纯金属凝固晶体的生长形态分析

固—液界面前沿液相中温度分布有两种情况：正的温度梯度和负的温度梯度。温度梯度G L是指离开固—液界面在液相中沿生长方向的温度变化。如果固—液界面前沿液相中的温度随离开界面距离的增加而升高，则认为这种温度梯度为正；反之，则温度梯度为负。

（一）在正温度梯度下生长

在这种情况下，结晶潜热只能通过固相而散出，界面生长速度受固相传热速度控制。设界面以接近平面状自左向右推进，如图8-24所示。

粗糙界面结构的晶体的界面生长形态为平面状，且与熔点T m等温面平行[见图8-24（a）]。由于粗糙界面生长时动力学过冷度很小（约ΔT K≈0.01～0.05K），因此在大多数纯金属中其固—液界面几乎与T m等温面重合。当界面上有凸起伸入比熔点高的液体中时，这些凸起部分将熔化。因此，在正温度梯度下生长时，任何凸起部分都将消失，导致固—液界面保持稳定的平面形态。

图8-23　三种生长方式的生长速度与过冷度的关系

1—粗糙界面的连续生长；2—光滑界面从螺型位错生长；3—光滑界面从二维形核生长

光滑界面结构的晶体的界面生长形态趋锯齿形，组成锯齿状的这些小平面是晶体的特定晶面。小平面与T m等温线交有一定的角度[见图8-24（b）]。在正温度梯度下这些小平面也不能过多地凸向液体。固—液界面从宏观上看仍与T m等温面平行。在这种情况下，ΔT x≈1～2K。(www.xing528.com)

图8-24　正温度梯度下纯金属中观察到的两种界面形态

（a）平面状（粗糙界面结构的晶体）；（b）锯齿状（光滑界面结构的晶体）

图8-25　负温度梯度下纯金属固—液界面的树枝状生长

（二）在负温度梯度下生长

在这种情况下（见图8-25），界面上产生的结晶潜热既可通过固相也可通过液体散失，界面的生长不再只由固相的传热速度控制。如果界面上有凸起部分伸入液体，由于界面前沿液相温度更低（即过冷度更大），凸起部分的生长速度必然增大，从而更加伸入液体。因此，界面就不可能保持平面状而会生长出许多伸向液体的一次晶枝，同时在这些一次晶枝上又会长出二次晶枝，在二次晶枝上再长出三次晶枝等等。这种生长方式称树枝状生长。