[科普中国]-晶核

晶核为晶体的生长中心。晶核的形成有两种方式，若液相中各个区域内出现新相晶核的几率是相同，称为均匀形核。若在液相中，新相优先在某些区域内形核，则称为非均匀形核。

晶核的形成形核的条件热力学条件：
要获得结晶过程所必需的驱动力，一定要使实际结晶温度低于理论结晶温度（即金属存在过冷现象），这样才能满足结晶的热力学条件。过冷度越大，液、固两相自由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度便越快，因此金属结晶时必须过冷。

结构条件：

在液态金属中，会出现一些瞬间消失、此起彼伏、变化不定的短程有序的原子集团，仿佛在液态金属中不断涌现出一些极微小的固态结构一样。这种不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏，或称为相起伏。只有在过冷液体中的比较大的相起伏才有可能成为晶胚，但是并非所有的晶胚都能形成晶核，形核规律后面会有讨论。1

形核的方式晶核的形成有两种方式，一种是均质形成核的方式，另一种是异质形成核的方式。若依附于液态金属中某些杂质的质点，而形成晶核的叫做异质形核，或称为非自发形核。若不依附于杂质，只依靠液态金属本身在一定过冷度的条件下，形成晶核的叫做均质形核，或称为自发形核。两种形核方式的介绍如下：

均质形核

若液相中各个区域内出现新相晶核的几率是相同的，这种形核方式即为均质形核。

满足这种形核方式的液态金属绝对纯净，无任何杂质，也不和型壁接触。只是一个依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。显然这是一种理想情况。1

在液态金属中，存在着许多规则排列的“近程有序”的原子集团。若在熔点温度以上，这种规则排列的原子集团的长大将使自由能增加，因而是不稳定的。若在熔点温度以下，因为固相的自由能低于液相的自由能，此时液态金属中作规则排列的原子集团，就有可能稳定下来，从而能够长大成为晶核。2

异质形核

在液相中，新相优先在某些区域内形核的方式叫做异质形核。1

正因为在纯金属中，不可避免地含有一定固态的杂质细小微粒，金属熔化后，这些难熔的杂质将分布于金属的液体之中。金属结晶时，晶核往往就先依附于这些杂质的表面而形成。

实际上在液态金属中，不可能绝对没有杂质，在其中总是或多或少地含有某些固态的杂质。所以，实际金属的结晶，大都是属于异质形核。异质形核的过程，所遵循的规律，与均质形核基本相同。以上两种形核的方式，异质形核比均质形核来得容易，并且在不大的过冷度的情况下就可形核。异质形核和均质形核与过冷度（ ）的关系，从右图中看出在过冷度较小的时候，异质形核便开始了，当异质形核的形核率已经相当大时，而均质形核率还是微不足道的。2

形核时的能量变化实际金属的结晶主要按非均匀形核方式进行，这种形核方式是比较复杂的。为了便于讨论，首先研究均匀形核，由此得出的基本规律不但对研究非均匀形核有指导作用，而且也是研究固态相变的基础。

前面曾经指出，在过冷的液体中并不是所有的晶胚都可以转变为晶核。事实上，只有那些尺寸等于或大于某一临界尺寸的晶胚才能稳定地存在，并能自发地长大。这种等于或大于临界尺寸的晶胚即为晶核。为什么过冷液体形核要求晶核具有一定的临界尺寸，这需要从形核时的能量变化进行分析。

在一定的过冷度条件下，固相的自由能低于液相的自由能，当在此过冷液体中出现晶胚时，一方面原子从液态转变为固态将使系统的自由能降低，它是结晶的驱动力；另一方面，由于晶胚构成新的表面，产生表面能，从而使系统的自由能升高，它是结晶的阻力。若晶胚的体积为V，表面积为S，液、固两相单位体积自由能之差为 ，单位面积的表面能为．则系统自由能的总变化为：

由式可知，体积自由能的变化与晶胚半径的立方成正比，而表面能的变化与半径的平方成正比。总的自由能是体积自由能和表面能的代数和，它与晶胚半径的变化关系如下图所示，它是由上式中第一项和第二项两条曲线叠加而成的。由于第一项即体积自由能随 而减小，而第二项即表面能随 而增加，所以当r增大时，体积自由能的减小比表面能增加得快。但在开始时，表面能项占优势，当r增加到某一些临界尺寸后，体积自由能的减小将占优势。于是在 与r的关系曲线上出现了一个极大值 ，与之相对应的r值为 。由图可知：当r