材料成型原理3.2固-液界面结构.ppt

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1、3凝固的结晶学基础FundamentalsofCrystalization3FundamentalsofCrystalization3.1经典形核理论3.2固-液界面结构3.3晶体生长3.4凝固过程溶质的分配3.5固-液界面的稳定性3.5多相合金的结晶33.2固-液界面结构讨论对象：凝固前沿固液两相的界面-固-液界面对晶体生长过程有重要影响实验观察:新的实验技术-高分辨率透射电镜(high-resolutionTEM)4p50案例3.6：晶体Si与液相Al-Si合金界面5原子密度曲线表明：平行Si(111)面有3层原子层，呈部分

2、有序排列Si(111)-Al-Si液相界面结构：原子尺度平直的小平面p50案例3.6：高放大倍率的部分S/L界面6请见p52图3.9Al的固-液界面宽度大于案例3.6中的Si(111)固-液界面宽度原子尺度上不是平直的，可能是粗糙的p51案例3.7：Al的固-液界面7固液界面结构模型和理论粗糙界面diffuseinterface：界面厚达几个原子层,界面区域内发生固液转变,两相共存。光滑（平整）界面atomisticallyflatinterface：原子尺度上,固相存在平整的、原子紧密堆积排列的界面-平直的小平面,也称具有小台

3、阶的界面。固-液界面存在两种可能的结构：8固液界面结构类型的判据确定固-液界面结构类型的准则：界面自由能最小。9液固界面自由能Jackson推导了界面自由能变化和液固界面结点占据率的函数关系。单成分二维模型，依据热力学，不考虑晶体结构影响。界面设想为一个原子平面，上面散布着附加原子与空洞。从原子键不饱和角度看，从二维模型看，附加原子与空洞是相同的，都是添加两个不饱和键。因此计算能量变化时二者没有区别。10节点占有率x：来描述界面结构x=界面上被原子占据的结点数NA/界面上可能的结点数NX0或1界面原子排列整齐。固相一侧的点阵位

4、置几乎全部为固相原子所占满，只留下少数空位或台阶。光滑界面X0.5界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构。在几个原子层内有许多空位。粗糙界面11平衡条件下，原子附加到表面，表面自由能变化等式左端为能量项。为Jackson因子，是预测液固界面结构的一个判据。液固界面能量取决于和x。液-固界面自由能=1/10固体表面自由能（实验值）12Jackson因子熔化熵∆Sm≈Lm/Tm，R-通用气体常数，ξ=ns/nB–晶体学系数，ns为表层原子实际近邻数，nB为晶体的配位数。x13界面结

5、构类型判据-Jackson因子能量取决于和X：≤2，X=0.5时，∆Gs=min，粗糙界面；≥5，X→0或1时，∆Gs=min，光滑界面；在两者之间为混合状态；x14常用材料S/L界面结构大多数金属，∆Sm≈R，α<1，粗糙界面；大多数非金属材料，α≥3，光滑（平整）界面；α在两者之间为混合状态；如Bi，高指数面粗糙，密堆面光滑；15固液界面结构小结（请完成）类型原子尺度界面结构Jackson因子例子显微镜下的形貌光滑界面faceted粗糙界面nonfaceted混合型小结17S/L界面结构的计算机模拟方法：分子动力学

6、案例：纯Ni的S/L界面分子动力学模拟计算结果与经典的粗糙界面理论一致p55案例3.8图3.13EndofS/Linterface界面结构1.固液界面Solid/liquidinterface2.晶粒间界grainboundary3.相界phaseinterface20相界(Interphaseinterface)不同相的交界称相界，用界面共格性(InterfaceCoherence)反映界面处点阵匹配程度；用以区分不同的相界结构；引入界面共格概念，反映跨越界面处点阵匹配程度。21A.完全共格相界(fullycoherentin

7、terface)晶格连续通过界面，或轻度失配；晶格类型相同，参数相似；或类型不同，但对应晶面原子排列相似，参数相似或成比例。22B.半共格相界(semicoherentinterface)形成周期性失配位错，似小角度晶界。最常见是两相在某一晶面半共格，其他面不共格。23C.非共格相界(incoherentinterface)两晶粒失配，与大角度晶界相同。24相界结构