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纯金属的结晶 物质由液态到固态的转变过程称为凝固。 如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为结晶。 金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型材、棒材、板材和线材。 金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的影响，而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。 第一节 纯金属的结晶过程 第二节 结晶的热力学条件 第三节 形核规律 第四节 长大规律 思考题 第五节 结晶理论的某些实际应用 图 光滑界面（a）和粗糙界面（b）的微观和宏观结构示意图 §3.4.1 液-固界面的微观结构 固-液界面(Solid-liquid interface)按微观结构可以分为光滑界面(Smooth interface)和粗糙界面(Rough interface)两种。 所谓光滑界面是指固相表面为基本完整的原子密排面，固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏观来看，界面呈锯齿状的折线。 粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直的。 光滑界面和粗糙截面是根据微观结构进行分类的，光滑界面在微观上是光滑的，在宏观上是粗糙的；粗糙界面在微观上是粗糙的，在宏观上是光滑的。 假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x= NA/N。 如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占据，这样的截面为光滑界面。 界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加原子时，其界面自由能的变化 不同α值下⊿GS／(NkTm)与x的关系 α＜2时，在x＝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被固相原子占据着，形成粗糙界面。 α≥5时，在P＝l和P＝0处，界面能具有两个极小值，这表明界面上绝大多数原子位置被固相原子占据或空着，为光滑界面。 金属一般为粗糙界面，高分子往往为光滑界面。 晶核长大机制是指在结晶过程晶体结晶面的生长方式，与其液-固相界面的结构有关。 图 温度对晶核熔化和长大的影响 §3.4.2 晶核的长大机制 1.具有粗糙界面的物质的长大机制 具有粗糙界面的物质，液-固相界面上有大约一半的原子位置是空的，液相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。晶体的这种生长方式称为垂直生长机制，其长大速度很快。 图 晶体的垂直长大方式示意图 2.具有光滑界面的物质的长大机制 （1）二维晶核台阶生长模型 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表面。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。 晶体中不同生长晶面族中，原子最密排面的面距最大。在晶体生长中过程，不同晶面族的晶面沿其法线方向的生长速度不同。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。 图 二维晶核长大示意图 （2）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，长大速率很慢。 如果结晶过程中，在晶体表面存在着垂直于界面的螺位错露头，那么液相原子或二维晶核就会优先附在这些地方。液相原子不断地添加到由螺位错露头形成的台阶上，界面以台阶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新台阶。这种生长是连续的。 图 螺旋长大的SiC晶体 图 螺型位错长大机制 纯金属凝固时晶体的生长形态取决于界面的微观结构和界面前沿液相中的温度分布。 图 两种温度分布方式 (a) 正温度梯度 (b) 负温度梯度 §3.4.3 纯金属的生长形态 为什么会出现负的温度梯度？ 液态金属在铸模中凝固时，往往由于模壁温度比较低，使靠近模壁的液体首先过冷而凝固。而在铸模中心的液体温度最高，液体的热量和结晶潜热通过固相和模壁传导而迅速散出，这样就造成了液-固相界面前沿液体的温度分布为正的温度梯度。 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-固相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中产生负的温度梯度。 1.在正的温度梯度下 1）粗糙界面时 对于粗糙界面的晶体，其生长界面以垂直长大方式推进。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。 2）光滑界面时 对于光滑界面结构的晶体，其生长界面以