39分析纯金属生长形态与温度梯度的关系?

考查要点：本题主要考查纯金属在凝固过程中晶体生长形态与温度梯度的关系，重点理解温度梯度如何影响晶体界面形貌及生长机制。

解题核心思路：

1. 温度梯度的分类：明确正温度梯度（温度随空间降低）与负温度梯度（温度随空间升高）的定义。
2. 界面形貌与过冷度的关系：温度梯度决定了界面前沿液体的过冷度分布，进而影响晶体生长方式。
3. 生长形态的分类：平面状生长（正温度梯度）与树枝状生长（负温度梯度）的形成机制及动态变化。

破题关键点：

• 正温度梯度下，凸起部分过冷度减小，生长受抑制，形成平面界面。
• 负温度梯度下，凸起部分过冷度增大，生长加速，形成枝晶并多次分叉。
• 凝固潜热释放会改变局部温度梯度，导致生长方式的动态转换。

平面状界面（正温度梯度）

1. 温度分布特点：界面前沿液体温度高于熔点，存在正温度梯度（温度随空间降低）。
2. 生长机制：
   • 界面上偶然凸起伸入液体时，凸起部分温度较高，过冷度减小，生长速率降低。
   • 周围平面部分生长更快，凸起被“追平”，最终保持平面界面推移。
3. 生长方向：晶体沿温度梯度方向（散热反方向）生长，其他方向生长受抑制。

树枝状界面（负温度梯度）

1. 温度分布特点：界面前沿液体温度低于熔点，存在负温度梯度（温度随空间升高）。
2. 初始枝晶形成：
   • 界面上偶然凸起伸入液体时，凸起部分过冷度更大，生长速率更快，形成一次枝晶。
   • 枝晶释放凝固潜热，使周围液体温度升高，形成局部正温度梯度。
3. 多次分叉机制：
   • 一次枝晶间隙中温度较高，负温度梯度使一次轴上长出二次轴分枝（如图2）。
   • 随着分枝次数增加，枝晶间隙温度最终达到熔点以上，转为平面界面填充间隙（如图1）。