影响晶粒正常长大的因素
掺杂后晶粒长大的原因
掺杂后晶粒长大的原因主要有以下方面：
1.杂质的分布和浓度：杂质在基体中的分布和浓度对晶粒长大有
重要影响。
杂质原子可能阻碍晶界迁移，从而抑制晶粒长大。
然而，当杂质浓度过高时，杂质原子之间的相互作用可能减弱
对晶界迁移的阻碍作用，导致晶粒长大加速。
2.杂质与基体的相互作用：杂质原子与基体原子之间的相互作用
也会影响晶粒长大。
如果杂质原子与基体原子之间的结合力较
弱，杂质原子容易在晶界处聚集，从而阻碍晶界迁移。
相反，
如果杂质原子与基体原子之间的结合力较强，杂质原子可能更
均匀地分布在基体中，对晶界迁移的影响较小。
3.温度：温度是影响晶粒长大的重要因素之一。
随着温度的升高，
原子热运动加剧，晶界迁移速度加快，导致晶粒长大。
掺杂后，
杂质原子可能对晶界迁移的激活能产生影响，从而改变晶粒长
大的温度依赖性。
4.应力和应变：在材料制备和加工过程中产生的应力和应变也可
能影响晶粒长大。
应力和应变可能导致晶界迁移速度的变化，
从而影响晶粒大小。
掺杂杂质原子可能改变材料的应力-应变行
为，进而影响晶粒长大。
总之，掺杂后晶粒长大的原因涉及多个方面，包括杂质的分布和浓度、杂质与基体的相互作用、温度以及应力和应变等。
这些因素相互作用，共同影响晶粒长大的过程。
影响晶粒正常长大的因素
• • • • • • • •
图7-38为铝在400º C挤 压形成的动态回复亚晶。 在动态回复过程中，变 形晶粒不再发生再结晶， 因此仍为纤维状，热变 形后快冷，可保留伸长 晶粒和等轴亚晶组织。 若高温长时间停留，则可发生静态再结晶。
• 动态回复组织比再结晶组织的强度高。因 此建筑用铝镁合金型材都采用热成型工艺 而不用冷压成型后再回火工艺。 • 在层错能较高的金属如铝合金、纯铁、铁 素体钢等进行热加工时，由于位错交滑移 和攀移等原因，容易发生动态回复。
• 7.4.3 再结晶退火极其组织控制 • 7.4.3.1 再结晶退火：再结晶可消除冷变形 金属的加工硬化效果及内应力，因此被用 作冷变形加工的中间工序，软化冷变形金 属或细化晶粒，改善显微组织。 • 7.4.3.2 再结晶组织：再结晶退火过程中， 回复、再结晶及晶粒长大往往是交错、重 叠进行，综合作用的结果有时会产生退火 孪晶和再结晶织构。
• 7.5 金属的热变形 • 金属在再结晶温度以上的加工变形称为热变形。 其实质是变形中加工硬化与动态软化同时进行， 两者作用相抵消，不显示硬化效果。 • 动态软化包括动态回复和动态再结晶两种方式。 热变形停止后，高温下还会发生静态回复和静态 再结晶。 • 热变形没有强化作用，塑性变形量很大，还可以 改善铸锭组织，消除气孔、偏析、粗大晶粒等等。 但也会因高温氧化导致表面粗糙，因热涨冷缩而 不易控制加工精度。
奥氏体晶粒长大及其控制
*
起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体 的晶粒大小。 实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体 晶粒的大小。 本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃ 以下,随温度升高,晶粒长 大的程度。
加热速度愈大，过热度就愈大，即奥氏体实际形成温度就愈高，奥氏体的形核率与长大速度之比值I/G增大（表9.1），所以快速加热时可以获得细小的奥氏体起始晶粒。而且，加热速度愈快，奥氏体起始晶粒就愈细小。
*
表9.1 奥氏体的形核率I、长大速度G 与温度的关系
转变温度 （℃）
形核率I （1/mm3·s）
*
（2）晶界推移阻力
图9.12 晶界移动时与第二相粒子的交互作用示意图
1
2
*
在第二相粒子附近的晶界发生弯曲，导致晶界面积增大，界面能升高。弥散析出的第二相粒子愈细小，粒子附近晶界的弯曲曲率就愈大，晶界面积的增大就愈多，因此界面能的增大也就愈多。这个使系统自由能增加的过程是不可能自发进行的。所以，沉淀析出的第二相粒子的存在是晶界推移的阻力。
9.1.4 奥氏体晶粒长大 及其控制
1．奥氏体晶粒度 2．奥氏体晶粒长大原理 3．影响奥氏体晶粒长大的因素
