形核
形核与生长的物理过程
形核与生长的物理过程生命的起源和演化一直是人类探索的焦点之一，而形核与生长作为生命的基础物理过程，对于生命的起源和演化有着至关重要的作用。
形核是指物质从无序状态向有序状态转变的过程。
在生物界中，形核是指生物体内发生的一种物理过程，即无机物质转化为有机物质的过程。
生物体内的形核过程主要是由生物分子之间的相互作用引起的。
形核过程的原理是熵减原理，即物质从无序状态向有序状态转变的过程中，系统的熵会减少。
在生物体内，形核过程主要是由生物分子之间的相互作用引起的。
生物分子之间的相互作用包括静电相互作用、疏水作用、氢键作用等。
生长是指生物体不断增加体积和质量的过程。
生长是生物体生命过程中的一个重要环节。
生长的原理是物质的吸收、转化和排泄。
生长过程中，生物体通过吸收营养物质，利用这些物质进行代谢活动，将其转化为自己的组织和器官，从而实现生长。
生长是一个复杂的生物学过程，其中涉及到许多生物化学和细胞生物学过程。
在生长过程中，生物体的细胞不断分裂和增殖，从而实现生物体的增长。
生长过程中，生物体需要大量的营养物质和能量，这些营养物质和能量来自于生物体摄取的食物和氧气。
生长的速度和方式与生物体的种类、年龄、环境等因素有关。
在自然环境中，生物体的生长速度往往受到环境因素的限制。
例如，气候、营养、水分等因素都会影响生物体的生长速度。
在人工环境中，人类可以通过控制环境因素来促进生物体的生长。
例如，通过控制温度、光照、氧气浓度等因素，可以提高植物的生长速度和产量。
形核与生长是生命的基础物理过程，对于生命的起源和演化有着至关重要的作用。
形核过程是物质从无序状态向有序状态转变的过程，生物体内的形核过程主要是由生物分子之间的相互作用引起的。
生长是生物体不断增加体积和质量的过程，生长过程中涉及到许多生物化学和细胞生物学过程。
生长的速度和方式与生物体的种类、年龄、环境等因素有关。
形核ppt
固体物理学基础
1 2
固体的结构和性质
介绍了固体的基本结构、性质和分类，包括金 属、半导体、绝缘体等。
固体中的电子结构和相互作用
探讨了固体中电子的能带结构、电子-电子相互 作用以及电子-声子相互作用等。
3
固体物理学与形核
简述了固体物理学在形核过程中的作用和影响 ，包括对原子排列和运动状态的影响。
材料科学基础
热力学条件
热力学条件如自由能的改变也会影响形核。在凝固过程中， 由于相变引起自由能的改变，使得原子倾向于在界面处形核 。
压强因素
气压影响
气压会影响物质的熔点和沸点，从而影响凝固过程中的形核。在高压环境下，物 质的熔点会升高，有利于形核。
压强分布
压强分布也会影响形核。在压强分布不均匀的情况下，压强梯度会驱动物质流动 ，影响形核过程。
介绍了热力学的基本概念和定律，包括能量守恒、熵增原理、热 力学第一定律等。
热力学在材料科学中的应用
探讨了热力学在材料科学中的应用，包括相变、热膨胀、热传导 等。
热力学与形核
简述了热力学对形核过程中的作用和影响，包括对形核驱动力和 形核过程的影响。
03
形核的相关因素
温度因素
温度梯度
温度梯度是影响形核的关键因素之一。在金属凝固过程中， 由于固液界面的存在，温度梯度使得原子在界面处积聚，形 成晶体核心。
规律和机制等方面。
02
形核的理论基础
量子力学基础
量子力学的发展
01
介绍了量子力学的起源、发展和应用，以及量子力学的基本原
理和重要理论。
量子力学与材料科学
02
探讨了量子力学在材料科学中的应用，包括对材料性质的解释
和预测。
均匀形核和非均匀形核的临界半径
均匀形核和非均匀形核的临界半径均匀形核和非均匀形核的临界半径一、引言在物理化学和材料科学的研究领域中，形核过程一直是一个重要的研究课题。
形核是指从溶液中产生固体晶体的过程，其中一个关键参数就是形核过程中的临界半径。
在形核的过程中，溶液中的溶质分子会凝聚在一起形成固体颗粒，这种凝聚的行为可以分为均匀形核和非均匀形核两种情况。
本文将对这两种形核过程的临界半径进行深入探讨。
二、均匀形核均匀形核是指形核过程中溶质分子在整个溶液中均匀分布，并且凝聚形成晶核的过程。
