精選百科
本文由作者推薦
均勻形核
金屬學術語之一
基本信息
| 中文名 | 均勻形核 |
| 外文名 | homogeneous nucleation |
| 形成條件 | 能量起伏、結(jié)構起伏和成分起伏 |
| 實質(zhì) | 新相晶核基體中任意均勻分布 |
| 學科 | 金屬學 |
簡介
對液體的一種簡單而實用的看法是將其想像為隨機分布的硬球構成。液體中原子間的距離與晶態(tài)相相近，但在液相中每個原子的平均最相鄰原子數(shù)比晶體的少。因而結(jié)構較為開放，并且其原子比固態(tài)有較大的活動性。整個液體內(nèi)布滿著細小的、緊密堆垛的、堆垛排列與固態(tài)相似的原子團。由于結(jié)構的開放性，這些原子團可快速地形成與消散。原子團尺寸與穩(wěn)定性之間的關系取決于溫度。
為導出一種簡單的有關尺寸與穩(wěn)定性之間關系的計算法，我們作兩個假設。第一，原子團與液體間界面的能量為各向同性的，即與形成此界面的特定晶面無關。這樣的限制暗示形成的相是球形的。第二，單位表面的界面能與固相尺寸無關。雖然大多數(shù)情況下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的顯微結(jié)構并不是球狀的，但采用簡單的幾何形狀的模型，經(jīng)過不大的修改就可應用于實際系統(tǒng)。
與液-固轉(zhuǎn)變相關的自由能變化包含著兩個特定的部分：第一部分是與形成液-固界面相關的能量變化，第二部分是液、固相體積自由能的差別。球形顆粒的總界面能是界面積（
）與單位面積界面能（γ）之積。下圖（a）顯示因存在內(nèi)界面使系統(tǒng)的自由能隨生長相半徑的變化關系。
第二項能量項是體積自由能。它是固相和液相的自由能差乘以顆粒的體積。對于
，固相的體積自由能比液相低，
的自由能變化是負值。如下圖（b）所示，單位體積自由能
與體積
之積隨著半徑增大而越來越低。
總的自由能變化為表面能項與體積自由能項之和。加和的結(jié)果如下圖（c）所示。要注意這兩個能量項朝著相反的方向變化。開始時r面積項起支配作用，當顆粒變得比較大時總自由能量增加。然而，一旦達到臨界半徑后，r體積項就開始起支配作用，顆粒半徑進一步增加導致系統(tǒng)自由能下降。這樣，就存在一個穩(wěn)定核的臨界半徑，即較小的將溶入液相而較大的顆粒將繼續(xù)長大。
均勻形核
臨界晶核半徑
前面指出，在過冷的液體中并不是所有的晶胚都可以轉(zhuǎn)變成為晶核，只有那些尺寸等于或大于某一臨界尺寸的晶胚才能穩(wěn)定的存在，并能自發(fā)地長大。這種等于或大于臨界尺寸的晶胚即為晶核。為什么過冷液體形核要求晶核具有一定的臨界尺寸，這需要從形核時的能量變化進行分析。
在一定的過冷度條件下，固相的自由能低于液相的自由能，當在此過冷液體中出現(xiàn)晶胚時，一方面原子從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)將使系統(tǒng)的自由能降低，它是結(jié)晶的驅(qū)動力；另一方面，由于晶胚構成新的表面，形成表面能，從而使系統(tǒng)的自由能升高，它是結(jié)晶的阻力。若晶胚的體積為V，表面積為S，固、液兩相單位體積自由能差為
，單位面積表面能為σ，則系統(tǒng)自由能的總變化為：
晶粒半徑與△G的關系
由能的減小將占優(yōu)勢。于是在與r的關系曲線上出現(xiàn)了一個極大值，與之相對應的r值為r。由圖可知，當
時，隨著晶胚尺寸r的增大，則系統(tǒng)的自由能增加，顯然這個過程不能自動進行，這種晶胚不能成為穩(wěn)定的晶核，而是瞬時形成，又瞬時消失。但當
時，則隨著晶胚尺寸的增大，伴隨著系統(tǒng)自由能的降低，這一過程可以自動進行，晶胚可以自發(fā)地長大成穩(wěn)定的晶核，因此它將不再消失。當
時，這種晶胚既可能消失，也可能長大成為穩(wěn)定的晶核，因此把半徑為
的晶胚稱為臨界晶核，稱為臨界晶核半徑。
充要條件
析出方式
