液态金属凝固的原子过程

显然，只有当新原子层的表面成核或界面的几何形状不能在不锈钢管晶体紧密堆积的表面上提供新的台阶时，我们才需要用螺旋位错机制来解释不锈钢管晶体的生长。新原子层自发成核的条件是，与晶体表面重叠的原子应该具有足够的密度，以便它们能够聚集形成达到临界尺寸的二维核。因此，这一条件取决于核心临界尺寸的大小、原子到达晶体表面的时间速率以及它们停留在表面的平均时间。由于原子从熔体到达晶体表面的时间比原子从蒸汽或溶液到达晶体表面的时间高得多，所以从熔体中生长晶体不一定会遇到与从蒸汽或溶液中生长晶体相同的困难不锈钢U型管。然而，对于不锈钢管工厂来说，是否需要晶体缺陷来从熔体中生长晶体仍然是一个未解决的问题。

根据熔点的弗兰克，理论，不锈钢厚壁管的晶体和熔体之间的界面不再有任何致密的聚集表面。因此，原子能够在界面的任何地方与晶体结合。同时，界面上的任何原子都可以同样自由地离开。这样，原子之间就没有必要存在紧密相连的“台阶”。在这种情况下，完美晶体和不完美晶体的生长是相同的。然而，当研究纯铅(99.996%)单晶和双晶生长过程中固液界面的微观结构时，卡耳末斯等人发现当界面几乎与{111}或{001}晶面重合时，不锈钢厚壁管晶体的界面上存在“台阶状”结构。然而，在取向与上述两个晶面相差甚远的界面上，从光学显微镜上看不到这种结构。这个实验表明晶体生长的界面仍然保持一些晶体学特征，所以弗兰克的概念是有问题的。

界面的微观结构仅与界面与{111}或{001}晶面之间的角度有关。当角度大于某一临界值(约15-200)时，“台阶”结构将消失。当界面靠近{n1}或{001}时，台阶变大。然而，当它完全匹配时，这些步骤就变成了广阔的平台。事实证明，每一步都是由一些紧密堆积的表面{111}或{001}组成的。对于不同的取向，台阶的宽度在0.001和0.01毫米之间，而高度通常小于0.001毫米。304不锈钢法兰卡耳末斯等人考虑的形成可见台阶的机制如下：如果平台由{111}或{001}晶面组成，当其中一个晶面与界面之间有小的角度差时，界面上将出现具有单原子层高度的台阶。角度差越大，图10.1中[比较(b)和(c)的步长越密集。如图10.22(a)所示，如果原子层台阶在开始时分布不均匀，那么这些短台阶是不可见的。晶体生长的步骤是将大直径不锈钢管原子一个接一个地冻结在台阶的侧面，使台阶从右向左移动。如果晶体的生长纯粹是每一步都以同样的速度运动的结果，那么这些步骤将会和以前一样，我们仍然看不到。然而，移动速度与通过界面的热传导和凝固过程中释放的电势量有关。由于加热，电位的释放会减慢甚至停止附近台阶的运动。因此，彼此靠近的步骤B和C将被限制并且移动较慢，而步骤A和D可以向前移动。这样，AB之间的距离增加，CD之间的距离减少。结果，B、C和D的三个台阶靠近在一起，并且原子层台阶通过这种生长模式聚集，从而增加高度并形成可见台阶。

当然，不锈钢厚壁管的新原子层也可以在平台上形成。例如图10.22(a)中的AB或CD是通过表面成核形成的。在原子层中不规则台阶分布的情况下，在相对较大的平台上(例如10.22 (a)上的如图GD)，成核概率较高，因为大平台的中心相对远离台阶，即离潜能量源相对较远，所以其过冷度也高于其他区域。如果二维核心在平台CD上形成并长大，这将缩短CD距离，因此天、不锈钢对焊法兰c和d靠近在一起，如图10.22(b)所示。同时，由于CD的缩短，DE被延长，此时e可以通过相同的表面成核(on de)模式或不锈钢厚壁管的侧向推动模式接近b、c和d。据估计，b、c、D这些原子级之间的平均距离可以保持两三个原子级的距离，因为当界面与平台之间的夹角达到200时，界面上的所有原子级都足够接近，并且没有相对较大的平台来分隔它们，所以我们看不到界面上的台阶结构。

顺便说一句，在平台上形成的二维核心不一定要达到临界尺寸才能有助于增长。小于临界尺寸的胚胎如果在消失前与不锈钢管的原子层结合，也能促进生长。

上述推论不适用于与密集堆积表面完全匹配的界面。显然，在这种情况下，如果界面上没有永久台阶(如弗兰克机制)，那么表面成核过程将是必要的。

提勒等人还研究了不锈钢管的界面结构。除了看到台阶之外，他们还认为晶面的原子堆积密度越高，它们平行于平台的概率就越大，因此{111}、{110}和{311}晶面成为铅中平台的概率依次降低，而锡中的顺序为{100} —— {101}。