结晶的基本概念

4.1　结晶的基本概念

物质从液态转变为固态的过程称为凝固。凝固后的产物可以是晶态，也可以是非晶态。物质从液态转变为晶态的过程称为结晶。

日常生活中最常见的物质形态是气态、液态和固态。从构成来说，这些状态是由分子或原子的集合形式决定的。由于分子或原子在这三种物质形态中的运动状况不同，从而使其具有不同的特征。

气态的温度较高，其分子（原子）的运动最自由，间隙最大，往往或多或少地呈现独立运动状态。正是气态分子（原子）完全不规则的运动状态产生了气态的特性。随着温度的降低，物质由气态转变为液态，此时原子（分子）运动的范围变小。虽然总体仍呈无规则排列状态，原子的排列仍然较为自由和松散，但由于原子间距减小原子间吸引力增大，使得液态原子不是完全毫无规则地混乱排列，而是在其内部的短距离小范围内会出现规则排列的状态，我们把这种状态称为近程有序，如图4-1所示。这些近程有序的原子团不是稳定的，它们可能瞬时出现又瞬时消失。随着温度的进一步降低，原子运动的范围变得很小，原子间距离大大缩小，原子间吸引力明显增加，原子将只能以近似等距的状态紧密排列，呈现有规则周期排列的状态，我们称其为长程有序。由此可见，结晶的实质是原子由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。广义上讲，物质从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态的过程就是结晶过程。通常把液态转变为固体晶态称为一次结晶，而把固态转变为另一种固体晶态称为二次结晶。

液态物质凝固成固态时，凝固产物并非都是晶态，也有非晶态。与晶态的规则周期性排列状态不同，非晶态固体与液态一样呈现一种长程无序、短程有序的结构特征。因此也可以认为非晶态是一种“冻结”的液态结构。

图4-1　原子排列状态示意图

非晶态固体又称玻璃态，可看成是黏滞性很大的过冷液体。非晶态固体宏观上表现为各向同性，熔解时无明显的熔点，只是随温度的升高而逐渐软化，黏滞性减小，并逐渐过渡到液态。常见的非晶态固体包括玻璃、有机聚合物，如有机玻璃、各种塑料和合成纤维等。金属在正常凝固条件下将获得晶体结构，但在特殊条件下，比如急冷，就可以获得非晶态的金属，亦称金属玻璃。非晶态金属比一般金属具有极高的强度，优异的硬度和韧性（维氏硬度HV一般在1000～2000左右），优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等，并且具有特殊的电、磁、光、热的特性。如非晶态合金Fe₈₀B₂₀，其断裂强度达370kg/mm²，是一般优质结构钢的7倍，而且强度的尺寸效应很小，弯曲形变可达50%以上。这种非晶态合金还具有优异的抗辐射特性，经中子、γ射线辐照而不损坏，在火箭、宇航、核反应堆、受控核反应等方面都具有特殊的应用。非晶态材料还可以制备成复合材料和层状材料。在产品生产工序上，金属玻璃的制备可以连续生产，一次成型，生产程序简单、成本低廉，因此自20世纪70年代起，美国、日本、西德、法国就开始大量投资，用于市场产品的生产。

晶体的长程有序结构使其内能处于最低状态，而非晶态固体由于长程无序而使其内能并不处于最低状态，故非晶态固体是属于亚稳相，向晶态转化时会放出能量。