGS由下式表示： 式中，k是玻尔兹曼常数； Tm是熔点；x是界面上被固相原子占据位置的分数； ?----界面原子的平均配位数； ?----晶体配位数 讨论： 当?≤2时，曲线在x=0.5处具有极小值，即界面位置一半空一半满--------微观粗糙型界面(宏观上为平直界面)； 当?2时，曲线在两端各有一个极小值，分别位于x≈0和 x≈1处，说明界面位置几乎全空或全满--------微观光滑型界面(宏观上为台阶状界面) 二. 晶体生长方式与生长速率 动态过冷度----液/固界面向液相移动时所需的过冷度，或：晶核生长所需的过冷度 连续生长(粗糙界面上出现) 2. 二维形核(光滑界面上) 3. 藉螺位错生长 2．纯晶体凝固时的生长形态 纯晶体凝固时的生长形态不仅与液-固界面的微观结构有关，而且取决于界面前沿液相中的温度分布情况，温度分布可有两种情况：正的温度梯度和负的温度梯度，分别如图所示。 两种温度分布： a．在正的温度梯度下的情况 　dT/dz＞0。 晶体的生长以接近平面状向前推移，这是由于温度梯度是正的，当界面上偶尔有凸起部分而伸入温度较高的液体中时，它的生长速度就会减缓甚至停止，周围部分的过冷度较凸起部分大而会赶上来，使凸起部分消失，这种过程使液-固界面保持稳定的平面形态。 b．在负的温度梯度下的情况 dT/dz0 此时，相界面上产生的结晶潜热即可通过固相也可通过液相而散失。相界面的推移不只由固相的传热速度所控制， 在这种情况下，如果部分的相界面生长凸出到前面的液相中，则能处于温度更低（即过冷度更大）的液相中，使凸出部分的生长速度增大而进一步伸向液体中。 * *