晶粒生长
第三章 晶体生长
A
B
图3-11 共晶系相图
LE ⇄(C + D)
第二节 相图及其在晶体生长中的应用
• 共晶反应过程
具有共晶成分的合金溶液，温度降到E点 时，开始同时从液体中开始析出成分为C的α 相和成分为D的β相，两相的相对含量可以用 杠杆定律求出
A
B
继续降温，最终形成α相和β相的机械混合物 ，但是晶体的总体成分仍是共晶成分。 形成的两相混合物具有显微组织特征。
①两种组分中金属原子或离子的半径必须接近，其半径差要小于15% ，否则，不同大小的原子或离子产生的晶格畸变将很大，以致影响 固溶度； ②两种组分必须具有相同的晶体结构，否则固体中将出现不同结构 的相，或固溶度仅限于一定范围； ③金属原子必须具有相同的价电子数，否则价电子数之差有可能导 致形成化合物而不形成固溶体； ④金属原子必须具有几乎相同的电负性，如果两种金属具有显著地 电负性差，则将倾向于形成金属间化合物。
L L+ L+
相图分析
相和相区与共晶相似 包晶线PDC：该线成分对应的合金在该 温度下发生包晶反应。该反应是液相L 包着固相, 新相β在L与α的界面 上形核，并向L和两个方向长大。
+
图3-12 包晶系相图
第二节 相图及其在晶体生长中的应用
• 包晶反应过程
第二节 相图及其在晶体生长中的应用
下面以凝固结晶为例说明形核过程： 短程有序（Short range order）：由于液态金属中有序原子集团的尺 寸很小，所以把液态金属结构的特点概括为短程有序（长程无序）， 通常用团簇结构cluster来表征。 晶胚（Embryo）：温度降低至熔点以下时，这些近程有序的原子集 团就成为均匀形核的晶胚，尺寸会增大。晶胚内部原子呈晶态有序 排列，而外层原子与液体中不规则排列的原子相接触构成界面。 晶核（Nucleus）：当具备结晶条件时，大于一定尺寸的晶胚就会成 为晶核。
晶粒异常长大的原因
晶粒异常长大的原因
首先是温度过高。
晶粒的生长速率与温度密切相关，温度过高会导致
晶粒生长速率加快，从而出现晶粒异常长大的现象。
此外，高温还会破坏
晶界固溶体，进而影响晶粒的稳定性，进一步促使晶粒异常长大。
其次是晶粒生长驱动力过大。
晶粒生长是由于晶界能的差异引起的，
如果晶界能差异过大，晶粒生长驱动力就会过大，导致晶界迁移速度加快，从而引起晶粒异常长大。
晶界能差异可以由组分偏离产生、晶体取向差异
产生或者应力差异产生等多种因素引起。
此外，固态扩散也是导致晶粒异常长大的原因之一、固态扩散是晶粒
生长的基础，晶界扩散的速率与固态扩散速率直接相关。
如果晶界扩散速
率过快，晶粒异常长大的现象就会发生。
晶粒的异常长大还可能与晶界的能量较低有关。
晶界能量较低可能导
致晶界的迁移速率降低，晶粒的生长速率变慢，进而晶粒异常长大。
这种
情况通常发生在一些碳化物等高熔点物质的形成过程中。
此外，杂质元素和晶界的相互作用也会影响晶粒的生长。
杂质元素的
加入可能改变晶界能量，进而影响晶界的迁移速率，最终引起晶粒的异常
长大。
此外，杂质元素还可以形成第二相颗粒，这些颗粒可能作为晶界的
障碍，进一步限制晶界迁移和晶粒生长。
总结起来，晶粒异常长大的原因主要包括温度过高、晶粒生长驱动力
过大、固态扩散过快、晶界能量较低、杂质元素和晶界的相互作用等。
了
解这些原因可以帮助科研人员采取相应的措施，来控制和防止晶粒的异常
长大，从而提高材料的性能。
晶粒演化规律
晶粒演化规律
