基本介紹
- 中文名：形核
- 外文名：nucleation
- 含義：晶胚形成晶核的過程
- 套用：結晶
形核簡介及分類,形核過程,均勻形核,非均勻形核,
形核簡介及分類
與凝固一樣，固態相變的形核也有均勻形核和非均勻形核兩種。均勻形核（homogeneous nucleation）是指新相晶核在母相基體中無擇優地任意均勻分布。若新相在母相基體中某些特殊區域擇優地形核，則為非均勻形核（heterogeneous nucleation）。這些特殊的區域包括異質核心以及母相晶體中已存在的零維、一維和二維缺陷等。
無論是均勻形核還是非均勻形核，晶胚能否成為晶核，由相變驅動力和相變阻力共同決定。
任何相變過程，都存在促進和抑制相變進行的矛盾因素。凡是相變過程導致體系自由能下降的因素都是相變驅動力。反之，使體系自由能上升的因素就是相變阻力。
固態相變的驅動力有：（1）新舊相之間的體積自由能差；（2）母相晶體中存在的各類晶體缺陷。
固態相變的阻力有：（1）新相形成時出現的相界面能；（2）新舊相之間的彈性應變能。
形核過程
與晶體相比，液體中的原子空間狀態具有兩個主要特點：一是原子排列的無序性，二是原子位置的不固定性。原子排列的無序性使得液體的密度通常低於固體，但對大多數金屬材料而言，熔點附近液體的體積僅僅比晶體大2%～4%。這意味著液體中存在一些原子之間像同態（晶體結構）那樣的密排原子團簇。由於液體中原子位置的不固定性，液體中的原子處於不斷的運動之中。這些密排原子團簇通常也是不穩定的，不斷形成，而又瞬間消亡。
隨著液體溫度的下降，一方面液體密度的提高使得密排原子團簇數量更多、體積更大，另一方面原子運動速度的下降也使得液體中的原子團簇相對更穩定。當液體溫度下降到熔點以下時，過冷液體中有可能形成一些能穩定存在的密排原子團簇。這種團簇稱為“晶核”，而在過冷液體中形成晶核的過程稱為（凝固）形核過程。
均勻形核
均勻形核（homogeneous nucleation）是指在均勻的單相體系中，晶核的形成機率處處相同的形核方式。當臨界晶核形成後，母相中的原子逐步擴散到核胚上，使其成為穩定晶核並長大。
我們知道，液相中存在很多近程有序的原子團，這些原子團不是固定不動、一成不變的，而是處於不斷的變化之中。熱運動激烈的原子瞬時在此處聚集形成近程有序的原子團，瞬時又消散而運動到別處形成新的原子團，使得液相中的這種近程有序的原子集團處於瞬間出現、瞬間消失、此起彼伏、變化不定的狀態中，仿佛在液相中不斷湧現出一些極微小的同態結構一樣。我們把這種不斷變化著的近程有序原子集團稱為結構起伏，也叫相起伏。
在液相中，每一瞬間都湧現出大量的尺寸不等的結構起伏，這些結構起伏在一定條件下可能孕育成為液相結晶的核心，稱為晶胚。其中那些能夠繼續穩定長大的晶胚，就稱為晶核。但是並不是所有的晶胚都可以轉變為晶核，只有那些達到一定尺寸的晶胚才能穩定存在並自髮長大而成為晶核。人們常用形核速率來描述核的形成。
單位時間、單位體積內形成的晶核數稱為形核速率Iv影響形核速率的因素主要有：單位體積的母相中，形成rk的晶核數目nk；單位時間內，母相中轉移到晶核上的原子數目f0。
f0又與以下因素有關：晶核周圍近鄰的原子數s；原子的振動頻率v；原子跳出平衡位置能激活能ΔGm；原子的躍遷成功機率P。
形核速率Iv可表示為Iv=nkf0。將上式帶入
形核速率與溫度的關係如下圖。
形核速率與溫度的關係示意圖非均勻形核
非均勻形核（heterogeneous nucleation）是指藉助於界面、微粒、裂紋及各種催化位置而形成晶核的方式。晶核的產生要形成新的液固界面，這需要消耗能量。如果晶核依附於已有界面，則高能量的晶核與液體界面就被低能量的晶核與基底界面所取代。由此看來，非均勻形核應該比均勻形核容易。