在均匀形核的情况下，临界半径起到了至关重要的作用。
临界半径是指溶质分子凝聚形成晶核所需要的最小尺寸。
当晶核的尺寸小于临界半径时，晶核会因为表面能的增加而不断溶解，形成的晶体难以长大。
只有当晶核的尺寸大于临界半径时，晶核才能稳定存在并继续生长。
那么，如何确定均匀形核的临界半径呢？一种常用的方法是通过对形核速率的测量来确定临界半径的值。
形核速率是指每个单位时间内形成新晶核的数量，通常用单位时间内晶核的个数来表示。
当晶核的尺寸小于临界半径时，晶核的消失速度会高于形成速度，因此形核速率会随着晶核尺寸的减小而减小。
只有当晶核的尺寸大于临界半径时，形核速率才会保持稳定。
三、非均匀形核与均匀形核相反，非均匀形核是指形核过程中溶质分子集中在某些特定位置，形成非均匀分布的晶核的过程。
在非均匀形核的情况下，临界半径的概念变得更加复杂。
由于溶质分子的非均匀分布，形核速率也不再均匀，而是在不同位置有不同的形核速率。
临界半径的定义变得模糊，无法仅通过形核速率的测量来确定。
然而，在非均匀形核的情况下，临界半径仍然具有重要意义。
虽然无法明确确定临界半径的数值，但可以通过对晶核的形状和分布进行观察和分析来了解形核过程的特性。
当晶核的尺寸较小时，如果晶核的形状呈现出非球形或扭曲的特征，那么可以认为它们处于非均匀形核的状态。
此时，临界半径的概念可以理解为当晶核尺寸达到一定大小时，其形状和分布才趋向于均匀。
3.3 形核规律
3.3 形核规律晶体的凝固是通过形核与长大两个过程进行的，即固相核心的形成与晶核生长至液相耗尽为止。
形核方式可以分为两类：1).均匀形核：新相晶核是在母相中均匀地生成的，即晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响；2).非均匀（异质）形核：新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核。
在实际熔液中不可避免地存在杂质和外表面（例如容器表面），因而其凝固方式主要是非均匀形核。
但是，非均匀形核的基本原理是建立在均匀形核的基础上的，因而先讨论均匀形核。
一 均匀形核1 均匀形核的能量条件在液态金属中，时聚时散的近程有序原子集团是形成晶核的胚芽，叫晶胚。
晶体熔化后的液态结构从长程来说是无序的，而在短程范围内却存在着不稳定的，接近于有序的原子集团（尤其是温度接近熔点时）。
由于液体中原子热运动较为强烈，在其平衡位置停留时间甚短，故这种局部有序排列的原子集团此消彼长，即前述的结构起伏或称相起伏。
当温度降到熔点以下，在液相中时聚时散的短程有序原子集团，就可能成为均匀形核的"胚芽"或称晶胚，其中的原子呈现晶态的规则排列，而其外层原子与液体中不规则排列的原子相接触而构成界面。
因此，当过冷液体中出现晶胚时，一方面由于在这个区域中原子由液态的聚集状态转变为晶态的排列状态，使体系内的自由能降低ΔGv ＜0，是相变的驱动力；另一方面，由于晶胚构成新的表面，又会引起表面自由能的增加，这构成相变的阻力。
在液—固相变中，晶胚形成时的体积应变能可在液相中完全释放掉，故在凝固中不考虑这项阻力。
但在固—固相变中，体积应变能这一项是不可忽略的。
在过冷的条件下，晶胚形成时，系统自由能的变化包括转变为固态的那部分体积引起的自由能下降和形成晶胚与液相之间的界面引起的自由能(表面能)的增加。
设单位体积自由能的下降为V G ∆<0；单位面积的表面能(比表面能)为σ；设晶胚为球体，其半径为r ，则过冷条件下晶胚形成时，系统自由能的变化为σππ23344r G r G V +∆=∆ （1）。
2.1.2.3 形核与形核率(3)形核控制
目录 • 钛和铜 • 晶格结构不同， 晶格结构不同， • 但钛的密排六方晶格(a=0.29506nm，c=0.4678nm) 但钛的密排六方晶格( =0.29506nm， {0001}面 的{0001}面 • 和铜的面心立方晶格(a=0.3615nm)的{111}面 和铜的面心立方晶格( =0.3615nm)的{111}面 • 具有相似的原子排列方式，其原子间距也相近， 具有相似的原子排列方式，其原子间距也相近， • 因此钛也是铜合金的有效形核剂。 因此钛也是铜合金的有效形核剂。
