第4章_纯金属晶体生长界面动力学过程

1、 第四章第四章 纯金属晶体生长界面纯金属晶体生长界面 动力学过程动力学过程 液体金属中形核以后，液体中的原子陆续向晶体表面排列堆砌，晶体便不断长大。因此晶体的生长就是液体中的原子向晶体表面的堆砌过程，也是固-液界面向液体中不断推移的过程。 晶体的生长主要主要受以下三个因素的影响： 界面前沿液体中的温度条件界面前沿液体中的温度条件 界面的结构界面的结构 对合金而言，还与界面前液体中的溶质浓度及合对合金而言，还与界面前液体中的溶质浓度及合 金本身性质有关。金本身性质有关。 本章只讲纯金属的晶体生长，合金的晶体生长在第五章中讲述。4-1晶体生长界面微观动力学4-2 晶体宏观生长方式4-3 晶体微观生

2、长方式4-1晶体生长界面微观动力学晶体生长界面微观动力学 一、固一、固-液界面上的原子交换液界面上的原子交换 界面上始终存在原子的交换 即 原子s 原子L1. 原子L 原子S界面上液体中的原子如具有较大的能量克服液体中其它原子对它的作用力，就能越过界面跑到固体表面而定居下来，便产生部分液体的凝固。也就是说，液体原子必须克服能量为QL（液体激活能）的势垒才能凝固。sdtdn)( 设液体原子跑到固体表面而定居下来的面密度（单位面积上的原子数）为n，则凝固速度为 （t为时间）图 1.界面上原子交换 如果界面上固体原子具有大于QS（固体激活能）的激活能，即克服QS的能量势垒，就越过界面跳到液体中，发生

3、部分固体的熔化。设固体原子跳到液体中的面密度为n，熔化速度为：mdtdn 2. 原子原子S 原子原子L 当界面温度T=Tm（熔点）时，有：smdtdndtdnsmdtdndtdnsmdtdndtdn熔化速度等于凝固速度，界面处于平衡状态，界面不能生长。当TTm时，有发生熔化。当TTm时，有发生凝固，晶体得以生长，固-液界面向液体中推进。 二、晶体生长的条件二、晶体生长的条件 晶体不断生长必须满足： 界面温度T 2 光滑界面231.8mmSRS （ 气体常数）kmolJSm/6 .16kmolJR/31. 8kmolJSm/6 .16熔化熵： 光滑界面（大多数非金属及化合物属于这种结构）熔化熵：

4、 粗糙界面（大多数金属界面属于这种结构）设 ，其中R=KA，K为波尔兹曼常数，A为阿伏伽德罗常数，则1图 7.界面自由能变化与界面上 原子所占位置分数的关系 mkTHm二、晶体的微观长大方式二、晶体的微观长大方式 上述固上述固-液界面的性质（粗糙界面还是光滑界面），液界面的性质（粗糙界面还是光滑界面），决定了晶体微观生长方式的差异。决定了晶体微观生长方式的差异。1. 连续生长连续生长2. 晶体的二维晶核生长晶体的二维晶核生长3. 晶体从缺陷处生长晶体从缺陷处生长4. 三种生长速度的比较三种生长速度的比较 1. 连续生长连续生长 粗糙面的界面结构，许多位置均可作为原子向上堆砌的台粗糙面的界面结构

5、，许多位置均可作为原子向上堆砌的台阶，液相扩散来的原子很容易被接纳与晶体连接起来。由阶，液相扩散来的原子很容易被接纳与晶体连接起来。由于前面讨论的热力学因素，生长过程中仍可维持粗糙面的于前面讨论的热力学因素，生长过程中仍可维持粗糙面的界面结构。只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行界面结构。只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续长大连续长大”。 其其生长方向为界面的法线方向生长方向为界面的法线方向，即垂直于界面生长。，即垂直于界面生长。 生长特点：生长特点： 生长过冷度生长过冷度 很小：很小： 生长速度生长速度 很快很快: ( 连续生长系数连续生长系数) 生长后的晶体形貌：非多面体（

