9.3 固态相变(4)

   9.3.3 晶核长大

    1. 生长机制
    如果新相晶核与母相之间存在着一定的晶体学位向关系，则生长时此位向关系仍保持不变，以便降低表面能。新相的生长机制也与晶核的界面结构有密切关系，具有共格、半共格或非共格界面的晶核，其长大方式也各不相同，不过完全共格情况很少，大都是非共格和半共格界面。
    （1）非共格界面的迁移
     一般非共格界面的迁移方式有两种（图9-12）；一种方式是母相原子通过热激活越过界面不断地短程迁入新相，界面随之向母相中迁移，新相长大。由于这种界面是点阵畸变的薄层，界面处原子排列不规则，所以长大过程在界面的任何位置都可以接受原子和输出原子，即界面上各点都可以连续地生长。另一种方式是非共格界面呈台阶状结构，台阶的高度为一个原子的尺度。母相原子从台阶端部上转移，由于台阶平面是原子密排面，原子加入到台阶端部后能牢固结合。新相台阶不断侧向移动，而界面则向法线方向迁移。这种迁移实际上是靠原子的短路扩散完成。
     （2）半共格界面的迁移
    半共格界面上存在着界面位错。柏氏矢量与界面平行的刃型位错必须靠攀移才能随界面移动，而攀移是较难实现的，因而位错会牵制界面移动，对晶核生长有一定阻碍作用。但若界面呈阶梯状，界面位错只需侧向滑移就能导致界面法向的移动。柏氏矢量与界面成一定角度的界面位错在界面上是可以滑移的，因此不会牵制新相生长。
2. 新相长大速度
    新相长大速度决定于界面迁移速度。对于无扩散型相变如马氏体转变，由于界面迁移是通过点阵切变完成的，不需要原子扩散，故其长大激活能为零，因此具有很高的长大速度。对于扩散型相变来说，由于界面迁移需借助于原子的短程扩散或长程扩散，故新相的长大速度相对较低，这其中又可分为两种情况，一是新相长大时无成分的变化，如同素异构转变等，二是新相长大时有成分变化。
    （1）受相界面控制的生长速率
    界面控制的晶核生长仅涉及到原子的短程输送，生长过程中新、旧两相成分相同。新相长大速度为
                                  （9-46）
式中:  为原子跳动一次的距离； 为原子振动频率； 为原子越过界面的激活能； 为相变驱动力（新、旧两相原子自由能差）。
    从式中可知，界面控制的新相长大速度与原子越过界面的激活能 和相变驱动力 关系密切，随温度变化两者的共同影响下会出现如图9-13中两头小中间大的现象。过冷度较小时， 对生长速率起主导作用，而当过冷度较大时，由于 值减小，扩散困难，动力学因素占主导地位。对于共格界面， 值等于晶界扩散激活能；而对于半共格界面可认为大致等于原子在母相中的激活能。因此，原子越过非共格界面的激活能远小于越过共格界面的激活能，非共格新相生长速率 远大于共格新相的生长速率。
    （2）扩散控制的长大速率
    当新母相两相成分不同时，新相的生长需要溶质原子的远程扩散，其晶核的生长速率受扩散控制。不难求得新相的长大速率 ，即
                                     （9-47）
式中：  为界面的位置； 为原子扩散系数； 分别为界面处新相与母相成分。
    这表明新相长大速率与扩散系数和界面附近母相浓度梯度成正比，而与两相在界面上的浓度之差成反比。