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东大金属凝固原理第三章剖析
第三章 凝固动力学§3-1 自发形核§3-3 固液界面结构 §3-2 非自发形核§3-4 晶体生长方式 §3-1 自发形核 一、形核功 液相中出现晶核时,系统自由能的变化由两部分组成:(1)液相与固相的体积自由能差 △GV,是相变发生的驱动力;(2)形成固液界面增加的界面能△Gi是相变发生的阻力。系统自由能的变化总和是这两部分之和。 △G = △GV+ △Gi = △Gm·V + σLS·A (3-1) σLS固液界面张力;V-晶核体积;A-晶核表面积。△Gm固、液单位体积的吉布斯自由能差; △GV为负值; △Gi为正值。 当晶核为球形时: △G = △Gm·4πr3 / 3+ σLS·4πr2 (3-2)式中:△Gm = △Sm△T 求极值:d(△G)/dr=0,求出临界半径 r * = -2σLS / △Gm (3-3) 将(3-3) 代入(3-2)求出: 最大形核功: 晶核表面积: A * =4π( r *)2 =16π(σLS /△G m)2求得: △G *=1/3 A * ·σLS =1/3 △G i (3-5) 此式说明:临界形核功相当于增加的表面能的1/3。意味着,固液相之间的自由能之差,只能供给形成临界晶核半径所需表面能的2/3,其余1/3的能量靠能量起伏供给。 三、形核速率 形核速率可表示为: N1 为液体单个原子数;ΔGn为形成一个晶胚吉布斯自由能的变化;An*为临界晶胚的界面积;ν0为原子的振动频率;nc单位晶胚面积上能捕获原子的位置密度;k为玻尔兹曼常数;ΔGd为扩散激活能。 §3-2 非自发形核 晶胞在预存质点上形核,有三个界面能, σLS ,σLC ,σSC。 平衡时:σLC=σSC +σLS ·cosθ V:晶核球冠的体积; A1:晶核与夹杂的接触面积;A2:晶核与液体的接触面积。 晶核形成前,液体与夹杂界面接触,其界面能为: 晶核形成后界面能: 晶核形成前后的界面能变化△Gi为 将 代入上式得 晶核形成前后体积自由能的变化为 在形核时总的自由能变化为: 为求非自发形核的临界半径 及其形核功,可令 得: 非自发形核功为: 非自发形核功△ G* he 与自发形功△ G* ho 之比为: f(θ)=(2-3 cosθ+ cos3θ)×1/4 当θ=0 时,△ G *he = 0,完全润湿, cosθ=1 无过冷即可形核。 当θ=180 时,△ G *he = △ G *ho ,完全不润湿, 非自发形核不起作用。 从公式 可知,为使cosθ不出现负值,σSC 应小于σLC ,σSC 越小越好,σSC 越小,则cosθ越可能趋近于1,即θ趋近于0.为此晶核和夹杂间的界面张力σSC 越小,越有利非均质形核。 根据界面能产生的原理,两个相互接触的晶面结构(原子排列、原子大小、原子间距等)应相似,之间的界面能越小,通常用错配度(不匹配度)δ表示。 δ =(aC-aN)/aNac 夹杂物的原子间距。 aN晶核的原子间距。 δ越小,说明两者匹配的越好,界面张力越低,非自发形核过冷度越低。 §3-3 固液界面结构 材料结晶形貌上分两大类: 一为非小平面生长,宏观上光滑的S/L界面,原子附着是各向同性的。 另一类为小晶面长大,类金属、金属间化合物属于此类。它们的晶体具有宏观上锯齿状的S/L界面,并显示出结晶面的特征。 固-液界面分粗糙界面(也称非小晶面)和光滑界面(也称小晶面)两种。小晶面,固-液界面上的原子排列是光滑的;但从宏观尺度来看却是不光滑的。非小晶面,固-液界面上的原子排列是粗糙的;但从宏观尺度来看固-液界面却是平滑的。在非平界面生长(单向凝固)条件下,非小晶面将生长成光滑的树枝;
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