6、也称非小晶面）生长后的晶体形貌：非多面体（也称非小晶面）kTkTk05. 001. 0kTR1连1连R2. 晶体的二维生长晶体的二维生长 对平整的固对平整的固-液界面，因液界面，因界面上没有多少位置供原子占界面上没有多少位置供原子占据，据， 单个的原子无法往界面上单个的原子无法往界面上堆砌。此时如同均质形核那样，堆砌。此时如同均质形核那样，在平整界面上形成一个原子厚在平整界面上形成一个原子厚度的核心，叫度的核心，叫二维晶核二维晶核，如图，如图8所示所示.由于二维核心的形成，由于二维核心的形成，产生了台阶产生了台阶；液相中的原子即；液相中的原子即可源源不断地沿台阶堆砌，使可源源不断地沿台阶堆砌，

7、使晶体侧向生长。当台阶被完全晶体侧向生长。当台阶被完全填满后，又在新的平整界面上填满后，又在新的平整界面上形成新的二维台阶，如此继续形成新的二维台阶，如此继续下去，完成凝固过程。下去，完成凝固过程。图 8. 平整界面二维晶核长大模型 生长特点：生长特点： 生长过冷度生长过冷度 很大：很大： 生长速度生长速度 很慢：很慢： ( 二维生长 系数 b 常数) 生长后晶体形貌：多面体（也称小晶面）生长后晶体形貌：多面体（也称小晶面）kTKTk21kTbeR2222R3. 晶体从缺陷处生长晶体从缺陷处生长 一般条件下，晶体总要形成各种生长缺陷（由一般条件下，晶体总要形成各种生长缺陷（由冷却凝固较快引起）

8、，这些缺陷就构成了原子往上冷却凝固较快引起），这些缺陷就构成了原子往上堆砌的台阶。堆砌的台阶。 此种晶体生长方式实质上是平整界面的二维生长此种晶体生长方式实质上是平整界面的二维生长的另一种形式，它不是由形核来形成二维台阶，而的另一种形式，它不是由形核来形成二维台阶，而是依靠晶体缺陷产生出台阶，如位错、孪晶等。是依靠晶体缺陷产生出台阶，如位错、孪晶等。包括包括（1）螺旋位错生长）螺旋位错生长 （2）反射孪晶生长）反射孪晶生长 （3）旋转孪晶生长）旋转孪晶生长（1）螺旋位错生长）螺旋位错生长 这种螺旋位错台阶在生这种螺旋位错台阶在生长过程中不会消失。长过程中不会消失。 生长特点：生长特点：生长过冷

9、度生长过冷度 较小较小生长速度生长速度 较快：较快：（ 螺旋位错生长系数）螺旋位错生长系数）生长后晶体形貌：由缺陷数生长后晶体形貌：由缺陷数 的多少决定。的多少决定。kT螺R23kTR螺 图 9. 螺旋位错生长机制3（2）反射孪晶生长）反射孪晶生长这种缺陷往往出现在面心立方结构的晶体中（如Al、Cu等），以密排面（111）所形成的沟槽孪晶边界，并向方向生长快，长大过程中沟槽可保持下去，长大不断进行。图 10. 反射孪晶生长机制（3）旋转孪晶生长）旋转孪晶生长 这种缺陷往往存在于层状结构的晶体中（如石墨等），由于两层基面排错而旋转一定角度，形成侧面台阶。（=13.2，21.8，27.8）， 于是沿 生长较快，长成片状。01100110图11. 旋转孪晶生长机制4、三种生长方式生长速度的比较、三种生长方式生长速度的比较 连续生长连续生长 二维晶核台阶生长二维晶核台阶生长 螺旋位错台阶生长螺旋位错台阶生长kTbeR2223kTR螺kTR1连图12.三种生长速度的比较第4章作业：1. 金属及合金的凝固包括哪两个过程？完成这两个过程需要哪两种过冷度？这两种过冷度的区别及物理