第4章_純金屬晶體生長界面動力學(xué)過程

1、 第四章第四章 純金屬晶體生長界面純金屬晶體生長界面 動力學(xué)過程動力學(xué)過程 液體金屬中形核以后，液體中的原子陸續(xù)向晶體表面排列堆砌，晶體便不斷長大。因此晶體的生長就是液體中的原子向晶體表面的堆砌過程，也是固-液界面向液體中不斷推移的過程。 晶體的生長主要主要受以下三個因素的影響： 界面前沿液體中的溫度條件界面前沿液體中的溫度條件 界面的結(jié)構(gòu)界面的結(jié)構(gòu) 對合金而言，還與界面前液體中的溶質(zhì)濃度及合對合金而言，還與界面前液體中的溶質(zhì)濃度及合 金本身性質(zhì)有關(guān)。金本身性質(zhì)有關(guān)。 本章只講純金屬的晶體生長，合金的晶體生長在第五章中講述。4-1晶體生長界面微觀動力學(xué)4-2 晶體宏觀生長方式4-3 晶體微觀生

2、長方式4-1晶體生長界面微觀動力學(xué)晶體生長界面微觀動力學(xué) 一、固一、固-液界面上的原子交換液界面上的原子交換 界面上始終存在原子的交換 即 原子s 原子L1. 原子L 原子S界面上液體中的原子如具有較大的能量克服液體中其它原子對它的作用力，就能越過界面跑到固體表面而定居下來，便產(chǎn)生部分液體的凝固。也就是說，液體原子必須克服能量為QL（液體激活能）的勢壘才能凝固。sdtdn)( 設(shè)液體原子跑到固體表面而定居下來的面密度（單位面積上的原子數(shù)）為n，則凝固速度為 （t為時間）圖 1.界面上原子交換 如果界面上固體原子具有大于QS（固體激活能）的激活能，即克服QS的能量勢壘，就越過界面跳到液體中，發(fā)生

3、部分固體的熔化。設(shè)固體原子跳到液體中的面密度為n，熔化速度為：mdtdn 2. 原子原子S 原子原子L 當(dāng)界面溫度T=Tm（熔點）時，有：smdtdndtdnsmdtdndtdnsmdtdndtdn熔化速度等于凝固速度，界面處于平衡狀態(tài)，界面不能生長。當(dāng)TTm時，有發(fā)生熔化。當(dāng)TTm時，有發(fā)生凝固，晶體得以生長，固-液界面向液體中推進(jìn)。 二、晶體生長的條件二、晶體生長的條件 晶體不斷生長必須滿足： 界面溫度T 2 光滑界面231.8mmSRS （ 氣體常數(shù)）kmolJSm/6 .16kmolJR/31. 8kmolJSm/6 .16熔化熵： 光滑界面（大多數(shù)非金屬及化合物屬于這種結(jié)構(gòu)）熔化熵：

4、 粗糙界面（大多數(shù)金屬界面屬于這種結(jié)構(gòu)）設(shè) ，其中R=KA，K為波爾茲曼常數(shù)，A為阿伏伽德羅常數(shù)，則1圖 7.界面自由能變化與界面上 原子所占位置分?jǐn)?shù)的關(guān)系 mkTHm二、晶體的微觀長大方式二、晶體的微觀長大方式 上述固上述固-液界面的性質(zhì)（粗糙界面還是光滑界面），液界面的性質(zhì)（粗糙界面還是光滑界面），決定了晶體微觀生長方式的差異。決定了晶體微觀生長方式的差異。1. 連續(xù)生長連續(xù)生長2. 晶體的二維晶核生長晶體的二維晶核生長3. 晶體從缺陷處生長晶體從缺陷處生長4. 三種生長速度的比較三種生長速度的比較 1. 連續(xù)生長連續(xù)生長 粗糙面的界面結(jié)構(gòu)，許多位置均可作為原子向上堆砌的臺粗糙面的界面結(jié)構(gòu)

5、，許多位置均可作為原子向上堆砌的臺階，液相擴(kuò)散來的原子很容易被接納與晶體連接起來。由階，液相擴(kuò)散來的原子很容易被接納與晶體連接起來。由于前面討論的熱力學(xué)因素，生長過程中仍可維持粗糙面的于前面討論的熱力學(xué)因素，生長過程中仍可維持粗糙面的界面結(jié)構(gòu)。只要原子沉積供應(yīng)不成問題，可以不斷地進(jìn)行界面結(jié)構(gòu)。只要原子沉積供應(yīng)不成問題，可以不斷地進(jìn)行“連續(xù)長大連續(xù)長大”。 其其生長方向為界面的法線方向生長方向為界面的法線方向，即垂直于界面生長。，即垂直于界面生長。 生長特點：生長特點： 生長過冷度生長過冷度 很?。汉苄。?生長速度生長速度 很快很快: ( 連續(xù)生長系數(shù)連續(xù)生長系數(shù)) 生長后的晶體形貌：非多面體（