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• 该理论的局限性
目录
① 由于点阵错配而引起的晶格畸变是共格型界面能的 主要来源， 主要来源，但决非惟一来源 。 ② 近代研究表明，物质表面具有一个偏离内部正常结 近代研究表明， 构的过渡层。 构的过渡层。 过渡层 ③ 影响非均匀形核的其他因素，如σLS与σLC的大小、 影响非均匀形核的其他因素 其他因素， 的大小、 形核剂的稳定性以及表面的几何形状和粗糙度等可能 有时起着更大的作用。 有时起着更大的作用。 到目前为止，工业上的有效形核剂都是通过试验获得的 到目前为止，工业上的有效形核剂都是通过试验获得的 试验获得 例：纳米晶粒细化剂，效益 纳米晶粒细化剂，
σCS越小，衬底的非均匀形核能力就越强。 越小，衬底的非均匀形核能力就越强。
σCS何时小？ 何时小？
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目录 界面共格对应 界面共格对应理论认为，在非均匀形核过程中， 界面共格对应理论认为，在非均匀形核过程中，衬底晶 面总是力图与结晶相的某一最合适的晶面相结合， 面总是力图与结晶相的某一最合适的晶面相结合，以 最低的界面 的界面。 便组成一个σCS最低的界面。 因此界面两侧原子之间必然要呈现出某种规律性的联系， 因此界面两侧原子之间必然要呈现出某种规律性的联系， 这种规律性的联系称为界面共格对应 界面共格对应。 这种规律性的联系称为界面共格对应。 界面共格对应条件： 界面共格对应条件： 只有当衬底物质的某一个晶面与结晶相的某一个晶面上 原子排列方式相似，而其原子间距相近或 原子间距相近或在一定范 的原子排列方式相似，而其原子间距相近或在一定范 围内成比例 成比例时 才能实现界面共格对应。 围内成比例时，才能实现界面共格对应。
固态相变形核机制
固态相变形核机制固态相变是指物质在一定条件下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
相变的发生与物质的内部结构和外部条件密切相关，而固态相变形核机制则是解释相变发生的关键因素之一。
固态相变的形核过程主要包括形核产生、形核长大和形核稳定三个阶段。
形核产生阶段是指在一定条件下，物质内部出现微小的晶核。
在这个阶段，物质内部的结构发生了变化，但晶体的数量和尺寸仍然很小，无法被肉眼观察到。
形核产生的机制主要有两种：热激发和异质形核。
热激发形核是指物质受到热能的激发，原子或分子在晶体内部发生微小的位移，从而形成晶核。
热激发形核是固态相变中最常见的形核机制，它主要发生在高温下。
异质形核是指在固态相变过程中，固态物质与其他形核剂接触后，形成新的晶核。
形成晶核的条件包括异质界面的结构匹配性、晶核剂的浓度和形核剂与物质之间的相互作用等因素。
异质形核机制在实际应用中具有重要意义，可以通过控制形核剂的添加量和形核剂与物质的相互作用来调控固态相变的发生。
形核长大阶段是指晶核在一定条件下逐渐长大，形成稳定的晶体。
在这个阶段，晶核的数量和尺寸逐渐增加，结构也逐渐稳定。
形核长大的机制主要包括表面扩散和体内扩散两种。
表面扩散是指固态物质中的原子或分子在晶体表面上发生扩散，与周围的原子或分子进行交换位置。
表面扩散可以使晶核的尺寸逐渐增大，从而形成稳定的晶体。
体内扩散是指固态物质中的原子或分子在晶体内部发生扩散，与周围的原子或分子进行交换位置。
体内扩散是形核长大的主要机制，它使晶核的尺寸逐渐增大，晶体结构逐渐稳定。
形核稳定阶段是指晶核长大到一定尺寸后，形成稳定的晶体，固态相变过程结束。
在这个阶段，晶核的数量和尺寸基本保持不变，晶体的结构也保持稳定。
形核稳定的机制主要包括固态物质的晶体生长和形核的再结晶两种。
晶体生长是指晶核在一定条件下继续长大，形成稳定的晶体。
晶体生长的速度与温度、压力和物质的浓度等因素相关。
