当前课程知识点：材料科学基础 > 第五章 凝固 > 5.6 晶体长大的动力学条件和液固界面微观结构 > 晶体长大的动力学条件和液固界面微观结构
同学们好
前面我们的学习已经知道
液态金属的结晶过程
乃是由形核和长大两个基本过程所组成的
前面我们学习了晶核的形成
下面我们来学习一下晶体的长大
一旦核心形成以后
晶核就会继续长大而形成晶粒
系统总的自由能
随着晶体体积的增加而下降
是晶体长大的驱动力
晶体的长大过程可以看做是
液相当中的原子向晶核表面迁移
液固的界面向液相不断推进的过程
界面推进的速度与界面处液相的过冷程度有关
液相当中原子向晶核表面迁移的方式
即晶体生长的方式
取决于液-固相界面的微观结构
而晶体生长的形态即界面的宏观形态
则取决于界面前沿温度的分布
我们先来了解一下晶体长大的动力学条件
考虑一个正在移动的液-固界面
在界面上可能同时存在两种原子迁移过程
即固相原子迁移到液相中的熔化过程
和液相原子迁移到固相当中的凝固过程
当液-固界面的温度低于熔点Tm一定的程度
也就是说有一定的过冷度的时候
便可使得固相界面上原子
向液相中跳动的几率小于液相中原子
向固相界面上跳动的几率
也就使得前者的迁移率小于后者的迁移率
这种使晶核表面能够向液相中推进
而在界面上所具有的过冷度称为动态过冷度
即Tm减上一个Ti等于一个ΔTK大于0
晶核要长大
就必须在界面处有一定的过冷度
动态过冷度大于0
是晶核长大的动力学条件
下面我们再来学习一下
液固界面的微观结构
晶核长大既然是液固界面
两侧原子的迁移过程
那么界面的微观结构
必然会影响到晶核长大的方式
目前普遍认为
液固相界面按其微观结构可以分为两种
即光滑界面和粗糙界面
光滑界面是指在液固相界面处
液相和固相截然分开
固相的表面为基本完整的原子密排面
从微观看 界面是平整光滑的
但是从宏观上看
它往往是由若干弯折的小平面来组成的
呈小平面台阶状特征
故又称小平面界面
PPT图中给出了光滑界面的微观和宏观示意图
粗糙界面
粗糙界面是在液固相界面处
存在着几个原子层厚度的过渡层
在过渡层中只有大约50%的位置
被固相原子分散地占据着
从微观看界面是高低不平的
无明显的边界
但从宏观看
界面却是呈平直状而无曲折的小平面
因而又称非小平面界面
PPT图中给出了粗糙界面的微观和宏观示意图
由杰克逊对液-固相界面平衡结构的研究表明
界面的平衡结构是界面能最低的结构
如果在光滑界面上任意的增加原子
即界面粗糙化时界面自由能的相对变化ΔGS
与界面上固相原子所占位置的分数P之间的关系
可以表示为下式
式子当中k是玻尔兹曼常数
Tm是熔点
α是杰克逊因子
ΔSm为熔化熵
R为气体常数
P应该等于 NA比上一个N
其中N为界面上原子位置的总数
NA为界面上被固相原子所占的位置数目
不同的物质具有不同的α值
对应于不同的α值
ΔGS比上一个N乘上KTm与P的关系呢
如图 PPT当中所示
由图可见
当α小于2时
在P等于0.5处
界面能具有极小值
这意味着界面上约有一半的原子
位置是被固相原子占据着
形成粗糙界面
当α大于等于5时
在P等于1和P等于0处
界面能具有两个极小值
这表明界面上绝大多数原子的位置
被固相原子占据或空着
此时的界面为光滑界面
对于α小于5大于2
这种情况就比较复杂
往往形成以上两种类型的混合界面
金属和某些有机化合物的α小于2
所以他们的固-液界面为粗糙界面
对于多数的无机非金属
α通常是大于5
那么他们的液-固相界面为光滑界面
而对于某些亚金属
α是在2到5之间
他们的固-液界面多为混合型
这一节我们就先学习到这里
-绪论
-绪论
-讨论1
-讨论2
-2.1 原子结构与原子轨道
--原子结构与轨道
-2.2 电子排布规律
--电子排布规律
--电子排布规律
-2.3 晶体中的结合键
--晶体中的结合键
--原子结构与键合
-2.4 晶体结构与空间点阵
-2.5 晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
-2.6 晶向指数与晶面指数
-2.7 晶面间距与晶面夹角
-2.8 晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
-讨论1
-讨论2
-习题-第2章
-3.1 金属的晶体结构
--金属的晶体结构
--金属的晶体结构
-3.2 金属晶体的堆垛与间隙
-3.3 合金基本概念
--合金的基本概念
--合金的基本概念
-3.4 固溶体
--固溶体
--固溶体
-3.5 化合物
