4-晶粒长大
同质多晶现象名词解析
同质多晶现象名词解析同质多晶现象名词解析同质多晶现象是材料科学研究领域中的一个重要前沿课题，它是指在同种材料的微观结构上存在多种晶体形态的现象。
同质多晶现象的发现，不仅为研究材料的物理、化学特性提供了新的思路和方法，也在工业生产中起到了重要的作用，具有广泛的应用价值。
下面对同质多晶现象相关的一些基本概念进行解析。
1. 晶体结构晶体是由具有特定空间排列顺序的原子、离子或分子排列构成的，在晶体结构中具有很高的局部有序性和长程周期性。
晶体结构又可以分为单晶和多晶两种。
单晶指的是在同一实体内，具有统一性和完整性的晶体，其晶体结构的长程周期性和局部有序性非常高；而多晶指的是由多个晶体微观结构重叠在一起，微观上呈现出多种晶体形态，晶体结构的局部有序性相比于单晶较弱。
2. 同质多晶现象同质多晶现象是指在同种材料的微观结构上存在多种晶体形态，其中的各个晶粒，在由多个晶粒组成的整体显微结构中为同质的晶体。
常见的同质多晶材料有金属、陶瓷、半导体等。
在同质多晶现象中，微观结构的多样性和分布规律对材料的宏观性能具有重要影响，如材料的强度、硬度、塑性、电学性质等。
3. 晶粒晶粒又称为结晶颗粒，是固态材料中最小的具有完整晶体结构的单元，它是由一定数量的原子或基本单元构成的，在结构上具有局部有序性和长程周期性。
晶粒是组成多晶材料的基本单元，其大小、形状、分布规律等特征都是材料宏观性能的重要因素。
4. 晶界晶界是在不同晶粒之间形成的界面，其宽度范围从亚纳米到微米不等。
晶界是材料中局部结构的不连续性区域，具有较弱的局部有序性。
晶界是晶体中一个非常重要的概念，它对材料的物理和力学性质具有很大的影响，如晶界势能、强化效应、位错和缺陷等。
5. 晶粒生长和晶粒长大晶粒生长是指晶体从母体中形成晶核开始，逐渐增长、演变并发展出完整的晶体结构的过程。
晶粒长大是指晶粒在材料变形、固化等过程中，通过吞并相邻晶粒，非晶区的再结晶等过程，在材料中长期演化，最终形成多晶结构。
材料物理化学 第十章 烧结 习题
4、 如将习题 10.4 中粉料粒度改为 16μm， 烧结至 x/r＝0.2， 各个传质需多少时间？ 若烧结 8h，各个过程的 x/r 又是多少？从两题计算结果，讨论粒度与烧结时间对 四种传质过程的影响程度。 解：蒸发－凝聚：颗粒粒度愈小烧结速率愈大。初期 x/r 增大很快，但时 间延长，很快停止；体积扩散：烧结时间延长，推动力减小。在扩散传质烧结过 程中，控制起始粒度很重要；粘性流动：粒度小为达到致密烧结所需时间短，烧 结时间延长，流变性增强；溶解－沉淀：粒度小，传质推动力大。烧结时间延长， 晶粒致密程度增加。
10、为了减小烧结收缩，可把直径为 1μm 的细颗粒（约 30％）和直径为 50μm 的粗颗粒进行充分混合，试问此压块的收缩速率如何？如将 1μm 和 50μm 以及 两种粒径混合料制成的烧结体 log（△L/L）的 logt 曲线分别绘在适当位置，将得 出什么结果？
解：烧结收缩有：
（1）
（2）
比较式（1）和式（2）是可见，在初期的重排阶段，相对收缩近似地和时间的
3、设有粉末压块，其粉料粒度为 5μm，若烧结时间为 2h 后，x/r＝0.1。若烧结 至 x/r ＝0.2，如果不考虑晶粒生长，试比较过蒸发－凝聚、体积扩散、粘性流 动、溶解－沉淀传质各需要多少时间？若烧结时间为 8h，各个过程的颈部 x/r 又 各是多少？ 解：根据查得各传质方式公式可得： 时间分别为 16h，64h，8h，128h，若 只烧结 8h，则 x/r 分别为 0.1× 41/3，0.1× 4 1/5，0.2，0.1× 41/6。
