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均勻形核
金屬學(xué)術(shù)語(yǔ)之一
大多數相變都是通過(guò)形核和核長(cháng)大過(guò)程完成的。形核包括均勻形核和非均勻形核。均勻形核（homogeneous nucleation）是指新相晶核在母相基體中無(wú)擇優(yōu)地任意均勻分布。
基本信息
| 中文名 | 均勻形核 |
| 外文名 | homogeneous nucleation |
| 形成條件 | 能量起伏、結構起伏和成分起伏 |
| 實(shí)質(zhì) | 新相晶核基體中任意均勻分布 |
| 學(xué)科 | 金屬學(xué) |
簡(jiǎn)介
對液體的一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的看法是將其想像為隨機分布的硬球構成。液體中原子間的距離與晶態(tài)相相近，但在液相中每個(gè)原子的平均最相鄰原子數比晶體的少。因而結構較為開(kāi)放，并且其原子比固態(tài)有較大的活動(dòng)性。整個(gè)液體內布滿(mǎn)著(zhù)細小的、緊密堆垛的、堆垛排列與固態(tài)相似的原子團。由于結構的開(kāi)放性，這些原子團可快速地形成與消散。原子團尺寸與穩定性之間的關(guān)系取決于溫度。
為導出一種簡(jiǎn)單的有關(guān)尺寸與穩定性之間關(guān)系的計算法，我們作兩個(gè)假設。第一，原子團與液體間界面的能量為各向同性的，即與形成此界面的特定晶面無(wú)關(guān)。這樣的限制暗示形成的相是球形的。第二，單位表面的界面能與固相尺寸無(wú)關(guān)。雖然大多數情況下轉變產(chǎn)物的顯微結構并不是球狀的，但采用簡(jiǎn)單的幾何形狀的模型，經(jīng)過(guò)不大的修改就可應用于實(shí)際系統。
與液-固轉變相關(guān)的自由能變化包含著(zhù)兩個(gè)特定的部分：第一部分是與形成液-固界面相關(guān)的能量變化，第二部分是液、固相體積自由能的差別。球形顆粒的總界面能是界面積（
）與單位面積界面能（γ）之積。下圖（a）顯示因存在內界面使系統的自由能隨生長(cháng)相半徑的變化關(guān)系。
第二項能量項是體積自由能。它是固相和液相的自由能差乘以顆粒的體積。對于
，固相的體積自由能比液相低，
的自由能變化是負值。如下圖（b）所示，單位體積自由能
與體積
之積隨著(zhù)半徑增大而越來(lái)越低。
總的自由能變化為表面能項與體積自由能項之和。加和的結果如下圖（c）所示。要注意這兩個(gè)能量項朝著(zhù)相反的方向變化。開(kāi)始時(shí)r面積項起支配作用，當顆粒變得比較大時(shí)總自由能量增加。然而，一旦達到臨界半徑后，r體積項就開(kāi)始起支配作用，顆粒半徑進(jìn)一步增加導致系統自由能下降。這樣，就存在一個(gè)穩定核的臨界半徑，即較小的將溶入液相而較大的顆粒將繼續長(cháng)大。
均勻形核
臨界晶核半徑
前面指出，在過(guò)冷的液體中并不是所有的晶胚都可以轉變成為晶核，只有那些尺寸等于或大于某一臨界尺寸的晶胚才能穩定的存在，并能自發(fā)地長(cháng)大。這種等于或大于臨界尺寸的晶胚即為晶核。為什么過(guò)冷液體形核要求晶核具有一定的臨界尺寸，這需要從形核時(shí)的能量變化進(jìn)行分析。
在一定的過(guò)冷度條件下，固相的自由能低于液相的自由能，當在此過(guò)冷液體中出現晶胚時(shí)，一方面原子從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)將使系統的自由能降低，它是結晶的驅動(dòng)力；另一方面，由于晶胚構成新的表面，形成表面能，從而使系統的自由能升高，它是結晶的阻力。若晶胚的體積為V，表面積為S，固、液兩相單位體積自由能差為
，單位面積表面能為σ，則系統自由能的總變化為：
晶粒半徑與△G的關(guān)系
