何为成分过冷，成分过冷产生的原因 其主要影响因素有哪些 在单晶生长中如何克服？

所谓单晶(monocrystal, monocrystalline, single crystal)，即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。单晶整个晶格是连续的，具有重要的工业应用。

　　出现成分过冷后凝固组织的变化 Rut ler 与 Chalmers 认为, 出现成分过冷后, 在平界面上形成小的凸起, 进而发展进入 到大的成分过冷区内, 其凸起不断长大, 平的界面被破坏。Bilonis 等人则认为出现成分过 冷后平界面上在位错的周围形成凹坑, 凹坑发展为六角形沟槽, 平界面从此被破坏。 Sn在 Pb 合金中平胞转变的临界值与式( 7) 的计算结果十分吻合 。 成分过冷使平界面失稳的规律在胞晶侧壁上也同样适用 。 由 Chalm ers 等人提出的成分过冷理论, 迎来了晶体生长理论解析的黎明。 50 年代到 从 60 年代, 这方面的研究工作得到了充分的展开, 取得了辉煌的结果。然而, 郡司好喜先生对成分过冷理论提出以下几个问题: 首先, 由于没考虑界面能的影响, 不能估计在平界面上 出现凹凸时过冷度的变化; 其次, 只考虑了液体内的温度梯度, 而没有考虑固相中的温度梯 度; 再次, 用成分过冷理论无法描述失稳后的界面状态。也就是说成分过冷理论还不能十分 准确地描述凝固过程中固液界面的状态。

纯金属结晶是在某个温度下进行；而合金结晶是在某个温度范围进行。

纯金属结晶是物质由液态→固态的过程称为凝固，由于液态金属凝固后一般都为晶体，所以液态金属→固态金属的过程也称为结晶。

液态金属的结构：经研究发现在略高于熔点时，液态金属的结构具有以下特点： 1) 是近程有序远程无序结构； 2) 存在着能量起伏和结构起伏。

结晶过程的宏观现象：研究液态金属结晶的最常用、最简单的方法是热分析法。它是将金属放入坩埚中，加热熔化后切断电源，用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲线或热分析曲线，见图126。由该曲线可以看出，液态金属的结晶存在着两个重要的宏观。

1、过冷现象

实际结晶温度T总是低于理论结晶温度Tm的现象，称为过冷现象，它们的温度差称为过冷度，用△T表示，，纯金属结晶时的△T大小与其本性、纯度和冷却速度等有关。实验发现液态金属的纯度低△T小，冷却速度慢，△T小，反之相反。

2、结晶过程伴随潜热释放

由纯金属的冷却曲线可以看出它是在恒温下结晶，即随时间的延长液态金属的温度不降低，这是因为在结晶时液态金属放出结晶潜热，补偿了液态金属向外界散失的热量，从而维持在恒温下结晶。当结晶结束时其温度随时间的延长继续降低。

金属结晶的微观基本过程：由于金属是不透明的，所以无法直接观察到其结晶的微观过程，但通过对透明有机物结晶过程的观察，发现金属结晶的微观过程，就是原子由液态的短程有序逐渐向固态的长程有序转变的过程。

当液态金属过冷到其Tm以下时，它的尺寸最大的短程有序的原子集团，通过结晶潜热的释放排列成长程有序的小晶体，该小晶体称为晶核，该过程称为形核。晶核一旦形成就可不断地长大，同时其它尺寸较大的短程有序的原子集团又可形成新的晶核。因此纯金属的结晶过程是晶核不断的形成和长大的交替重叠进行的过程。所以结晶后为多晶体，如在结晶时控制好只让一个晶核形成和长大就可得到单晶体。

金属结晶的热力学条件：

由热力学第二定律可知，物质遵循能量最小原理，即物质总是自发地向着能量降低的方向转化。在等压条件下液、固态金属的自由能与温度的关系曲线，都是单调减上凸曲线，并且两者斜率不同，由热力学表达式可知液相的斜率大于固相，因为液态时原子排列的混乱程转度大，S液>S固，两曲线交点的温度为金属的理论结晶温度即熔点。这时液、固两相的自由能相等，液、固两相处于动态平衡状态，两相可以长期共存。①当T=Tm时，G液=G固，两相共存；②当T>Tm时，G液G固，金属结晶成固体，而△G=G固-G液<0，为结晶的驱动力，由此可知过冷是结晶的必要条件，△T越大，结晶驱动力越大，结晶速度越快。

1、过冷现象：晶体凝固时，凝固温度要略微低于凝固温度的现象，因为在凝固温度是液固态同时存在是稳态。过冷度越小，凝固时间越长，使得晶粒有足够的生长时间。

2、过冷度：如果要进行凝固，则需要施以驱动力，这个略低于凝固温度的温度差就是这个凝固过程驱动力，称作过冷。度。所以过冷度越小，晶粒越大，而过冷度越大，晶粒越小。但过冷度大到一定程度后，原子来不及排列，凝固形成准晶、非晶。

制度须知

温度低于凝固点但仍不凝固或结晶的液体称为过冷液体。过冷液体是不稳定的，只要投入少许该物质的晶体，便能诱发结晶，并使过冷液体的温度回升到凝固点。这种在微小扰动下就会很快转变的不稳定状态称为亚稳态。

由于晶体内分子或原子的排列是有规律的，而液体内则是无规律的。而结晶中心有助于这种无序到有序的转化。液体越纯净，结晶中心越难形成。如果降低至凝固点以下仍未形成，则过冷。

固液界面稳定。速凝固后，固液界面反而能够稳定，产生无偏析的柱状晶组织，得到成分均匀的材料，成分过冷理论就不适用了。成分过冷：凝固时由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变而在液固界面前液相内形成的过冷。

过冷度是指在一定压力下冷凝水的温度与相应压力下饱和温度的差值。

熔融金属平衡状态下的相变温度与实际相变温度的差值。纯金属的过冷度等于其熔点与实际结晶温度的差值，合金的过冷度等于其相图中液相线温度与实际结晶温度的差值。

相关用途

连续冷却时候，冷却速度的高低影响相变时过冷度的大小。正是过冷度的大小影响组织形貌和结晶类型。缓慢冷却时候，合金在不大的过冷度下就发生了相变。这时候只能结晶析出石墨。过冷度足够大冷却速度足够快时候，就会析出渗碳体。

随着冷却速度的增加，过冷度也会增加。在具有较大的过冷度的情况下，形核率的增加比晶核长大的速度更快从而可以获得更细晶粒。

—过冷度