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第十章 固态烧结 1、名词解释： （1）熔融温度，烧结温度，泰曼温度； 熔融温度：全部组元都转变为液相的温度。 烧结温度：坯体在高温作用下，发生一系列物理化学反应，最后显气孔率接 近于零，达到致密程度最大值时，工艺上称此种状态为"烧结"，达到烧结时相应 的温度，称为"烧结温度"。 泰曼温度：固体晶格开始明显流动的温度，一般在固体熔点（绝对温度）的 2/3 处的温度。在煅烧时，固体粒子在塔曼温度之前主要是离子或分子沿晶体表 面迁移，在晶格内部空间扩散（容积扩散）和再结晶。而在泰曼温度以上，主要 为烧结，结晶黏结长大。 （3）液相烧结，固相烧结； 固态烧结：没有液相参与，完全是由固体颗粒之间的高温固结过程； 液态烧结：有液相参与的烧结 （4）晶粒生长，二次再结晶； 晶粒长大： 是指多晶体材料在高温保温过程中系统平均晶粒尺寸逐步上升的 现象. 二次再结晶： 再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现 象。 （5）晶粒极限尺寸，晶粒平均尺寸； 晶粒极限尺寸：晶粒正常生长，由于夹杂物对晶界移动的牵制使晶粒大小不 超过某极限尺寸，这样的生长极限尺寸为晶粒极限尺寸。 晶粒平均尺寸：烧结中、后期，细晶粒逐渐长大：一些晶粒生长伴随另一些 晶粒缩小、消失，平均晶粒尺寸增长，晶粒会有一个平均尺寸。 （6）烧结，烧成。 烧结：固态中分子（原子）间存在相互吸引、通过加热使质点获得足够的能 量进行迁移，使粉末产生颗粒黏结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程 烧成：包括多种物理和化学变化，如脱水、胚体内气体分解、多相反应和熔 融、溶解、烧结等。在一定的温度范围内烧制成致密体的过程。
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：
本质晶粒度
有关国家标准规定，把钢加热到930℃±10℃，保温8h后的奥氏体晶粒度即为本质晶粒度。
本质晶粒度为1～4级的钢被认为晶粒长大倾向大，称为本质粗晶粒钢；本质晶粒度为5～8级的钢被认为晶粒长大倾向小，称为本质细晶粒钢。
奥氏体化温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长大越明显。
随着奥氏体中含碳量的增加，奥氏体晶粒长大倾向增大。
本质晶粒度只表示钢在一定温度范围内晶粒长大的倾向性。
当加热温度超过一定范围时，本质细晶粒钢的奥氏体晶粒也可能迅速长大，甚至超过本质粗晶粒钢。
一般用铝脱氧的钢多为本质细晶粒钢，而只用锰硅脱氧的钢为本质粗晶粒钢。
沸腾钢一般为本质粗晶粒钢，而镇静钢一般为本质细晶粒钢。
需经热处理的零件一般都采用本质细晶粒钢制造。
钢的晶粒度有以下几种：
（1）本质晶粒度指钢加热到930±10℃奥氏体化并保温充分长的时间后所获得的奥氏体晶粒度。
本质晶粒度表示钢的奥氏体晶粒在规定温度下的长大倾向，是制定钢的热处理规范的重要参考数据。
（2）实际晶粒度指钢件在最后一次热处理（退火、正火、淬火）过程中，加热奥氏体化并保温后所实际得到的晶粒度；如为热轧（锻）材时，则指热轧终了时，其中奥氏体的晶粒度。
实际晶粒度对钢的性能有密切的影响。
（3）起始晶粒度是钢加热奥氏体化过程中，最初形成奥氏体晶粒的晶粒度。
金属结晶的过程
金属结晶的过程金属结晶的过程是指金属从液态转变为固态的过程，主要包括以下几个步骤：1. 熔化：金属首先被加热至其熔点以上，从固态转变为液态状态。
在液态状态下，金属的原子或离子不再排列成有序的晶格结构，而是以无序的方式移动和分布。
2. 过冷：在液态金属中，存在着过冷现象，即金属在熔点以下的温度仍保持液态状态。
这是由于金属液体的结构稳定性较高，需要在一定的条件下才能转变为固态。