奥氏体化的目的是获得成分均匀和一定晶粒大小的奥氏体组织。多数情况下希望获得细小的奥氏体晶粒，有时也需要得到较大的奥氏体晶粒。因此，为获得所期望的奥氏体晶粒尺度，必须了解奥氏体晶粒的长大规律，掌握控制奥氏体晶粒度的方法。
*
（4）合金元素的影响
钢中加入适量形成难溶化合物的合金元素如Nb、Ti、Zr、V、Al、Ta等，将强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著升高。上述合金元素在钢中形成熔点高、稳定性强、不易聚集长大的NbC、NbN、Nb(C,N)、TiC等化合物，它们弥散分布于奥氏体基体中，阻碍晶粒长大，从而保持细小的奥氏体晶粒。
影响晶粒正常长大的因素课件
材料组织设计的新思路和新方法的发展
材料组织设计新思路
研究晶粒长大现象，可以发现新的组织设计思路和方法，以获得更加优异的材 料性能。例如，通过控制晶粒形状、大小和分布，可以设计出具有更高强度和 韧性的合金材料。
新方法的发展
研究晶粒长大机制和规律，可以推动和发展新的材料制备方法和工艺技术，以 获得更加精细、高性能的材料组织结构。例如，通过采用先进的合金设计和制 备技术，可以制造出具有纳米级晶粒结构的合金材料。
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晶界能
晶界两侧的晶体结构不同，导致界面两侧的 原子间距不同，从而产生界面能。
曲率效应
曲率半径越小，界面能越高，晶粒长大越容 易。
晶体结构的变化
晶胞体积增大
随着晶粒长大，晶胞的体积逐渐增大，导致晶体内部原子间的距 离增加。
原子排列有序性增加
在晶粒长大过程中，原子逐渐按照一定的规律排列，形成更加有序 的晶体结构。
晶粒长大过程中的组织演变
晶粒定义
晶粒是指晶体材料内部结构单元 的集合，是晶体材料的基本结构
单元。
晶粒长大过程
在结晶过程中，晶核形成后，原 子逐渐向周围扩散，使晶核逐渐
长大，直到形成完整的晶体。
组织演变
随着晶粒的长大，材料内部的晶 界、相界等组织结构也在不断演 变，晶粒形状和分布也在发生变
化，进而影响材料的性能。
温度与压力的控制
总结词
温度和压力是晶粒长大过程的重要控制因素。
详细描述
温度和压力可以影响晶粒的形核和长大速率。 在高温和高压条件下，晶粒容易长大，而在 低温低压条件下，晶粒难以长大。因此，在 生产过程中，可以通过控制温度和压力来控
制晶粒的尺寸。
溶质浓度的控制
晶粒大小和温度的关系
晶粒大小和温度的关系晶粒是固体材料中由原子或分子组成的最小结构单元，晶粒大小是指晶体中晶粒的尺寸大小。
晶粒大小与材料的性能密切相关，特别是对于金属材料而言，晶粒大小的变化会导致材料的力学性能、热学性能和电学性能等方面的变化。
而晶粒大小与温度之间也存在着一定的关系。
晶粒的形成是由于材料在固态相变过程中的结构重排和晶格重组而形成的。
晶粒的大小与材料的凝固过程密切相关。
在金属材料的凝固过程中，液态金属在固态相变时形成晶核，晶核会逐渐长大并与周围的晶核相互结合，最终形成晶粒。
晶粒的大小取决于晶核的数量和晶核的生长速率。
通常情况下，晶核的数量越多，晶粒的大小越小；晶核的生长速率越快，晶粒的大小越大。
温度是影响晶粒大小的重要因素之一。
在金属材料的凝固过程中，温度的变化会直接影响晶核的形成和晶粒的生长。
一般来说，凝固温度越低，晶核的数量越多，晶粒的大小越小。
这是因为低温下金属固态相变的速度较慢，晶核会有更多的时间和机会形成，并且生长速率相对较慢，从而形成较小的晶粒。
相反，高温下金属固态相变较快，晶核的数量较少，晶粒的生长速率较快，从而形成较大的晶粒。
然而，温度对晶粒大小的影响并不是线性的。
在某些特定的温度范围内，晶粒的大小可能会发生突变。
这是由于在这个温度范围内，晶粒的生长速率达到了最大值，导致晶粒的大小突然增大。
这个温度范围被称为晶粒长大区。
晶粒长大区的位置和宽度取决于材料的性质和凝固条件等因素。
除了凝固过程中的温度对晶粒大小的影响外，热处理过程中的温度也会对晶粒大小产生影响。
在金属材料的热处理过程中，通过控制加热温度和冷却速率等参数，可以改变晶粒的大小。
一般来说，高温加热能够促进晶粒的长大，而快速冷却则能够抑制晶粒的长大，从而得到较小的晶粒。
