2.5 晶核的长大演示课件

2.5

晶核的长大2.5

晶核的长大2晶核长大的条件a. 液相不断向晶体扩散供应原子，也即要求液相有足够高的温度，以使液态金属原子具有足够的扩散能力。b. 要求晶体表面能够不断而牢靠的接纳这些原子，晶体表面上任意地点接纳原子的位置多少与晶体的表面结构有关，并应符合结晶过程的热力学条件。决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶核的界面结

构、界面前沿的温度梯度。2.5

晶核的长大3界面结构a.

光滑界面

(Smooth

interface)：原子尺度下，界面为平整的原子表面。一般为密排晶面。界面两侧固液原子截然分开，没有过渡层。 光学显微镜下，光滑界面由了若干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。b. 粗糙界面

(Roughinterface)：原子尺度下，界面两侧有几个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。2.5

晶核的长大界面结构光滑界面4微观结构宏观结构粗糙界面2.5

晶核的长大晶体长大机制界面的微观结构不同，其接纳液相中迁移过来的原子的能力也不同，因此晶体长大时将有不同机制。a. 二维晶核长大机制

（光滑界面、长大速度慢）b. 螺型位错长大机制

（光滑界面，长大速度较快）c. 连续或垂直长大机制（粗糙界面，长大速度快，大部分金属晶体以此方式长大。）52.5

晶核的长大二维晶核长大机制

(Two-dimensional

nucleation)光滑界面每向液相中长大一层都是由一个二维晶核（一个原子厚度的晶体小片）先在界面上形成，接着这个二维晶核侧向生长，如此反复进行，直至结晶完成。由于形成二维晶核需要形核功，这种机制的晶体长大速率很慢。62.5

晶核的长大螺型位错长大机制

(Screw

dislocation

mechanism)液相原子可以直接添加到界面上由于晶体缺陷而形成的台阶上，从而使晶体不断长大。如螺型位错在界面露头就可以提供台阶。由于界面上台阶数量有限，这种机制下晶体生长速率也很小。72.5

晶核的长大连续或垂直长大机制

(Vertical

growth)粗糙界面上，约有50%的结晶位置空着，液相原子可以直接进入这些位置，从而使整个固-液界面垂直地向液相中推进，即晶体沿界面的法线方向向液相中生长。这种长大方式叫做垂直长大，这样的晶体生长速率很快。82.5

晶核的长大固液界面前沿液体中的温度梯度正温度梯度负温度梯度92.5

晶核的长大正温度梯度下晶体的长大结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失，相界面向液相中的推移速度受其散热速率的控制。502.5

晶核的长大11正温度梯度下晶体的长大1）光滑界面的情况光滑界面的晶体，显微界面是某一晶体学密排面（一般而言，密排面界面能小，但生长速度慢）。与散热方向成不同角度分布，宏观上仍为平整表面，这种情况有利于形成具有规则

形状的晶体。2）粗糙界面的情况晶体成长时固液界面的形状决定于散热，实际上为理论结晶温度的等温面。在小的区域内界面为平面，局部的不平衡带来的小凸起因前沿的温度较高而放慢生长速度，因此可理解为齐步走，称为平面推进方式生长。2.5

晶核的长大负温度梯度下晶体的长大负温度梯度下结晶过程的潜热不仅可通过已凝固的固体向外散失，而且还可向低温的液体中传递。122.5

晶核的长大13负温度梯度下晶体的长大具有粗糙界面的晶体表面某些局部偶尔突出，突出处发展有利，突出尖端向液体生长，其横向发展速度远小于向前方的长大速度，因此突出尖端很快长成细长的晶体，称为主干。负温度梯度下固液界面不可能保持平面形式生长，即使开始形成的晶核是一平面或多面体，也是不稳定的。在尖端和棱角等有利生长的地方优先上长成主干，称为一次晶枝。一次晶枝成长变粗，相变潜热释放，使其侧面也成为负温度梯度，因此侧面又长出二次枝晶，二次枝晶还可以长出三次枝晶。表现为树枝晶

(dendrite

grain)

的方式长大。2.5

晶核的长大负温度梯度下晶体的长大142.5

晶核的长大负温度梯度下晶体的长大152.5

晶核的长大负温度梯度下晶体的长大162.5

晶核的长大负温度梯度下晶体的长大每个枝晶发展为一个晶粒。对于高纯金属，枝晶间接触面全部填满后分不出枝晶，只看到晶粒边界。如果金属不纯，树枝间最后凝固的地方残留杂质，枝晶轮廓依然可见。172.5

晶核的长大18晶核长大要点

具有粗糙界面的金属，长大机理为垂直长大，所需过冷度小，长大速度大。

具有光滑界面的金属，其长大机理有两种：二维晶核长大和螺型位错长大方式，长大速度都很慢，所需过冷度很大。

晶体生长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有关。正温度梯度下，光滑界面为一些互成一定角度小晶面；粗糙界面的形态为平行于Tm的平直界面。负温度梯度下，一般金属的界面都呈树枝状。2.5

晶核的长大晶粒尺寸

晶粒大小的称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。

一般的测定方法是在放大100倍下观察后和标准的进行对比评级，1~8级(有更高的)，级别高的晶粒细。级别的定义为在放大100倍下，每平方英寸内1个晶粒时为一级，数量增加 2

倍提高一级。192.5

晶核的长大晶粒大小的控制晶粒大小取决于形核率（N）和长大速度(G）。N越大，G越小，单位体积内晶粒数量多，单个成长的空间越小，晶粒越细小。单位体积的晶粒数Zv和单位面积的晶粒数Zs可分别表示为：3

/

4

1/

260, Zs

1.1Zv

0.9

G

N

G

N

凡能促进形核、抑制长大的因素都能细化晶粒。2.5

晶核的长大21晶粒大小的控制

控制过冷度。降低浇注温度、浇注速度以及加快冷却速度可以

提高过冷度。如采用金属模、或加快散热，尽管形核率和长大

速度都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒将细化。

变质处理。人