3. 成核：一旦金属液体过冷，其中的一些原子或离子会以有序的方式开始重新排列，并在液体中形成微小的固体核，这个过程被称为成核。
成核通常发生在液体中的一些不均匀区域或者在液体表面。
4. 长大：成核后的微小固体核会通过原子或离子的迁移和积聚来继续生长，形成更大的晶粒。
这个过程被称为晶粒长大。
晶粒的生长速度与温度、压力和扩散速率等因素相关。
5. 完全凝固：当晶粒不断长大并且互相连接时，整个金属体开始逐渐凝固并过渡为固态金属。
在凝固完成后，金属的晶格结构变得有序，并且晶粒相互连续形成一个连续的金属晶体结构。
需要注意的是，金属结晶的过程受到多种因素的影响，包括温度、压力、成核的条件和速率、扩散速率等。
不同的金属在结晶过程中可能会呈现出不同的特征和晶粒形状。
当金属进入液态状态后，其原子会具有较高的热能，能够自由移动，而且相互之间的相互作用较弱。
在这种状态下，金属的原子会以随机的方式排列和移动。
随着金属液体的过冷，即温度低于其熔点时，会发生成核现象。
成核是指在固态金属中形成起始晶核的过程。
成核可以通过两种方式发生：1. 自发成核：在金属液体中存在一些局部的原子或离子团聚形成团簇，这些团簇会进一步成长并形成微小的晶核。
自发成核的速率在一定温度下是稳定的，与金属的化学性质和温度有关。
2. 异质成核：当金属液体接触到具有相同或相似晶格结构的固体表面时，固体表面可以作为异相核心，促使金属液体中的原子团聚并形成晶核。
异质成核可以显著增加金属结晶的速率。
材料科学基础I 4-4 单相固溶体晶体的长大
以上讨论的四种情况下凝固试样 的溶质浓度分布如图所示。
a为平衡凝固：均匀分布 b为液相中溶质完全混合 c为液相中只有扩散 d为液相中有扩散和部分混合 从图可以看出，随液相混合程度加大，界面前沿溶质富集层 厚度减小，固相成分分布曲线下降。
§4-4 单相固溶体晶体的长大
前述纯金属的凝固过程中没有成分的变化，晶体长大只与液体 中的温度梯度有关。单相固溶体晶体的凝固过程中，则有成分的 变化（溶质重新分布）：液相成分沿液相线变化，固相成分沿固 相线变化，都与母相液体的平均成分不同。由于冷却条件的不同， 液、固两相中溶质重新分布的特点不同，从而引起界面前沿液体 过冷度的变化，进而导致晶体生长形态的变化。下面分四种情况 分别讨论。
微体积凝固后，溶质在液固两相中重新分配。
由于凝固前后溶质的质量平衡 所以
d M d M 1 2 C A d Z C d Z d C ( L Z d Z ) L sA L
( C C A d Z d C A ( L Z d Z ) L s) L ( 1 K ) C d Z ( L Z ) d C d Z d C 0 L L L
ZA fs L A
代入微分方程的解，得：
K 1 0
C C ( 1 f L 0 s)
Cf
K 1 0 0 L
C K C ( 1 f s 0 0 s)
K 1 0
这就是著名的夏尔(Scheil)公式，由于fL和fs分别为给定温度下 液固两相的体积分数，即相对量，所以也称为非平衡杠杆定律。
枝晶状生长 III区：具有较大的成分过冷。液相 有很宽的范围处于过冷状态，类似负温 度梯度条件，晶体以树枝状方式长大。
晶粒异常长大的原因
晶粒异常长大的原因晶粒是指金属材料中的晶体，它们是有序排列的原子或离子的集合体。
晶粒的尺寸是指晶体在材料中的尺寸大小。
晶粒异常长大是指晶粒在晶体生长过程中，尺寸超过正常范围的现象。
晶粒异常长大的原因有很多，下面将从晶体的结构、材料的性质和外界环境等方面进行分析。
首先，晶体的结构对晶粒的长大有重要影响。
晶体的结构包括晶格和晶界两部分。
晶粒是晶格在三维空间中的一个连续区域，因此晶格的尺寸和形态决定了晶粒的尺寸和形态。
