9.3 固態(tài)相變(4)

   9.3.3 晶核長大

    1. 生長機(jī)制
    如果新相晶核與母相之間存在著一定的晶體學(xué)位向關(guān)系，則生長時(shí)此位向關(guān)系仍保持不變，以便降低表面能。新相的生長機(jī)制也與晶核的界面結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，具有共格、半共格或非共格界面的晶核，其長大方式也各不相同，不過完全共格情況很少，大都是非共格和半共格界面。
    （1）非共格界面的遷移
     一般非共格界面的遷移方式有兩種（圖9-12）；一種方式是母相原子通過熱激活越過界面不斷地短程遷入新相，界面隨之向母相中遷移，新相長大。由于這種界面是點(diǎn)陣畸變的薄層，界面處原子排列不規(guī)則，所以長大過程在界面的任何位置都可以接受原子和輸出原子，即界面上各點(diǎn)都可以連續(xù)地生長。另一種方式是非共格界面呈臺階狀結(jié)構(gòu)，臺階的高度為一個(gè)原子的尺度。母相原子從臺階端部上轉(zhuǎn)移，由于臺階平面是原子密排面，原子加入到臺階端部后能牢固結(jié)合。新相臺階不斷側(cè)向移動，而界面則向法線方向遷移。這種遷移實(shí)際上是靠原子的短路擴(kuò)散完成。
     （2）半共格界面的遷移
    半共格界面上存在著界面位錯(cuò)。柏氏矢量與界面平行的刃型位錯(cuò)必須靠攀移才能隨界面移動，而攀移是較難實(shí)現(xiàn)的，因而位錯(cuò)會牽制界面移動，對晶核生長有一定阻礙作用。但若界面呈階梯狀，界面位錯(cuò)只需側(cè)向滑移就能導(dǎo)致界面法向的移動。柏氏矢量與界面成一定角度的界面位錯(cuò)在界面上是可以滑移的，因此不會牽制新相生長。
2. 新相長大速度
    新相長大速度決定于界面遷移速度。對于無擴(kuò)散型相變?nèi)珩R氏體轉(zhuǎn)變，由于界面遷移是通過點(diǎn)陣切變完成的，不需要原子擴(kuò)散，故其長大激活能為零，因此具有很高的長大速度。對于擴(kuò)散型相變來說，由于界面遷移需借助于原子的短程擴(kuò)散或長程擴(kuò)散，故新相的長大速度相對較低，這其中又可分為兩種情況，一是新相長大時(shí)無成分的變化，如同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等，二是新相長大時(shí)有成分變化。
    （1）受相界面控制的生長速率
    界面控制的晶核生長僅涉及到原子的短程輸送，生長過程中新、舊兩相成分相同。新相長大速度為
                                  （9-46）
式中:  為原子跳動一次的距離； 為原子振動頻率； 為原子越過界面的激活能； 為相變驅(qū)動力（新、舊兩相原子自由能差）。
    從式中可知，界面控制的新相長大速度與原子越過界面的激活能 和相變驅(qū)動力 關(guān)系密切，隨溫度變化兩者的共同影響下會出現(xiàn)如圖9-13中兩頭小中間大的現(xiàn)象。過冷度較小時(shí)， 對生長速率起主導(dǎo)作用，而當(dāng)過冷度較大時(shí)，由于 值減小，擴(kuò)散困難，動力學(xué)因素占主導(dǎo)地位。對于共格界面， 值等于晶界擴(kuò)散激活能；而對于半共格界面可認(rèn)為大致等于原子在母相中的激活能。因此，原子越過非共格界面的激活能遠(yuǎn)小于越過共格界面的激活能，非共格新相生長速率 遠(yuǎn)大于共格新相的生長速率。
    （2）擴(kuò)散控制的長大速率
    當(dāng)新母相兩相成分不同時(shí)，新相的生長需要溶質(zhì)原子的遠(yuǎn)程擴(kuò)散，其晶核的生長速率受擴(kuò)散控制。不難求得新相的長大速率 ，即
                                     （9-47）
式中：  為界面的位置； 為原子擴(kuò)散系數(shù)； 分別為界面處新相與母相成分。
    這表明新相長大速率與擴(kuò)散系數(shù)和界面附近母相濃度梯度成正比，而與兩相在界面上的濃度之差成反比。