晶粒演化规律主要涉及到晶粒的生长、稳定以及二次生长等过程。
以下是具体的演化规律：
1. 晶粒长大与稳定：在初始阶段，晶粒会通过晶界的迁动而逐渐长大。
这个过程中，溶质会向晶界偏析。
当晶界处的溶质达到饱和状态，即晶界能与驱动力达到平衡时，晶粒会停止长大，进入稳定状态。
2. 晶粒的二次生长与二次稳定：如果晶界中的溶质浓度超过了其极限溶解度，过量的溶质原子会从晶界处离开，可能导致富杂质相的成核。
这种情况下，晶粒可能会发生二次生长。
随着晶粒的进一步长大，第二相沉淀产生的拖拽效果可能会超过晶界能的驱动力，导致晶粒再次进入稳定状态。
此外，晶粒的长大过程可能会导致晶粒之间的互相吞噬，使得晶粒尺寸逐渐变大，同时晶粒数量下降，总的晶界面积也会随之下降。
晶粒长大可以分为正常长大和异常长大两类。
正常长大时，所有晶粒的晶界迁动速度相差不大，晶粒尺寸相对均匀。
而异常长大（也称为二次再结晶）时，只有少数晶粒的晶界以较快的速度迁动并逐渐吞并周围晶粒，使其尺寸显著增大。
高纯无氧铜的晶界迁移行为及其晶粒长大机制
高纯无氧铜的晶界迁移行为及其晶粒长大机制高纯无氧铜的晶界迁移行为及其晶粒生长机制1. 引言高纯无氧铜是一种重要的工程材料，具有良好的导电性和热导性。
在制造电子设备、电力传输系统和化学工艺装备等领域具有广泛的应用。
高纯无氧铜的性能主要由其晶界迁移行为和晶粒生长机制决定。
本文旨在探讨高纯无氧铜的晶界迁移行为及其晶粒生长机制。
2. 高纯无氧铜的晶界迁移行为晶界迁移是指晶界位置在固态材料中发生改变的过程。
高纯无氧铜中，晶界迁移由两个主要因素驱动：体动力学效应和力学应力。
体动力学效应是指晶界迁移是由于原子在固态材料中的扩散运动，主要受温度和时间的影响。
力学应力是指晶界迁移是由于外部应力的作用，如热循环等。
晶界迁移过程中，晶界位置的变化使得晶粒的形状和尺寸发生改变。
3. 高纯无氧铜的晶粒生长机制晶粒生长是指晶体中的晶粒逐渐增长并形成较大晶粒的过程。
在高纯无氧铜中，晶粒生长的主要机制有两种：晶界扩散和气液固相变。
晶界扩散是指晶界附近的原子扩散，使得晶界迁移速率增加并促进晶粒生长。
气液固相变是指在高纯无氧铜中气体的溶解和析出，从而引发晶界迁移和晶粒生长。
4. 高纯无氧铜晶界迁移行为的研究方法为了研究高纯无氧铜的晶界迁移行为，研究者使用了多种实验方法和理论模型。
实验方法包括金相显微镜观察、原子力显微镜观察、电子背散射衍射等。
这些实验方法可以直接观察晶界的迁移过程和晶粒的生长过程。
理论模型主要是基于晶界迁移的动力学模型，如弥散选择模型和非饱和模型。
5. 高纯无氧铜晶粒生长机制的研究方法高纯无氧铜晶粒生长机制的研究主要使用了相场模型和分子动力学模拟。
相场模型是通过数学模拟晶粒长大的过程，可以研究晶粒的形状和尺寸变化。
分子动力学模拟是通过计算原子之间的相互作用力和位移，模拟晶粒生长的过程。
这些模拟方法可以预测晶粒长大的趋势和速率。
6. 结论通过对高纯无氧铜晶界迁移行为及其晶粒生长机制的研究，我们可以更好地理解并控制高纯无氧铜的性能。
高中化学控制晶体生长的方法
高中化学控制晶体生长的方法
高中化学中控制晶体生长的方法主要有以下几种：
1. 温度控制：温度是影响晶粒长大的主要因素之一。
晶粒长大通常在高温下发生，因此通过控制温度可以有效抑制晶粒长大。
一种常用的方法是采用温度梯度结晶，即在结晶过程中设置温度梯度，使晶粒在温度梯度的作用下得以控制生长，从而抑制晶粒长大。