只要增強體與析出相之間沒有化學交互作用，均勻形核的析出相不會受增強體的影響。在Al—Li合金中，獨立地在結(jié)構缺陷處形核的共格
相就是一個很好的例子。但是有點奇怪的是，掃描差熱分析的試驗數(shù)據(jù)說明在SiC增強體的作用下，δ相析出的放熱只有少量的偏移。而實際上SiC顆粒促進了
合金中的時效硬化（就像在未經(jīng)增強的合金中塑性變形促進時效硬化一樣）。另外，透射電鏡的證據(jù)說明，在這兩種情況下，析出相尺寸及其在空間的密度變化并沒有受到影響。在未經(jīng)增強的合金中，與硬化峰對應的δ相尺寸約為30μm，從能量上看，這一尺寸大于對Orowan硬化是比切割顆粒更有利的尺寸，而在復合材料中，硬度的峰值則在更小的析出相尺寸處出現(xiàn)（約20nm），這一事實說明，時效硬化的加速可能與δ相無關，而與別的因素有關。在顆粒/基體界面處的析出相貧化區(qū)可能與此有關。
基本規(guī)律
均勻形核理論可以用一系列公式及圖形表示，利用這些公式進行定量計算與實際情況會有較大的差別，但是可利用均勻形核理論對一些相變問題進行定性解釋。根據(jù)簡單的模型，得到下面關于固態(tài)相變形核的一些基本規(guī)律：
②在形核過程中存在一個極值尺寸的晶核
，當晶核的尺寸為時，晶核尺寸減少或者增加，都導致下降。
③如果形成晶核尺寸小于，當有原子附加到該晶核上將引起自由焓增加，所以不可能進行，意味著這種“小尺寸”的晶核不能夠長大。從這個意義上說，即使母相中存在這種“小尺寸”的晶核，也不能說已經(jīng)開始形核。
④如果形成晶核尺寸等于，當有原子附加上這樣的晶核后使
，導致下降，意味著長大可以降低自由焓，所以它就成為一個實際存在的晶核。這種尺寸的晶核就被稱為臨界尺寸晶核。形成臨界尺寸晶核所增加的自由焓
稱為臨界晶核形成功。
⑤減少界面能及應變能，均可使臨界形核功變小，易于形核。
⑥當形核尺寸大于，如果有原子附加到這樣的晶核上，也會使減少，也可使晶核持續(xù)長大。但是新相與母相一般在結(jié)構或成分有所不同。尺寸越大，要求在母相中出現(xiàn)與新相相同結(jié)構或成分的區(qū)域就越困難。從這個角度分析，r*是最容易形成晶核的尺寸。
⑦因為形核率，與溫度呈指數(shù)變化關系，當變化不大時，會引起形核率急劇變化。而的大小依賴于驅(qū)動力，驅(qū)動力又是隨溫度變化的，這導致形核率，隨過冷度激烈變化。雖然形核率在開始時隨過冷度加大迅速增加，但由于Q幾乎與溫度無關，所以，在很大過冷時，形核率又重新降低，出現(xiàn)極值現(xiàn)象。
均勻形核相關的文章
腦卒中（stroke），又稱為中風，是由于腦部血管突然破裂或血管阻塞導致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷的一組疾病，以突然發(fā)病、迅速出現(xiàn)局限性或彌散性腦功能缺損為共同臨床特征，為一組器質(zhì)性腦損傷導致的腦血管疾病。
里斯本（葡萄牙語：Lisboa、英語：Lisbon），是葡萄牙共和國的首都。位于該國西部，城北為辛特拉山，城南臨塔古斯河，距離大西洋不到12公里，是歐洲大陸最西端的城市，也是南歐著名的都市之一。里斯本是工業(yè)城市、國際化都市，如今是葡萄牙的政治、經(jīng)濟、文化、教育中心，亦是歐洲著名的旅游城市，每年接待游
卡拉奇(烏爾都語：?????,信德語：?????)，是巴基斯坦第一大城市，位于巴基斯坦南部海岸、印度河三角洲西北部，南瀕臨阿拉伯海，居萊里河與瑪利爾河之間的平原上。人口約2000萬，面積3527平方公里，其中城區(qū)面積1821平方公里。[4]卡拉奇屬于亞熱帶沙漠氣候，一年大部分時間高溫少雨，炎熱難耐，冬季（1、2月）平均最低氣溫13℃，夏季(5、6月)平均最高氣溫34℃。雨量稀少，年平均降水量僅200毫米。[4]2019年12月26日，位列2019年全球城市500強榜單第117名。
尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
