晶核的长大

                     

贡献者: ACertainUser

预备知识 经典形核理论

  1形核理论中我们已经探讨了形核的必要条件。在本文中我们将处理晶核最终长大为晶粒的问题。

1. 长大动力学

过冷度与长大速率

图
图 1:长大速率示意图

   晶核的长大是原子从液相扩散至已形成的固态晶核的过程。晶核整体的长大速率也受两方面因素的制约:

   我们已经在形核理论 中探讨了形核率与过冷度的联系:随过冷度增高,形核率会先升高再降低;但与此同时,低温将会抑制原子扩散的能力,因此随过冷度增高,扩散速率会降低。矛盾双方对立统一的结果是,随过冷度上升,长大速率会上升再减小。然而,在简单的情况下,在长大速率呈现下降前液体就已经凝固完成,因此有时可以简单地认为随过冷度升高,长大速度将升高。

过冷度与晶粒尺寸

图
图 2:过冷度与晶粒尺寸

   从以上的讨论中,我们还可以推断出过冷度与晶粒尺寸的关系:

   这个结论启发我们,通过控制冷却速率,就能调节材料的晶粒尺寸,进而改变材料的力学性能。这在实际生产中十分有用。

例 1 并非简单降温

   看到这里,你可能会觉得控制材料结构原来如此简单?事实上,实际问题更加复杂,单纯地快速冷却往往会导致额外的问题。

   比如说热胀冷缩。当冷却速率足够高时,材料外层已经充分降温,而材料内部由于传热速率的限制仍然处于高温状态。我们知道 “热胀冷缩”,内外的温差将导致材料内外变形程度不一致。这种不一致就可能在材料内部引入大量的内应力,从而导致大量裂纹、空洞等缺陷,甚至直接使材料破裂。

   同时,对于铁等存在固态相变的金属 ,晶体结构与冷却速率的关系非常复杂,是一个非平衡热力学问题。工业上常用 CCT(连续冷却)与 TTT(等温冷却)相图描述。我们常听说的珠光体、贝氏体、马氏体等铁的组织,正与铁的成分与加工时的冷却速度有关。

例 2 材料科学与地质学

  2除了在工厂中,我们还在自然界的许多场合见到凝固过程,比如...火山喷发

   当喷发出的高温岩浆逐渐遇冷凝固时,它也要遇到过冷度与晶粒尺寸的问题。比如,暴露在空气中的岩浆遇到较大的过冷度,因此快速冷却、凝固,常形成小晶粒的矿物;而处于底层的岩浆较难散热,过冷度低,晶粒有充分的时间长大,因此常形成大晶粒的矿物。

   在极端情况下,岩浆可能极速冷却,此时岩浆中的原子甚至来不及整齐堆叠成晶体,从而将形成无晶体结构的非晶3物质,典型代表是黑曜石。怪不得在 Minecraft 中岩浆源遇水会生成黑曜石!


1. ^ 本文参考了刘智恩的《材料科学基础》与 Callister 的 Material Science and Engineering An Introduction
2. ^ 本节参考了 Lutgens, et al. 的 Essentials of Geology.
3. ^ 或许你还记得,晶体的意思是,原子在短程内的排序是有序的;因此相反地,非晶体物质的原子即使在短程内的排序也是无序的。“非晶” 又称 “玻璃态”(glassy)、“无定形”(amorphous)。“玻璃态” 并不意味着他是透明的,只是因为玻璃是典型的非晶体物质;“无定形” 也不指他是液体,只是说他的短程结构是无序的。


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