--化合物
--化合物
-3.6 陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
-3.7 高分子的基本结构
--高分子的基本结构
--高分子的基本结构
-3.8 非晶、准晶和纳米晶
-讨论1
-讨论2
-习题-第3章
-4.1 扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
-4.2 扩散的微观机制
--扩散的微观机制
--扩散的微观机制
-4.3 扩散与原子的随机行走
-4.4 扩散系数与扩散激活能
-4.5 扩散的影响因素
--扩散的影响因素
--扩散的影响因素
-4.6 反应扩散
--反应扩散
--反应扩散
-讨论1
-讨论2
-习题-第4章
-5.1 纯金属的结晶
--纯金属的结晶
--纯金属的结晶
-5.2 金属结晶的基本条件
-5.3 液态金属的结构
--液态金属的结构
--液态金属的结构
-5.4 均匀形核
--均匀形核
--均匀形核
-5.5 非均匀形核
--非均匀形核
--非均匀形核
-5.6 晶体长大的动力学条件和液固界面微观结构
-5.7 阶梯的长大机制和生长形态
-讨论1
-讨论2
-习题-第5章
-6.1 匀晶相图
--匀晶相图
--匀晶相图
-6.2 共晶相图
--共晶相图
--共晶相图
-6.3 共析相图与包晶相图
-6.4 其他二元相图
--其他二元相图
--其它二元相图
-6.5 铁碳合金的组元及基本相
-6.6 Fe-Fe3C相图分析与工业纯铁结晶过程
-6.7 钢的结晶过程
--钢的结晶过程
--钢的结晶过程
-6.8 白口铸铁的结晶过程
-6.9 碳对铁碳合金平衡组织的影响
-6.10 碳对Fe-C合金机械性能的影响
-6.11 三元相图的表示方法
-6.12 直线法则与杠杆定律
-6.13 重心法则
--重心法则
--重心法则
-6.14 三元匀晶相图与等温截面图
-6.15 变温截面与投影图
--变温截面与投影图
--变温截面与投影图
-6.16 具有共晶三相平衡的三元系相图概况
-6.17 具有共晶三相平衡的三元系相图分析
-6.18 具有共晶三相平衡的三元系相图截面图与投影图
-讨论1
-讨论2
-习题-第6章
-7.1 固态相变的特点分类
-7.2 固态相变的形核与生长
-7.3 成分保持不变的(无扩散)相变
-7.4 过饱和固溶体的分解
-7.5 共析转变
--共析转变
--共析转变
-7.6 马氏体转变（一）
--马氏体转变（一）
--马氏体转变（一）
-7.7 马氏体转变（二）
--马氏体转变（二）
--马氏体相变（二）
-7.8 贝氏体相变
--贝氏体相变
--贝氏体转变
-讨论1
-讨论2
-习题-第7章
-8.1 点缺陷
--点缺陷
--点缺陷
-8.2 位错的基本概念
--位错的基本概念
--位错的基本概念
-8.3 柏氏矢量
--柏氏矢量
--柏氏矢量
-8.4 位错的运动
--位错的运动
--位错的运动
-8.5 位错的弹性性质
--位错的弹性性质
--位错的弹性性质
-8.6 位错的交互作用
--位错的交互作用
--位错的交互作用
-8.7 位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
-8.8 实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
-8.9 位错反应
--位错反应
--位错反应
-8.10 晶界与相界
--晶界与相界
--晶界与相界
-讨论1
-讨论2
-习题-第8章
-9.1 金属的应力-应变曲线
-9.2 单晶体的塑性变形-滑移
-9.3 单晶体的塑性变形-孪生
-9.4 多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
-9.5 多相合金的塑性变形
-9.6 聚合物与陶瓷的塑性变形
-9.7 变形后的组织与性能
-9.8 晶体的断裂
--晶体的断裂
--晶体的断裂
-9.9 回复和再结晶
--回复和再结晶
--回复和再结晶
-9.10 再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
-9.11 再结晶组织控制
--再结晶组织控制
--再结晶组织控制
-9.12 蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
-讨论1
-讨论2
-习题-第9章