2. 添加抑制剂：添加抑制剂是另一种常见的抑制晶粒长大的方法。
抑制剂可以通过与晶体表面发生化学反应，改变晶体表面能，从而减缓晶粒的生长速度。
例如，在金属材料的制备过程中，常用的抑制剂有钛、锆等元素，它们可以与晶体表面发生反应形成稳定的化合物，从而抑制晶粒长大。
3. 溶液方法：溶液方法是通过变化溶液的成分、浓度、pH值等来控制晶体的形态。
在溶液中添加一定的添加剂可以改变溶液中晶体生长的速率和方向，从而影响晶体的形态。
例如，在金属晶体的生长过程中，通过调节金属盐的浓度、酸度和温度等条件，可以控制晶体的形貌。
4. 模板方法：模板方法是利用一个具有特定形状和大小的模板来引导晶体的生长，使晶体的形态与模板一致。
这种方法通常用于制备具有特定形状和结构的晶体材料。
总的来说，高中化学中控制晶体生长的方法主要通过改变温度、添加抑制剂、变化溶液成分、使用模板等手段来控制晶体生长的过程，从而实现对其形态和结构的控制。
晶粒的生长名词解释
晶粒的生长名词解释晶粒是固态材料中具有规则结构的微小晶体区域。
晶粒的尺寸通常在微米至毫米级别之间。
晶粒的生长是指晶粒在材料中逐渐增大和演变的过程。
在晶体学中，晶粒生长是一个重要的领域，对于理解材料的性质和性能具有重要作用。
1. 晶粒生长的机制晶粒的生长机制主要有两种，即成核生长和扩散生长。
成核生长是指晶粒在材料中的小部分区域首先形成并逐渐扩展，形成新的晶粒。
扩散生长是指晶粒通过材料中的原子或离子扩散，从而逐渐增大。
2. 影响晶粒生长的因素晶粒生长受到多种因素的影响，包括温度、时间、晶体结构、间隙原子浓度等。
温度是影响晶粒生长速率的主要因素，通常情况下，晶粒生长速率随着温度的升高而增加。
时间也是影响晶粒生长的重要因素，长时间的热处理能够促进晶粒的生长。
晶体结构与晶粒生长密切相关，晶体结构的稳定性对晶粒的生长起到重要作用。
此外，间隙原子浓度也会影响晶粒生长，高浓度的间隙原子可促进晶粒生长。
3. 晶粒生长的应用和意义晶粒生长在材料科学和工程领域具有广泛的应用和意义。
首先，晶粒生长是实现晶体的定向生长和形状控制的重要手段，对于获得具有特定性能和功能的微纳米结构材料具有重要意义。
其次，晶粒生长对于理解材料在热处理和加工中的行为和性能变化具有重要作用，为制定材料的热处理工艺和加工工艺提供指导。
此外，晶粒生长也在材料的寿命和疲劳性能研究中具有重要作用，通过控制晶粒的尺寸和分布可以改善材料的机械性能和抗疲劳性能。
4. 晶粒生长的研究方法研究晶粒生长的方法主要有实验方法和数值模拟方法。
实验方法包括X射线衍射、电子显微镜等技术，通过观察晶体的结构和形貌变化来研究晶粒生长。
数值模拟方法则通过建立数学模型和计算模拟，模拟晶体的生长和演化过程，探索晶粒生长的规律。
总结：晶粒的生长是固态材料中晶体结构演变的重要过程，影响着材料的性质和性能。
晶粒的生长机制、影响因素以及研究方法都是晶体学的重要研究内容。
通过深入了解晶粒生长的原理和规律，可以为设计和制备具有特定性能和功能的材料提供理论指导和技术支持。
晶粒生长
再结晶与晶粒长大是与烧结并行的高温动 力学过程，特别是晶粒长大与二次再结晶过程 往往与烧结中、后期的传质过程是同时进行的。 它对烧结过程和烧结体的显微结构和性能有不 可忽视的影响。 晶粒生长:无应变的材料在热处理时，平衡晶 粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续长大的 过程.