6、也稱非小晶面）生長后的晶體形貌：非多面體（也稱非小晶面）kTkTk05. 001. 0kTR1連1連R2. 晶體的二維生長晶體的二維生長 對平整的固對平整的固-液界面，因液界面，因界面上沒有多少位置供原子占界面上沒有多少位置供原子占據(jù)，據(jù)， 單個的原子無法往界面上單個的原子無法往界面上堆砌。此時如同均質(zhì)形核那樣，堆砌。此時如同均質(zhì)形核那樣，在平整界面上形成一個原子厚在平整界面上形成一個原子厚度的核心，叫度的核心，叫二維晶核二維晶核，如圖，如圖8所示所示.由于二維核心的形成，由于二維核心的形成，產(chǎn)生了臺階產(chǎn)生了臺階；液相中的原子即；液相中的原子即可源源不斷地沿臺階堆砌，使可源源不斷地沿臺階堆砌，

7、使晶體側(cè)向生長。當(dāng)臺階被完全晶體側(cè)向生長。當(dāng)臺階被完全填滿后，又在新的平整界面上填滿后，又在新的平整界面上形成新的二維臺階，如此繼續(xù)形成新的二維臺階，如此繼續(xù)下去，完成凝固過程。下去，完成凝固過程。圖 8. 平整界面二維晶核長大模型 生長特點：生長特點： 生長過冷度生長過冷度 很大：很大： 生長速度生長速度 很慢：很慢： ( 二維生長 系數(shù) b 常數(shù)) 生長后晶體形貌：多面體（也稱小晶面）生長后晶體形貌：多面體（也稱小晶面）kTKTk21kTbeR2222R3. 晶體從缺陷處生長晶體從缺陷處生長 一般條件下，晶體總要形成各種生長缺陷（由一般條件下，晶體總要形成各種生長缺陷（由冷卻凝固較快引起）

8、，這些缺陷就構(gòu)成了原子往上冷卻凝固較快引起），這些缺陷就構(gòu)成了原子往上堆砌的臺階。堆砌的臺階。 此種晶體生長方式實質(zhì)上是平整界面的二維生長此種晶體生長方式實質(zhì)上是平整界面的二維生長的另一種形式，它不是由形核來形成二維臺階，而的另一種形式，它不是由形核來形成二維臺階，而是依靠晶體缺陷產(chǎn)生出臺階，如位錯、孿晶等。是依靠晶體缺陷產(chǎn)生出臺階，如位錯、孿晶等。包括包括（1）螺旋位錯生長）螺旋位錯生長 （2）反射孿晶生長）反射孿晶生長 （3）旋轉(zhuǎn)孿晶生長）旋轉(zhuǎn)孿晶生長（1）螺旋位錯生長）螺旋位錯生長 這種螺旋位錯臺階在生這種螺旋位錯臺階在生長過程中不會消失。長過程中不會消失。 生長特點：生長特點：生長過冷

9、度生長過冷度 較小較小生長速度生長速度 較快：較快：（ 螺旋位錯生長系數(shù)）螺旋位錯生長系數(shù)）生長后晶體形貌：由缺陷數(shù)生長后晶體形貌：由缺陷數(shù) 的多少決定。的多少決定。kT螺R23kTR螺 圖 9. 螺旋位錯生長機(jī)制3（2）反射孿晶生長）反射孿晶生長這種缺陷往往出現(xiàn)在面心立方結(jié)構(gòu)的晶體中（如Al、Cu等），以密排面（111）所形成的溝槽孿晶邊界，并向方向生長快，長大過程中溝槽可保持下去，長大不斷進(jìn)行。圖 10. 反射孿晶生長機(jī)制（3）旋轉(zhuǎn)孿晶生長）旋轉(zhuǎn)孿晶生長 這種缺陷往往存在于層狀結(jié)構(gòu)的晶體中（如石墨等），由于兩層基面排錯而旋轉(zhuǎn)一定角度，形成側(cè)面臺階。（=13.2，21.8，27.8）， 于是沿 生長較快，長成片狀。01100110圖11. 旋轉(zhuǎn)孿晶生長機(jī)制4、三種生長方式生長速度的比較、三種生長方式生長速度的比較 連續(xù)生長連續(xù)生長 二維晶核臺階生長二維晶核臺階生長 螺旋位錯臺階生長螺旋位錯臺階生長kTbeR2223kTR螺kTR1連圖12.三種生長速度的比較第4章作業(yè)：1. 金屬及合金的凝固包括哪兩個過程？完成這兩個過程需要哪兩種過冷度？這兩種過冷度的區(qū)別及物理