如果晶格具有很好的结晶度和有序性，晶体生长会比较均匀，晶粒的长大也相对平衡。
但是，如果晶格出现缺陷或杂质，晶格中的原子或离子会呈现聚集或迁移的趋势，导致局部晶粒长大或晶界迁移，从而形成晶粒异常长大的现象。
其次，材料的性质是影响晶粒长大的重要因素之一、材料的化学成分、热处理工艺和机械应力等都会对晶粒的长大起到一定的影响。
例如，在金属材料中，添加了一些元素或化合物，如晶粒细化剂、脱溢剂等，可以阻止晶粒的长大，使其保持细小。
相反，一些元素或化合物的加入，如晶粒长大剂、晶粒成长引发剂等，会促使晶粒的长大。
此外，材料的热处理也会影响晶粒的长大。
例如，在退火过程中，晶粒会由于晶界的迁移和扩散而长大。
而在拉伸或压缩等机械应力下，晶粒也容易发生滑移和转动，从而造成晶粒异常长大。
再次，外界环境因素也会对晶粒的长大产生影响。
温度是最重要的外界环境因素之一、晶粒长大随着温度的升高而加快，因为高温会增加原子或离子的迁移速率。
此外，外界环境中还可能存在压力、气氛、湿度等因素，它们也会对晶粒长大产生一定的影响。
例如，在高压下，晶粒的长大速率会加快，而在湿度较高的环境中，晶粒可能会发生腐蚀或溶解，从而导致晶粒的长大。
综上所述，晶粒异常长大是晶粒在晶体生长过程中尺寸超过正常范围的现象。
晶粒异常长大的原因主要包括晶体的结构、材料的性质和外界环境等方面。
了解晶粒异常长大的原因可以帮助我们更好地控制材料的微观结构和性能。
晶体的长大
(1) 3§3.4.1 晶体长大的条件第四节晶体的长大•晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液-固界面向液体中推移的过程。
•平衡状态：(dN/dT)M=(dN/dT)F•动态过冷：晶核长大所需的界面过冷度。
（远小于形核所需过冷度）•晶核长大条件：动态过冷、合适的晶核表面结构T i温度对熔化和凝固速度的影响第四节晶体的长大•光滑界面：液-固界面上的原子排列较规则，界面处两相截然分开。
微有若干小平面。
•粗糙界面：液-固界面上的原子排列较混乱，原子分布高低不平整，在几个原子厚度的界面上，液、固两相原子各占位置的一半。
宏观上界面平直。
稳定长大过程，界面能量始终保持最低。
两种能量低的界面结构：光滑界面，粗糙界面第四节晶体的长大理论证明：界面粗糙化时，界面自由能的相对变化：△Gs/(NkT m)=αx(1-x)+xlnx+(1-x)ln(1-x)α=ξL m/(kT m)ξ为晶体学因子，晶面原子密度小，ξ小。
α ≤2时，x=0.5处，界面能最小，粗糙界面α ≥5时，x靠近0或1处界面能最小，光滑界面第四节晶体的长大3.4.3.1 垂直长大方式粗糙界面结构，垂直于界面方向长大。
特点：长大速度相当快，过冷度小。
这种机制适用于多数金属。
晶体长大机制：液态原子向固相表面的添加方式。
与固-液界面结构有关晶体长大方式：垂直长大，横向长大第四节晶体的长大晶体长大方式：垂直长大，横向长大3.4.3.2 横向长大方式(台阶生长机制)光滑界面结构，依靠小台阶接纳液态原子。
长大速度较慢，所需过冷度较垂直长大高第四节晶体的长大晶体长大方式：垂直长大，横向长大3.4.3.2 横向长大方式(台阶生长机制)•二维晶核台阶生长机制：均匀形核-二维晶核-横向长大特点：长大不连续，速度慢•晶体缺陷台阶生长机制：依靠螺型位错或孪晶面生长特点：长大连续，速度较慢第四节晶体的长大一个晶粒各个界面长大速度不一致，以平均值表示晶体长大速率。
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§ 4晶粒长大
晶粒长大的驱动力是晶界能的下降，即长大前后的界面能差值。
一、晶粒的正常长大1.定义：指晶体中有许多晶粒获得长大条件，晶粒的长大是连续地，均匀地进行，晶粒长大过程
