固态相变,共晶,过冷度(北理工考研适用).doc

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1、【非均匀形核】基底与结晶晶体结构越相似，越易促进非均匀形核。晶体长大【晶体长大】液相中液-固界面位置存在原子相互迁移，即凝固和熔化，当液相向固体的原子迁移量高于固体向液体的原子迁移量大时，晶粒长大。晶体长大过程中，固-液界面力图保持能量最低。熔化熵是表征晶体凝固过程中生长特性的参数。△Sf-熔化熵；k-波尔玆曼常数；△Hf-熔化潜热；Te-理论凝固温度。1、大多数金属属此类。【粗糙界面】固-液界面微观上粗糙不平，存在几个原子层厚的过渡层，过渡层约有半数原子的位置为固相所占据，称为粗糙界面。从宏观上看，界面显得平直，不出现曲

2、折的小平面。液相原子不断在固相表面各处连续沉积，使晶体垂直于界面向液相中连续生长。晶体生长特点：①不需孕育期和形核功；②连续垂直生长；③固-液界面生长所需动态过冷度△Tk(结晶时，固-液界面处温度与理论结晶温度之差)很小（约10-4℃）；④生长速率(固-液界面向液相推进速率)很大：v=k△T半导体硅、锗以及锑、铋等属此类。【光滑界面】以上为液相，以下为固相，固相的表面为基本完整的原子密排面，液固两相截然分开，所以从微观上看是光滑的，但是在宏观上它们往往由不同位相的小平面组成，故呈折线状，这类界面也称小平面界面。界面上存在许

3、多台阶，液相原子在台阶处附着沉积，使晶体横向一层一层的向液相中生长。晶体生长特点：①依赖界面台阶的生长速率较慢。②当界面存在螺位错时，不需在固-液界面上反复形核，生长连续，生长速率为：v=k’△T2（k’为常数）高分子及一些结构复杂的物质属此类。生长特点：①需要不断形成新的二维晶核，需形核功，生长不连续；②晶体生长需要较大动态过冷度△Tk（1～2℃）；③生长速率：v=Aexp(-B/△Tk)式中，A、B为常数。二、温度梯度对晶体生长的影响1、正温度梯度下的晶体生长—平面状生长---纯物质平面生长，形成等轴晶粗糙界面和光滑界

4、面皆以平面状方式向液相中推移。★这种情况下，结晶潜热只能通过固相散出，相界面的推移速度受固相传热速度所控制。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的部分而伸温度入较高的液态中时，它的生长速度就会减慢甚至停止，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。2、负温度梯度下的生长形态—树枝状生长---纯物质树枝状生长，形成枝状晶固-液界面以树枝状方式向液相中推移。对粗糙界面，效应显著，对光滑界面往往不明显。相界面上的产生的结晶潜热即可通过固相

5、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）的液相中，时凸出部分的生长速度增大而进一步伸向液体中，液-固界面就不能保持平面状而形成许多伸向液体的分支，同时这些晶枝上又可能长出二次晶枝，在二次晶枝再长出三次晶枝，这种方式既树枝生长或树枝状结晶。固溶体合金的凝固一、合金凝固的三种典型情况1、平衡凝固固溶体合金凝固时，溶质在液相和由其凝固形成的固相之间发生不均匀分布，不均匀分布程度用平衡分配系数k0表示。其为平衡凝固时固相摩尔分

6、数WS与液相摩尔分数XL之比：k0=WS/WL①当随溶质浓度增加，凝固开始温度和终结温度降低时，k0＜l。②当随溶质浓度增加，凝固开始温度和终结温度升高时，k0＞1。k0越接近于1，表明合金凝固时固相与液相的成分越接近，成分不均匀分布的程度越小。假定固、液相线为直线，可由几何方法证明k0为常数。★平衡凝固时固相中的溶质分布设在一容器中，有原始成分为X0的液相匀晶合金从左向右进行平衡凝固，液相和固相中原子扩散充分，二者成分在任意时刻各自保持均匀。结晶结束时，固相成分就是合金成分。2、非平衡凝固因固相凝固时排向液相的溶质向远处

7、液相传质不畅而在固-液界面前液相中富积，形成溶质富积层。随溶质富积层中溶质浓度梯度增加，溶质经扩散穿过溶质富积层的速率增大，直到由固相中排到溶质富积层中的溶质量与由溶质富积层中扩散出去的溶质量相等时，溶质富积层中溶质浓度形成动态平衡。1）固相无扩散，液相对流(成分完全均匀）的非平衡凝固溶质富积层扩散出的溶质因对流迅速扩散到远处，使溶质富积层外液相溶质浓度XLB均匀并与溶质富积层中固-液界面处液相溶质浓度XLi同步上升。当溶质富积层中溶质浓度达到动态平衡时，XLi与XLB也达到平衡，即XLi/XLB近似保持不变，形成稳态阶段

8、。2）固相无扩散，液相无对流(成分不均匀)的非平衡凝固非平衡凝固开始后，溶质富积层中溶质不能对流至远处液相。远处液相保持合金成分X0。当固-液界面固相浓度逐渐增加达到X0时，固-液界面液相浓度达到X0/k0。此时，固-液界面处固相-液相成分保持稳定。二、成分过冷及其对晶体生长的影响【热过冷】液态金属中的