晶粒大小对材料的性能有重要影响。
较小的晶粒可以提高材料的强度和硬度，同时还能够增加材料的韧性和塑性。
这是因为较小的晶粒具有更多的晶界和位错，晶界和位错能够有效地阻碍位错的移动和晶粒的滑移，从而增加材料的强度和硬度。
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。
4-晶粒长大
§ 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f4=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。
第四节再结晶后的晶粒长大
4r
3
随φ增大、r减小，Dmin减小。
Fe-3%Si合金中的MnS 粒子限制了晶粒长大
Fe-3%Si合金在800 ℃时的晶粒长大
利用分散相粒子阻碍高温下晶粒长大的实例
钢中加入少量的Al、Ti、V、Nb等元素，可形 成适当体积分数（数量）和尺寸的AlN、TiN、 VC、NbC等分散相微粒，能有效阻碍高温下钢 的晶粒长大，使钢在焊接或热处理后仍具有较 细小的晶粒，保证良好的力学性能。
纯金属及单相合金中， 大角度晶界的晶界能为常数， 即：
T1=T2=T3，则θ1=θ2=θ3 =120 °
二维晶粒为六边 形，晶界角均为 120°时，晶界为直 线，处于稳定形状。 在继续加热时，每个 晶粒都不易长大或缩 小。
在平衡条件(退 火状态)下，单相合金 金相试样中观察到三 叉晶界，确实接近 120°角。
三个(或三个以上)晶界交会处的界面角的变 化是：趋向于使作用在各晶界的表面张力在交 会点达到互相平衡的状态。
3、晶粒的稳定形状：
二维晶粒的稳定形状：
三晶界交会处各晶界角均等于120°，晶界为直线状。 三个晶粒1、2、3共同相遇于一点，达到平衡状态时， 其界面张力(晶界能) T1、T2、T3与界面角θ1、θ2、θ3 之间 应满足：
分散相粒子对晶界移动的约束力与晶界能所 提供驱动力相等时，正常晶粒长大停止。
此时的晶粒平均直径 为极限平均晶粒直径。
若分散相粒子为球状，半径为r，体积分数
为φ，比晶界能为γb，则晶界与粒子交截时，单 位面积晶界上各粒子对晶界移动所施加的总约束
力为：
F mix
3 2
b
r
极限平均晶粒尺寸：
Dm i n
二维晶粒的稳定形状
如果二维晶粒不是六 边形，为了使晶粒各顶 角形成120°的夹角：
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• 二次再结晶不仅会降低材料强度和塑、韧 性，还会增大再次冷加工工件的表面粗糙 度。因此，一般情况下应避免发生二次再 结晶。但作为电感材料的硅钢片，却需要 利用二次再结晶获得粗大晶粒，加强其导 磁性能。
• Fmax=3φσ/2r
(7-16)
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1
• Fe-Si(wSi=0.03)合金在800ºC加热时，由于 合金中分布有细小的MnS颗粒(体积分数为 0.01，直径
• 约0.1μm), • 晶粒长大 • 时，晶界 • 受其钉扎， • 长大到一定 • 尺寸就停止 • 了。
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2
• 从式7-16可以看出：分散相粒
• 7.4.1.4 影响晶粒正常长大的因素：
• (1) 温度：退火温度是影响晶粒长大的最主要因素。 原子扩散系数D=D0exp(-Q/kT),显然Ｔ越高，Ｄ 越大，晶界越容易迁移，晶粒越容易粗化．
• (2) 分散相粒子：分散相粒子会阻碍晶界迁移，降 低晶粒长大速率。若分散相粒子为球状，半径为r, 体积分数为φ，晶界表面张力为σ，则晶界与粒 子交截时，单位面积晶界上各粒子对晶界移动所 施加的总约束力为：
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4
• (3) 微量熔质或杂质：固熔体中的微量熔质 或杂质往往偏聚在位错或晶界处，形成柯 氏气团，能钉扎或拖曳位错运动。图7-27 显示了微量Sn在300ºC时对纯Pb晶界移动 的作用。