中晶粒的尺寸是比较均匀的，晶粒平均尺寸的增大也是连续的。
2.晶粒长大的方式
(1)弯曲的晶界总是趋向于平直化，即向曲率中心移动以减少界面积，同时，大角度晶界的迁移率
总是大于小角度晶界的迁移率。
当晶界为三维空间的任意曲面时，作用在单位界面上的力
P:晶界迁移的驱动力疗：晶界单位面积的界面能
R1、R2:曲面的两个主曲率半径
如果空间曲面为球面时，R1=R2，即:晶界迁移的驱动力与其曲率半径
P为:
R成反比，与界面能成正比。
(2)晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动, 力图使三个夹角都等于120度。
® A闘爲鼻商世率中心若向于平J化
在三维坐标中，晶粒长大最后稳定的形状是正十四面体。
3 .影响晶粒长大(即晶界迁移率)的因素
(1)温度 温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大
RT}
G:晶界迁移速度
G0:常数
QG 晶界迁移的激活能
(2) 第二相晶粒长大的极限半径
K :常数 r :第二相质点半径 f ：第二相的体积分数
当界面张力平衡时: 因为大角度晶界 在二维坐标中，晶界边数少于
数大于6的晶粒，晶界 向内凹进，逐渐长大，当晶粒的边数为
TA=TB=TC 而 A+B+C=360度 /• A=B=C=120度
6的晶粒，其晶界向外凸出，必然逐渐缩小，甚至消失，而边
6时，处于稳定状态。
1
■兀■兀
Sin B sm C7，
• •第二相质点的数量越多，颗粒越小，则阻碍晶粒长大的能力越强。
设第二相颗粒为球形，对晶界的阻力为 F ,与驱动力平衡
F = Z TT cos(^-<7-cospO°-/J)
6C0妙—妙 (1) a 角只取决于第二相颗粒与晶粒间的表面张力，可看作恒定值，现将（ 竺0
令却 ，可得： 盂+ （2）
F 住=叫TP （1 + COE 氐） （3） 设单位体积中有NV 个质点，其体积分数为f
4
=一曲
3 (5)
的正方体，所有中心位于这个 1 X 1 X 2r 体积内半径为r 的第二相颗
分晶界交截，单位面积晶界将与
1 X 1X 2r X NV 个晶粒交截。
将（4 ）、（ 5）式代入（3 ）式
1）式对©求极大值,
假设在单位面积的晶界面上有 NS 个第二相颗粒,
其半径都为 r ，则总阻力
(4)
取单位晶界面积两侧厚度皆为
r 粒，都将与这部
疋=1 + ---
a 可看作常数，令 cos a
（3）可溶解的杂质或合金元素阻碍晶界迁移，特别是晶界偏聚现象显著的元素，其阻碍作用更大。
但当温度很高 时，晶界偏聚可能消失，其阻碍作用减弱甚至消失。
二、晶粒的异常长大（二次再结晶） 1.定义：将再结晶完成后的金属继续加热至某一温度以上，或更长时间的保温，会有少数几个晶粒优 先长大，成 为特别粗大的晶粒，而其周围较细的晶粒则逐渐被吞食掉，整个金属由少数比再结晶后晶粒要大几十
倍甚至几百 倍的特大晶粒组成。
十 COSCf)
(6)
2（?
这个总阻力与晶界驱动力飞 平衡
2C 7
T 攀(1+g 叭 2r
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整理尹灵
(7)
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ffl4届！异常品粒凌大
2.驱动力：同正常晶粒长大一样，是长大前后的界面能差
3. 产生条件：正常晶粒长大过程被弥散的第二相质点或杂质、织构等所强烈
4. 对性能的影响：得到粗大组织，降低材料的室温机械性能，大多数情况下应当避免。
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