材料科学基础中，凝固与气相沉积是材料形成与加工的重要环节，特别是对于金属合金。凝固理论主要探讨的是液态金属或合金转变为固态的过程及其影响因素。本部分内容聚焦于二元合金的凝固理论，特别是匀晶转变。
在二元合金的凝固过程中，溶质原子在液相和固相间的分布对合金的性质产生关键影响。根据平衡分配系数 \( K_0 \)，可以分析溶质原子如何在凝固过程中重新分布。\( K_0 \) 是固相中溶质的质量分数 \( S \) 与液相中溶质的质量分数 \( L \) 的比值。当 \( K_0 < 1 \)，随着溶质含量增加，合金的凝固温度降低；反之，若 \( K_0 > 1 \)，凝固温度则会升高。若 \( K_0 \) 接近 1，则表明溶质分布相对均衡，凝固时的成分变化不大。
凝固方式主要有三种：平衡凝固、非平衡凝固（包括凝固速度极慢和极快的情况）。平衡凝固是指固相和液相的成分均匀分布，而非平衡凝固则涉及到界面区溶质的扩散和对流。有效分配系数 \( k_e \) 考虑了实际凝固过程中界面速度、扩散系数和边界层厚度等因素，它反映了实际凝固条件下溶质的分布情况。
成分过冷是合金凝固过程中的重要现象，当实际凝固温度低于由溶质分布决定的凝固温度时，就会产生成分过冷。这种过冷是由于液相中溶质分布不均导致的，其临界条件与温度梯度有关。
凝固理论的应用广泛，例如在材料的制备技术中。正常凝固会导致溶质在铸锭中从表面至中心逐渐增加的正偏析，这种偏析通常难以通过扩散退火消除。而区域熔炼是一种改善合金纯度的方法，通过区域熔炼方程，可以预测随凝固距离溶质浓度的变化，从而实现提纯。区域熔炼可以通过多次熔炼和不同长度感应圈组合来优化效果。
此外，制备单晶材料也是利用凝固理论的重要应用，如CZ（Czochralski）法和悬浮区熔化法，它们分别通过拉晶和悬浮熔融的技术来生长高纯度的单晶。
这些理论和技术对于理解材料的微观结构、性能调控以及高性能材料的制备具有深远意义。通过控制凝固过程中的各种参数，可以定制出具有特定性能的金属合金和化合物，满足不同领域的需求。
