非均匀形核

体系在外来质点、容器壁或原有晶体表面上形成的核

绝大多数固态相变（除调幅分解外）都是通过形核与长大过程完成的。形核过程往往是先在母相基体的某些微小区域内形成新相所必需的成分与结构，称为核胚；若这种核胚的尺寸超过某一临界尺寸，便能稳定存在并自发长大，即成为新相晶核。若晶核在母相基体中无择优地任意均匀分布，称为均匀形核；而若晶核在母相基体中某些区域择优地不均匀分布，则称为非均匀形核。

简介

所谓非均匀成核，是指体系在外来质点，容器壁或原有晶体表面上形成的核。在此类体系中，成核几率在空间各点不同，由于模型内模型壁和杂质颗粒的作用，原子依附在其上而形核，进而降低了过冷度，使形核更加容易。自然界中的雨雪冰雹等的形成都属于非均匀成核。实际上，在所有物质体系中都会发生非均匀成核。有目的地利用体系的非均匀成核，可以达到特殊的效果和作用。

母相中的晶体缺陷可以作为形核位置，因此，金属固态相变主要依赖于非均匀形核，其系统自由能总变化为：ΔG=-ΔgvV+σS+EV-ΔGd

-ΔGd表示非均匀形核时由于晶体缺陷消失而释放出的能量。因此，-ΔgvV-ΔGd是相变驱动力，这将导致临界形核功的降低，从而大大促进形核过程。

对形核作用

1、空位

空位可通过加速扩散过程或释放自身能量提供形核驱动力而促进形核。此外，空位群亦可凝聚成位错而促进形核。

2、位错

位错可通过多种形式促进形核：

①新相在位错线上形核，可借形核处位错线消失时所释放出来的能量作为相变驱动力，以降低形核功；

②新相形核时位错并不消失，而是依附于新相界面上构成半共格界面上的位错部分，以补偿错配，从而降低应变能，使形核功降低；

③溶质原子在位错线上偏聚（形成柯氏气氛），使溶质含量增高，便于满足新相形成时所需的成分条件，使新相晶核易于形成；

④位错线可作为扩散的短路通道，降低扩散激活能，从而加速形核过程；

⑤位错可分解形成由两个分位错与其问的层错组成的扩散位错，使其层错部分作为新相的核胚而有利于形核。

3、晶界

大角晶界具有高的界面能，在晶界形核时可使界面能释放出来作为相变驱动力，以降低形核功。因此，固态相变时，晶界往往是形核的重要基地。晶界形核时，新相与母相的某一个晶粒有可能形成共格或半共格界面，以降低界面能，减少形核功。这时共格的一侧往往呈平直界面，新相与母相间具有一定的取向关系。但大角晶界两侧的晶粒通常无对称关系，故晶核一般不可能同时与两侧晶粒都保持共格关系，而是一侧为共格，另一侧为非共格。为了降低界面能，非共格一侧往往呈球冠形。

相关研究

非均匀形核的形核功比均匀形核的形核功小得多，但还不能立即说非均匀形核的形核率一定比均匀形核的形核率高，因为非均匀形核率还取决于是否存在靠背以及靠背的多少。实际上，在凝固时液相中都含有大量的形核靠背，例如盛放液体的容器模壁、液体中含的微小固态微粒等。所以，实际的凝固过程中非均匀形核率总比均匀形核的形核率要高得多，大量靠背的存在也使非均匀形核率比均匀形核的形核率高很多。非均匀形核使l临界过冷度大幅度减小，形核温度大大提高，所以凝固过程不能获得大的过冷度。特别是对于金属和合金的凝固来说，除了非均匀形核外，再加上它有很大的结晶倾向，更是难以用一般的手段获得较大的过冷。

有时为了凝固后获得细小的晶粒，常常人为地在液相中加入作为形核靠背的形核剂。形核剂与结晶的固相间的界面能越低，催发形核的能力越大；形核剂越细越弥散，提供的形核靠背就越多，这样细化晶粒的效果就越好。对于铸造业，如何选择合适的形核剂是一个重要问题。

另外，有人还研究了振动对过冷液体形核的影响。用足够强的脉冲可促进过冷镍液或水的形核。这被认为是脉冲使液体的空穴破裂产生很高的压力，它可能达几千兆帕，这个压力显著改变液体的熔点，从而促进形核。但也有人认为振动促进成核的原因是晶粒破碎引起晶粒增殖。

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