形核的再结晶是指晶核在一定条件下重新排列和组合，形成新的晶体结构。
比较均匀形核与非均匀形核的异同点
比较均匀形核与非均匀形核的异同点
形核是指生物体内的细胞分裂，使得细胞产生新的胚胎体，这个过程包括有两种形态：均匀形核与不均匀形核。
以下将比较均匀形核与非均匀形核的异同点。
1. 异同点之一是形态不同。
均匀形核指的是细胞分裂后，胚胎体内的细胞具有相同
的核大小和染色体数目。
而非均匀形核指的则是核大小与染色体数目不相同的胚胎体。
2. 异同点之二是发育速度不同。
均匀形核的胚胎体发育速度稍快于非均匀形核的胚
胎体。
因为均匀形核可以更快地完成细胞分裂，造成更多的胚胎体。
3. 异同点之三是致畸性不同。
非均匀形核的胚胎体通常比均匀形核的胚胎体更容易
发生致畸性。
因为非均匀形核的胚胎体更容易与环境因素相互作用，从而引起基因突变和
表达底物的改变。
在总结中，均匀形核与非均匀形核之间的差异是显而易见的。
在发育速度、致畸性、
细胞分化能力等方面，它们都存在巨大的差别。
因此，对于形核过程的研究以及基因突变
和细胞分化的相关研究都需要考虑到这些因素。
形核
金属结晶的热力学条件
过冷后，液固相自由能之差ΔG就是金属结晶的驱动 力，过冷度越大，驱动力越大。
金属结晶的微观基本过程 – 形核长大过程
液态金属 形核
晶核长大
完全结晶
形核
形核方式有两种：一种是均匀形核；
另一种是非均匀形核。
均匀形核
非均匀形核
是指晶胚依附于液态金属中 的固态杂质表面形核的过程。
受形核功影响形核 率因子
受原子扩散能力影响的 形核率因子
晶核的形成
ΔT 增大，形核率增大，在 ΔT非常大时，形核率主要受扩 散因子的控制，随 ΔT 增加，形核率降低。
形核非晶态材料
是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相中各区域 出现新相晶核的几率都是相同的。理想情况！ 实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行！
但均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研究晶体 材料凝固问题的理论基础，而且也是研究固态相变的基础。
晶核的形成
形核率
是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。 用N＝N1*N2表示。
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界面能的作用—形核的阻力
⏹固态相变中，新相和母相均是晶体，因此新/母相界面可能共
格、半共格或非共格。
⏹两相间界面能随界面两侧原子排列匹配程度加大而减小。
形
核时总希望有最低的总表面能。
非共格界面能很高，若调整核心和母相的取向关系，使核心出现尽量多的共格或半共格界面，就会减小形核功，形核过程便易于进行。
⏹若母相和稳定的新相的晶体结构差异很大，以至于不管新／
母相如何调整取向关系也不可能形成共格的低能界面，则有可能形成与母相呈共格界面关系的另一种亚稳定相。
⏹对共格界面，界面两侧原子排列的间距差异是由两相的弹性
应变能承担的。
当新相长大时，弹性应变能加大，将会在界面上引入位错网络来降低弹性应变能，变成半共格界面。
新相长大到更大尺寸时，共格关系使总界面能的减少不足以补偿维持共格所引起的弹性能或结构能，新相和母相间就失去共格关系。
应变能的作用—抵消形核驱动力（是阻力）
⏹①核心共格界面引起
⏹②形成的新相核心体积不同于在形成核心前原区域母相的体
积引起
⏹多数情况是核心中原子数目和形成核心前原来这个区域中母
相的原子数目相同，但新相和母相的每一个原子所占据的体积不同。
另一种途径是由于母相中各组元的扩散速度有显著差别，使得形成的核心中包含的原子数和形成核心前这个区域的母相的原子数目不相同。
如Cu-Zn合金中从β相中析出富锌的γ相（锌扩散速度快），流入核心的锌原子比流出核心的铜原子的原子流量大，因而使得在核心中的原子数目比原理这个区域相中的多，结果产生膨胀效应。