形核

晶胚形成晶核的过程

当液相过冷至实际结晶温度后，经过一段孕育期，在液相内部开始出现许多有序排列的小原子团，称之为晶胚。当晶胚达到某一临界尺寸后，就成为可以稳定存在并自发长大的晶核，这一过程称为形核。

形核简介及分类

与凝固一样，固态相变的形核也有均匀形核和非均匀形核两种。均匀形核（homogeneous nucleation）是指新相晶核在母相基体中无择优地任意均匀分布。若新相在母相基体中某些特殊区域择优地形核，则为非均匀形核（heterogeneous nucleation）。这些特殊的区域包括异质核心以及母相晶体中已存在的零维、一维和二维缺陷等。

无论是均匀形核还是非均匀形核，晶胚能否成为晶核，由相变驱动力和相变阻力共同决定。

任何相变过程，都存在促进和抑制相变进行的矛盾因素。凡是相变过程导致体系自由能下降的因素都是相变驱动力。反之，使体系自由能上升的因素就是相变阻力。

固态相变的驱动力有：（1）新旧相之间的体积自由能差；（2）母相晶体中存在的各类晶体缺陷。

固态相变的阻力有：（1）新相形成时出现的相界面能；（2）新旧相之间的弹性应变能。

形核过程

与晶体相比，液体中的原子空间状态具有两个主要特点：一是原子排列的无序性，二是原子位置的不固定性。原子排列的无序性使得液体的密度通常低于固体，但对大多数金属材料而言，熔点附近液体的体积仅仅比晶体大2%～4%。这意味着液体中存在一些原子之间像同态（晶体结构）那样的密排原子团簇。由于液体中原子位置的不固定性，液体中的原子处于不断的运动之中。这些密排原子团簇通常也是不稳定的，不断形成，而又瞬间消亡。

随着液体温度的下降，一方面液体密度的提高使得密排原子团簇数量更多、体积更大，另一方面原子运动速度的下降也使得液体中的原子团簇相对更稳定。当液体温度下降到熔点以下时，过冷液体中有可能形成一些能稳定存在的密排原子团簇。这种团簇称为“晶核”，而在过冷液体中形成晶核的过程称为（凝固）形核过程。

均匀形核

均匀形核（homogeneous nucleation）是指在均匀的单相体系中，晶核的形成概率处处相同的形核方式。当临界晶核形成后，母相中的原子逐步扩散到核胚上，使其成为稳定晶核并长大。

我们知道，液相中存在很多近程有序的原子团，这些原子团不是固定不动、一成不变的，而是处于不断的变化之中。热运动激烈的原子瞬时在此处聚集形成近程有序的原子团，瞬时又消散而运动到别处形成新的原子团，使得液相中的这种近程有序的原子集团处于瞬间出现、瞬间消失、此起彼伏、变化不定的状态中，仿佛在液相中不断涌现出一些极微小的同态结构一样。我们把这种不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏，也叫相起伏。

在液相中，每一瞬间都涌现出大量的尺寸不等的结构起伏，这些结构起伏在一定条件下可能孕育成为液相结晶的核心，称为晶胚。其中那些能够继续稳定长大的晶胚，就称为晶核。但是并不是所有的晶胚都可以转变为晶核，只有那些达到一定尺寸的晶胚才能稳定存在并自发长大而成为晶核。人们常用形核速率来描述核的形成。

单位时间、单位体积内形成的晶核数称为形核速率Iv影响形核速率的因素主要有：单位体积的母相中，形成rk的晶核数目nk；单位时间内，母相中转移到晶核上的原子数目f0。

f0又与以下因素有关：晶核周围近邻的原子数s；原子的振动频率v；原子跳出平衡位置能激活能ΔGm；原子的跃迁成功概率P。

形核速率Iv可表示为Iv=nkf0。将上式带入

如《形核速率与温度的关系示意图》所示：

非均匀形核

非均匀形核（heterogeneous nucleation）是指借助于界面、微粒、裂纹及各种催化位置而形成晶核的方式。晶核的产生要形成新的液固界面，这需要消耗能量。如果晶核依附于已有界面，则高能量的晶核与液体界面就被低能量的晶核与基底界面所取代。由此看来，非均匀形核应该比均匀形核容易。

全国各地天气预报查询

上海市

市辖区

云南省

临沧市