14晶体生长的界面形态.docx

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1、四，晶体生长的界面外形 晶体的形态问题是一个格外简单而未能彻底解决的问题自然界中存在的各式各样秀丽的雪晶就表达了形态的简单性影响晶体形态的因素：晶体的形态不仅与其生长机制有关，螺型位错在界面的露头处所形成的生长蜷线令人信服地证明白这一点，而且还与界面的微观构造、界面前沿的温度分布及生长动力学等很多因素有关。鉴于问题的简单性鉴于问题的简单性，下面仅就界面的微观构造和界面前沿温度分布的几种典型状况表达力如下：(一)在正的温度梯度下生长时界面形态：结晶潜热散失：在这种条件下，结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失， 相界面推移速度：相界面对液相中的推移速度受其散热速率的掌握。依据界面微观构造的不同晶

2、体形态有两种类型： 规章的几何外形和平面长大方式(A)正温度梯度光滑界面的状况正温度梯度下的光滑界面：对于具有光滑界面的晶体来说，其显微界面为某一品体学小平面，它们与散热方向成不同的角度分布着，与熔点Tm 等温面呈肯定角度，但从宏观来看，仍为平行于Tm等温面的平直面，如图2.25 a所示。这种状况有利于形成具有规章外形的晶体，现以简洁立方晶体为例进展说明晶面不同原子密度不同外表能不同长大速度不同：在争论形核问题时曾经假定，形成一个球形晶核时，其界面上各处的外表能一样。但实际上晶体的界面是由很多晶体学小平面所组成，晶面不同，则原子密度不同， 从而导致其具有不同的外表能。热力学的争论结果说明，原子

3、密度大的晶面长大速度较小；原子密度小的晶面长大速度较大。但是长大速度大的晶面易于被长大速度小的晶面所制约，这个关系可示意的用图2.26来说明图中实线八角形代表晶体从t开头生长，一次经受t t t等不同时间时的截面，12 3 4箭头表示长大速度。由图可以看，简洁立方晶体的001晶面为密排面，110 为非密排面，因此101 方向长大速度大, 100、001等方向的生长速度小，非密排面将渐渐缩小而消逝，最终晶体的界面将完全变为密排品面，明显这是一个必定的结果所以以光滑界面结晶的晶体如Si, Al 及合金中的某些金属化合物，假设无其它因素干扰，大多可以成长为以密排晶面为外表的晶体，具有规章的几何外形(

4、B)正温度梯度光滑界面的状况粗糙界面和熔点等温面的关系：具有粗糙界面构造的晶体，在正的温度梯度下成长吋，其界面为平行于熔点T等m温面的平直界面，它与散热方向垂直，如图2.25 b所示正温度梯度粗糙界面平面长大方式：一般说来,这种晶体成长时所需的过冷度很小，界面温度差不多与熔点Tm相重合，所以晶体在成长时界面只能随着液体的冷却而均匀全都地向液相推移，假设一旦局部偶有突出，那么它便进入低于临界过冷度甚至熔点Tm以上的温度区域，成长马上减慢下来，甚至被熔化掉，所以固液界面始终可以近似地保持平面。这种长大方式称为平面长大方式。(二)在负的温度梯度下生长的界面形态(A)负温度梯度粗糙界面具有粗糙界面的晶

5、体在负的温度梯度下生长时很快长成一个瘦长的晶体1. 具有粗糙界面的晶体在负的温度梯度下生长时，由于界面前沿的液体中的过冷度较大，假设界面的某一局部进展较快而偶有突出，则它将伸入到过冷度更大的液体中，从而更加有利于此突出尖端向液体中的成长。2. 虽然此突出尖端在横向也将生长，但结晶潜热的散失提高了该尖端四周液体的温度，而在尖端的前方，潜热的散失要简洁的多，因而其横向长大速度远比朝前方的长大速度为小，故此突出尖端很快长成一个瘦长的晶体，称为主干一次晶轴和二次晶轴：1. 假设刚开头形成的晶核为多面体晶体，那么这些光滑的小平面界面在负的温度梯度下也是不稳定的，在多面体晶体的尖端或棱角处，很快长出瘦长的

6、主干。2. 这些主干即为一次品轴或一次品枝。3. 在主干形成的同时，主干与四周过冷液体的界面也是不稳定的，主干上同样会消灭很多凸出尖端，它们长大成为的品枝，称为二次晶轴或二次品枝一次晶轴和二次晶轴的角度：对肯定的晶体来说，二次晶轴与一次晶轴具有确定的角度，如在立方品系中，二者是相互垂直的。三次晶枝及树枝晶：二次晶枝进展到肯定程度，又在它上面长出三次品枝，如此不断地枝上生枝，同时各次枝又在不断的伸长和壮大，由此而形成如树枝状的骨架，故称为树枝晶, 简称枝品每一个枝晶长成为一个晶粒最终晶体的形态1. 当全部的枝晶都严密合缝地对接起来，并且液相也消逝时，就分不出树枝状了，只能看到各个晶粒的边界，如图

7、2.28b2. 假设金属不纯，则在枝与枝之间最终凝固的地方留存杂质，其树状轮廓仍旧可见3. 如假设在结晶过程中间，在形成了一局部金属晶体之后，马上把其余的液态金属抽掉，这时就会看到，正在长大着的金属晶体确实呈树枝状。4. 有时在金属锭的外表最终结晶终了时，由于晶枝之间缺乏液态金属去填充， 结果就留下了树枝状的花纹。图2.29为在钢锭中所观看到的树枝晶不同构造的晶体其晶轴的位向可能不同如表2-2所示面心立方品德和体心立方晶格的金属，其树枝晶的各次品轴均沿的方向长 大，各次晶轴之间相互垂直。其它不是立方晶系的金属，各次晶轴彼此可能并不垂直。长大条件不同则树枝晶的晶轴在各个方向上的进展程度也会不同1

8、. 假设枝晶在三维空间得以均衡进展，各方向上的一次轴近似相等，这时所形成的晶粒叫做等轴晶粒。2. 假设枝晶某一个方向上的一次轴长的很长，而在其它方向长大时受到阻碍，这样形成的瘦长晶粒叫柱状晶粒。(B)负的温度梯度下光滑界面具有光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时1. 假设杰克逊因子a 值不太大，仍有可能长成树枝状晶体，但往往带有小平面的特征，例如锑消灭带有小平面的树枝状晶体即为此例2. 但是负的温度梯度较小时，仍有可能长成规章的几何外形。3. 对于a 值很大的晶体来说，即使在较大的负温度梯度下，仍有可能形成规章外形的品体(B)负的温度梯度下光滑界面1. 杰克逊因子a 值不太大，负温度梯度较大，树枝状晶体带有小平面特征2. 杰克逊因子a 值不太大，负温度梯度较小，规章的几何外形3. 杰克逊因子a 值很大，即使负温度梯度较大，规章的几何外形