非均勻形核

所謂非均勻成核，是指體系在外來質點，容器壁或原有晶體表面上形成的核。在此類體系中，成核幾率在空間各點不同，由於模型內模型壁和雜質顆粒的作用，原子依附在其上而形核，進而降低了過冷度，使形核更加容易。自然界中的雨雪冰雹等的形成都屬於非均勻成核。實際上，在所有物質體系中都會發生非均勻成核。有目的地利用體系的非均勻成核，可以達到特殊的效果和作用。

母相中的晶體缺陷可以作為形核位置，因此，金屬固態相變主要依賴於非均勻形核，其系統自由能總變化為：ΔG=-Δg_vV+σS+EV-ΔG_d

-ΔG_d表示非均勻形核時由於晶體缺陷消失而釋放出的能量。因此，-Δg_vV-ΔG_d是相變驅動力，這將導致臨界形核功的降低，從而大大促進形核過程。 ^[1] 

1、空位

空位可通過加速擴散過程或釋放自身能量提供形核驅動力而促進形核。此外，空位羣亦可凝聚成位錯而促進形核。

2、位錯

位錯可通過多種形式促進形核：

①新相在位錯線上形核，可借形核處位錯線消失時所釋放出來的能量作為相變驅動力，以降低形核功；

②新相形核時位錯並不消失，而是依附於新相界面上構成半共格界面上的位錯部分，以補償錯配，從而降低應變能，使形核功降低；

③溶質原子在位錯線上偏聚（形成柯氏氣氛），使溶質含量增高，便於滿足新相形成時所需的成分條件，使新相晶核易於形成；

④位錯線可作為擴散的短路通道，降低擴散激活能，從而加速形核過程；

⑤位錯可分解形成由兩個分位錯與其問的層錯組成的擴散位錯，使其層錯部分作為新相的核胚而有利於形核。

3、晶界

大角晶界具有高的界面能，在晶界形核時可使界面能釋放出來作為相變驅動力，以降低形核功。因此，固態相變時，晶界往往是形核的重要基地。晶界形核時，新相與母相的某一個晶粒有可能形成共格或半共格界面，以降低界面能，減少形核功。這時共格的一側往往呈平直界面，新相與母相間具有一定的取向關係。但大角晶界兩側的晶粒通常無對稱關係，故晶核一般不可能同時與兩側晶粒都保持共格關係，而是一側為共格，另一側為非共格。為了降低界面能，非共格一側往往呈球冠形。 ^[1] 

非均勻形核的形核功比均勻形核的形核功小得多，但還不能立即説非均勻形核的形核率一定比均勻形核的形核率高，因為非均勻形核率還取決於是否存在靠背以及靠背的多少。實際上，在凝固時液相中都含有大量的形核靠背，例如盛放液體的容器模壁、液體中含的微小固態微粒等。所以，實際的凝固過程中非均勻形核率總比均勻形核的形核率要高得多，大量靠背的存在也使非均勻形核率比均勻形核的形核率高很多。非均勻形核使l臨界過冷度大幅度減小，形核温度大大提高，所以凝固過程不能獲得大的過冷度。特別是對於金屬和合金的凝固來説，除了非均勻形核外，再加上它有很大的結晶傾向，更是難以用一般的手段獲得較大的過冷。 ^[2] 

有時為了凝固後獲得細小的晶粒，常常人為地在液相中加入作為形核靠背的形核劑。形核劑與結晶的固相間的界面能越低，催發形核的能力越大；形核劑越細越彌散，提供的形核靠背就越多，這樣細化晶粒的效果就越好。對於鑄造業，如何選擇合適的形核劑是一個重要問題。

另外，有人還研究了振動對過冷液體形核的影響。用足夠強的脈衝可促進過冷鎳液或水的形核。這被認為是脈衝使液體的空穴破裂產生很高的壓力，它可能達幾千兆帕，這個壓力顯著改變液體的熔點，從而促進形核。但也有人認為振動促進成核的原因是晶粒破碎引起晶粒增殖。