坯体继续致密化
❖晶界越过气孔或杂质，产生二次再结晶，把气 孔包入晶体内部
⑵有少量液相出现在晶界上—少量液相抑制晶粒 长大
5.极限晶粒直径：
DL—晶粒正常生长时的极限尺寸
DL d f
d—夹杂物或气孔的平均直径 f—夹杂物或气孔的体积分数
讨论：
①当f愈大时则DL愈小 ②当f一定时，d愈大则晶界移动时与夹杂
物相遇的机会就越少，于是DL愈大
三. 二次再结晶
(或称异常长大和晶粒不连续长大)
1.定义：二次再结晶是少数巨大晶粒在细晶消耗时 成核长大的过程（当正常的晶粒长大过程停止后， 个别具有多边界的大晶粒以自身为核心不断吞并 周围小晶粒而异常长大的过程为二次再结晶）
2.推动力：大晶粒界面与邻近高表面能和小曲率半 径的晶面相比有较低的表面能
1
❖logD—t作图为一直线，其斜率为 2
4.影响晶粒生长的因素：
图示1 图示2
⑴第二相夹杂物(杂质、气孔)影响—阻碍作用
当气孔汇集在晶界上时，晶界移动可能出现的 三种情况:
❖晶界移动被气孔或杂质所阻挡，使正常的晶粒 长大终止
❖晶界带动气孔或杂质以正常速度移动，使气孔 保持在晶界上，并可利用晶界的快速通道排除，
⑴ 原始粒度不均匀，存在个别大晶粒 ⑵ 烧结温度偏高或烧结速率太快 ⑶ 成型压力不均，局部有不均匀液相
5.避免二次再结晶采取的措施：
晶粒生长与二次再结晶的区别
晶粒生长与二次再结晶的区别
晶粒生长是晶体通过凝聚分子、原子或离子形成大尺寸单晶粒所经历的变化，主要地热力学分子漂移或原子游离活动及结晶反应机制相结合的一个过程。
二次再结晶是利用已有的晶体作为原料，进行热力学加工而形成的一种结晶形态。
它的原理是由一个原的晶体溶解，经过晶体熔点的改变，均布在溶液中，随着温度的降低而形成新的晶体结晶体，从而使该物质呈现出高度纯净的晶体结晶体。
两者最大的区别在于：晶粒生长是形成单一晶体的过程，是一个持续性的过程，通过一定的热力学机理来维护晶体无缝地增大；而二次再结晶则是利用已经存在的晶体进行热力学加工，用改变溶液中晶体熔点的方法来形成新的晶体；并且，晶粒生长的晶粒不能自行生长，它们需要一种热源，通常用伴热来维持一定的温度；而二次再结晶则通过调节溶液中晶体熔点，来实现该过程。
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6.不良结果(危害)：
大晶粒内出现隐裂纹，导致材料机、电性能恶化
四.晶界在烧结中的作用
⑴ 晶界是气孔通向烧结体外的主要扩散通道 ⑵ 晶界上溶质的偏聚可以延缓晶界的移动，加速
坯体致密化 ⑶ 离子晶体中，晶界是阴离子的快速扩散通道
个别晶粒异常长大 大晶粒是二次再结晶的晶核
界面上有应力
气孔被包裹到晶粒内部
4.二次再结晶产生的原因：
⑴ 原始粒度不均匀，存在个别大晶粒 ⑵ 烧结温度偏高或烧结速率太快 ⑶ 成型压力不均，局部有不均匀液相
5.避免二次再结晶采取的措施：
⑴ 合理选择原料的粒度，提高粒度均匀性，减少 产生大颗粒的可能
⑵ 控制温度抑制晶界移动速率，避免晶界移动过 快
讨论：
①当f愈大时则DL愈小 ②当f一定时，d愈大则晶界移动时与夹杂
物相遇的机会就越少，于是DL愈大
三. 二次再结晶
(或称异常长大和晶粒不连续长大)
