当前课程知识点：材料科学基础 > 第五章 凝固 > 5.7 阶梯的长大机制和生长形态 > 阶梯的长大机制和生长形态
同学们
这一节我们来学习晶体长大的机制
晶体长大机制是指在结晶过程当中
晶体的结晶面的生长方式
与其液-固相界面的结构是有关系的
首先我们来看一下
具有光滑界面晶体的生长方式
光滑界面的晶体
在长大过程当中
其液固相界面总是保持比较完整的平面
界面的生长通过台阶生长机制
其中具有代表性的模型有以下两种
第一种
二维晶核台阶生长模型
这种模型认为首先在平整界面上
通过均匀形核形成一个具有
单原子厚度的二维晶核
然后液相中的原子
不断地依附在二维晶核周围的台阶上
使二维晶核很快地向四周
横向扩展而覆盖了整个晶体的表面
如PPT图当中所示
接着在新的界面上又形成新的二维晶核
并向横向扩展而长满一层
如此反复的进行
界面的推移通过二维晶核的不断形成
和横向扩展而进行
这种界面的推移是不连续的
每覆盖一层
界面就沿其法线方向推进了一个原子层的距离
相当于该生长晶面族的面间距
晶体当中不同生长晶面族的面间距是不同的
原子最密排面的面距最大
因此 在晶体生长过程当中
不同晶面族的晶面
沿其法线方向的生长速度也是不同的
生长速度较慢的非原子密排面
逐渐被生长速度较快的原子密排面所淹没
最终结晶成的晶粒的外表面
多由原子密排面和次密排面所组成
具有较规则的几何外形
第二种叫晶体缺陷台阶生长机制
由于二维晶核的形成需要一定的形核功
因而需要较强的过冷条件
如果结晶过程当中
在晶体表面存在着
垂直于界面的螺型位错的露头
那么液相原子或二维晶核
就会优先附在这些地方
晶体的螺型位错台阶生长机制
如图所示
液相原子不断地添加到
由螺型位错露头形成的台阶上
界面以台阶的机制生长
和按螺旋方式连续地扫过界面
在成长的界面上将形成螺旋的新台阶
这种生长是连续的
下面我们再来看粗糙界面晶体的生长方式
粗糙界面晶体生长
在长大的过程当中
其液固相界面上
总是有大约一半的原子位置是空的
它们对接纳液相当中的单原子具有等效性
因此液相当中的原子
可随机地添加在界面的空位置上
而成为固相原子
随着液相原子不断地附着
界面连续地沿其法线方向推进
晶体的这种生长方式称为垂直生长机制
如PPT图当中所示
在晶体生长过程当中
液相原子的附着不需要附加能量
界面的推进是连续的
所以晶体的长大速度比较快
但由于晶体当中
各晶面族的原子排列状况是不同的
液相原子向各晶面族上的附着的速度也就不同
研究表明
液相原子在体心立方和面心立方晶体上
最快附着的晶面族是{100}
晶体最快生长方向是<100>
密排六方晶体的原子最快附着的晶面族是{1010}
晶体最快生长的方向是<1010>方向
下面我们来学习一下晶体的生长形态
纯金属凝固的时候
晶体的生长形态取决于
界面的微观结构和界面前沿当中
液相的温度分布
界面前沿液相当中的温度分布呢
有两种类型
正的温度梯度和负的温度梯度
液态金属在铸模当中凝固的时候
由于模壁的温度比较低
使靠近模壁的液体首先过冷而凝固
而在铸模的中心的液体温度是较高的
液体的热量和结晶潜热
通过固相和模壁传导而迅速的散出
这样就造成了液固相界面
前沿液体的温度分布是正的温度梯度
即液体当中的过冷度
随着距离固液界面的距离增加而减小
如图所示
在缓慢冷却条件下
液体内部的温度分布比较均匀
并同时过冷到某一温度
这时在模壁上的液体首先开始形核长大
液固界面上所产生的结晶潜热
将同时通过固相和液相传导散出
这样使得界面前沿的液体当中
产生负的温度梯度
即界面前沿液体当中的过冷度
随着离界面距离的增加而增大
如图所示
那么 分别在正的温度梯度
和负的温度梯度下晶体都是如何生长的呢
在正的温度梯度下对于粗糙界面的晶体
其生长界面是以垂直长大的方式来推进的
由于前方液体温度高
所以生长界面只能随前方液体的逐渐冷却
而均匀地向前推移
整个液固相界面保持稳定的平面状态
不产生明显的突起
界面上的温度相同并保持不变
由于粗糙界面的推移所需要的能量较小
因此 大多数金属的动态过冷度ΔTk相当小
仅为0.01到0.05个摄氏度
因此晶体的生长界面与Tm等温线几乎重合
对于光滑界面结构的晶体
其生长界面以小平面台阶生长方式推进
小平面台阶的扩展同样不能
伸入到前方温度高于Tm的液体当中去
因此 从宏观来看
液固相界面好似与Tm等温线平行
但小平面与Tm等温线呈一定的角度
如图所示
在这种情况下
晶体生长时的动态过冷度
要比粗糙界面要大得多
一般在1到2摄氏度
在正的温度梯度下
晶体的这种生长方式称为平面状生长
晶体生长方向与散热方向相反
生长速度取决于固相的散热速度
我们下面再来看一下
在负的温度梯度情况下
晶体是如何生长的呢
晶体的生长界面
一旦出现局部的凸出生长
由于前方液体具有更大的过冷度
而使其生长速度增加
在这种情况下
生长界面就不可能继续保持平面的状态
而会形成许多伸向液体的结晶轴
同时在晶轴上又会发展出二次枝晶
三次枝晶等等
如图所示
晶体的这种生长方式
被称为树枝状生长
在树枝晶生长时
伸展的晶轴具有一定的晶体取向
来降低界面能
晶轴的位向与晶体的结构类型有关
例如fcc或bcc结构主要为<100>
hcp结构主要为<1010>
粗糙界面结构的金属
其树枝状生长形态最为明显
光滑界面结构的晶体
树枝晶不明显
PPT图中为钢锭当中的树枝状晶的晶体
这一节
我们就学习到这里
-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