由能的減小將占優(yōu)勢。于是在與r的關(guān)系曲線(xiàn)上出現了一個(gè)極大值，與之相對應的r值為r。由圖可知，當
時(shí)，隨著(zhù)晶胚尺寸r的增大，則系統的自由能增加，顯然這個(gè)過(guò)程不能自動(dòng)進(jìn)行，這種晶胚不能成為穩定的晶核，而是瞬時(shí)形成，又瞬時(shí)消失。但當
時(shí)，則隨著(zhù)晶胚尺寸的增大，伴隨著(zhù)系統自由能的降低，這一過(guò)程可以自動(dòng)進(jìn)行，晶胚可以自發(fā)地長(cháng)大成穩定的晶核，因此它將不再消失。當
時(shí)，這種晶胚既可能消失，也可能長(cháng)大成為穩定的晶核，因此把半徑為
的晶胚稱(chēng)為臨界晶核，稱(chēng)為臨界晶核半徑。
充要條件
析出方式
只要增強體與析出相之間沒(méi)有化學(xué)交互作用，均勻形核的析出相不會(huì )受增強體的影響。在A(yíng)l—Li合金中，獨立地在結構缺陷處形核的共格
相就是一個(gè)很好的例子。但是有點(diǎn)奇怪的是，掃描差熱分析的試驗數據說(shuō)明在SiC增強體的作用下，δ相析出的放熱只有少量的偏移。而實(shí)際上SiC顆粒促進(jìn)了
合金中的時(shí)效硬化（就像在未經(jīng)增強的合金中塑性變形促進(jìn)時(shí)效硬化一樣）。另外，透射電鏡的證據說(shuō)明，在這兩種情況下，析出相尺寸及其在空間的密度變化并沒(méi)有受到影響。在未經(jīng)增強的合金中，與硬化峰對應的δ相尺寸約為30μm，從能量上看，這一尺寸大于對Orowan硬化是比切割顆粒更有利的尺寸，而在復合材料中，硬度的峰值則在更小的析出相尺寸處出現（約20nm），這一事實(shí)說(shuō)明，時(shí)效硬化的加速可能與δ相無(wú)關(guān)，而與別的因素有關(guān)。在顆粒/基體界面處的析出相貧化區可能與此有關(guān)。
基本規律
均勻形核理論可以用一系列公式及圖形表示，利用這些公式進(jìn)行定量計算與實(shí)際情況會(huì )有較大的差別，但是可利用均勻形核理論對一些相變問(wèn)題進(jìn)行定性解釋。根據簡(jiǎn)單的模型，得到下面關(guān)于固態(tài)相變形核的一些基本規律：
②在形核過(guò)程中存在一個(gè)極值尺寸的晶核
，當晶核的尺寸為時(shí)，晶核尺寸減少或者增加，都導致下降。
③如果形成晶核尺寸小于，當有原子附加到該晶核上將引起自由焓增加，所以不可能進(jìn)行，意味著(zhù)這種“小尺寸”的晶核不能夠長(cháng)大。從這個(gè)意義上說(shuō)，即使母相中存在這種“小尺寸”的晶核，也不能說(shuō)已經(jīng)開(kāi)始形核。
④如果形成晶核尺寸等于，當有原子附加上這樣的晶核后使
，導致下降，意味著(zhù)長(cháng)大可以降低自由焓，所以它就成為一個(gè)實(shí)際存在的晶核。這種尺寸的晶核就被稱(chēng)為臨界尺寸晶核。形成臨界尺寸晶核所增加的自由焓
稱(chēng)為臨界晶核形成功。
⑤減少界面能及應變能，均可使臨界形核功變小，易于形核。
⑥當形核尺寸大于，如果有原子附加到這樣的晶核上，也會(huì )使減少，也可使晶核持續長(cháng)大。但是新相與母相一般在結構或成分有所不同。尺寸越大，要求在母相中出現與新相相同結構或成分的區域就越困難。從這個(gè)角度分析，r*是最容易形成晶核的尺寸。
⑦因為形核率，與溫度呈指數變化關(guān)系，當變化不大時(shí)，會(huì )引起形核率急劇變化。而的大小依賴(lài)于驅動(dòng)力，驅動(dòng)力又是隨溫度變化的，這導致形核率，隨過(guò)冷度激烈變化。雖然形核率在開(kāi)始時(shí)隨過(guò)冷度加大迅速增加，但由于Q幾乎與溫度無(wú)關(guān)，所以，在很大過(guò)冷時(shí)，形核率又重新降低，出現極值現象。
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