1.定义：二次再结晶是少数巨大晶粒在细晶消耗时 成核长大的过程（当正常的晶粒长大过程停止后， 个别具有多边界的大晶粒以自身为核心不断吞并 周围小晶粒而异常长大的过程为二次再结晶）
结论：晶粒生长是晶界移动的结果，而不是简单的小 晶粒之间的粘结；晶粒生长取决于晶界移动的速率。
如图9-18：
A、B晶粒之间由于曲率不同而产生的压差为:
P ( 1 1 )
由热力学知系统只做膨r胀1 功r2时：G ST VP
当温度不变时 G VP V ( 1 1 )
第四节 晶粒生长与二次再结晶
再结晶与晶粒长大是与烧结并行的高温动 力学过程，特别是晶粒长大与二次再结晶过程 往往与烧结中、后期的传质过程是同时进行的。 它对烧结过程和烧结体的显微结构和性能有不 可忽视的影响。 晶粒生长:无应变的材料在热处理时，平衡晶 粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续长大的 过程.
r1 r2 △G —跨越一个弯曲界面的自由能变化
V —摩尔体积
❖晶体生长速率：
u
RT
[ V
(1
1
S
)]exp
( H )
Nh RT r1 r2
R RT
u T ; u 1
3.判断晶粒长大几何学的三个原则：
⑴晶界上有晶界能的作用，因此晶粒形成一个在几 何学上与肥皂泡沫相似的三维阵列
2.推动力：大晶粒界面与邻近高表面能和小曲率半 径的晶面相比有较低的表面能
3.晶粒生长与二次再结晶的异同点：
相同点：二者的推动力均为界面两侧质点的自由 能之差，都是通过界面的迁移
不同点：
晶粒生长
二次再结晶
晶粒平均尺寸增长 不存在晶核，晶界处于平衡状态 界面上无应力
存在 气孔在晶界上或晶界交汇处
⑵从一个三界汇合点延伸至另一个三界汇合点的晶 界都有一定曲率，表面张力使晶界移向其曲率中心
⑶在晶界上的第二相夹杂物(杂质或气泡)，如果它们 在烧结温度下不与主晶相形成液相，则将阻碍晶界 移动
由许多颗粒组成的多晶体 界面移动情况如右图所示
❖ 晶粒长大定律：
dD dt
K D
D2
D0 2
Kt
❖D—时间t时的晶0时的晶粒平均尺寸
晶粒生长后期 1
D D0 D Kt 2
1
❖logD—t作图为一直线，其斜率为 2
4.影响晶粒生长的因素：
图示1 图示2
⑴第二相夹杂物(杂质、气孔)影响—阻碍作用
当气孔汇集在晶界上时，晶界移动可能出现的 三种情况:
❖晶界移动被气孔或杂质所阻挡，使正常的晶粒 长大终止
一. 初次再结晶
1.定义：在已发生塑性形变的基质中出现新生 的无应变晶粒的成核和长大过程
2.推动力：基质塑性变形所增加的能量
二. 晶粒生长(晶粒长大)
1.定义：无应变的材料在热处理时，平衡晶粒 尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的 过程
2.推动力：晶界两边物质的自由能之差△G是使 晶界向曲率中心移动的驱动力
❖晶界带动气孔或杂质以正常速度移动，使气孔 保持在晶界上，并可利用晶界的快速通道排除，
坯体继续致密化
❖晶界越过气孔或杂质，产生二次再结晶，把气 孔包入晶体内部
⑵有少量液相出现在晶界上—少量液相抑制晶粒 长大
5.极限晶粒直径：
DL—晶粒正常生长时的极限尺寸
DL d f
d—夹杂物或气孔的平均直径 f—夹杂物或气孔的体积分数