• 需要注意的是：微量Sn对纯Pb的某些特殊 取向晶界运动影响较小。原因是在这些特 殊取向的晶界上，原子排列规整，不利于 杂质原子偏聚，因此晶界活动性不受影响。
(d为粒子直径)
• 故MnS粒子的体积分数为：
• φMnS=4πr3NV/3=πd2NA/6=1.676×10-2 • Rm=4r/3φ=1.592×10-2mm
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11
• 7.4.2ห้องสมุดไป่ตู้晶粒的反常长大：再结晶完成后，晶粒应该 均匀、连续地长大，这种过程称为一次再结晶。 在某些特定情况下，再结晶完成后，少数晶粒突 发性地迅速粗化，使晶粒之间的尺寸差别显著增 大，这种不正常的晶粒长大称为反常长大。也称 为二次再结晶。
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• 曲线3是在二次再结晶时保持细小的晶粒的 长大特性，可以看出它仍为正常长大，只 是由于MnS颗粒的拖曳作用，起始长大的 温度更高而已。
• (2) 一次再结晶后如果形成织构，则多数晶 界为小角晶界，迁移率小，比较稳定，只 有少数大角晶界有较高迁移率，相应的晶 粒能迅速长大。
• (3)若金属为薄板，则加热时会出现热蚀沟， 若大部分晶界被热蚀沟钉扎，仅有少数晶 界可迁移，便容易发生二次再结晶。
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• 二次再结晶中少数晶粒可以迅速长大的主 要原因是组织中存在使大多数晶粒边界比 较稳定或被钉扎，而少数晶粒边界容易迁 移的因素：
• (1) 细小而弥散的第二相粒子的钉扎作用限 制了大多数晶粒的长大，少数未受钉扎或 钉扎作用小的晶粒便得以异常长大。
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• 图7-32是Fe-Si(wSi=0.03) • 合金的晶粒长大曲线。
• 子数量越多，越细小，对晶界
• 的阻碍越大。如果晶界移动的
• 驱动力完全来自晶界能(即界面
• 两侧的压应力差△p=2σ/r晶), • 则当晶界能提供的驱动力等于
• 分散相粒子的总约束力时，正
• 常晶粒长大停止。此时的晶粒
• 平均尺寸称为极限平均晶粒尺
• 寸Rm。
Fe-Si合金中MnS粒子限 制晶粒长大的显微照片
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5
300ºC 时微量 Sn对高 纯Pb晶 界移动 速度的 影响
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6
• (4) 晶粒间位向差：一般情况下，晶界能越 高则晶界越不稳定，原子迁移率也越大。 晶粒间位向差越大，晶界能也越大，因此 迁移率越大。
• 另外，有些金属的晶粒间位向差对迁移率 的影响还与温度有关，比如铅，当温度低 于200ºC时，大角度晶界范围内只有某些特 殊位向的晶界移动速度较大；在300ºC时随 晶粒间的位向差增大而增大，到达一定角 度后趋于稳定。这是较高温度时，杂质在 晶界偏聚的现象不明显所致。
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3
• 由Fmax=3φσ/2r = 2σ/Rm, 可得： • Rm=4r/3φ
(7-17)
• 此式表明：晶粒的极限平均尺寸决定于分散相粒 子的尺寸及其所占的体积分数。当分散相粒子的 体积分数一定时，粒子尺寸越小，极限平均晶粒 尺寸也越小。
• 在钢中加入少量的Al, Ti, V, Nb等元素，可形成适 当数量的AlN, TiN, VC, NbC等分散相粒子，有效 阻碍高温下钢的晶粒长大，保证钢在焊接和热处 理后仍有良好的机械性能。
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10
• *M例n题S粒7.子4.1的: 直在径Fe为-S4i×钢1(0w-4Smi=0m.0, 31)中mm测2得内的 粒子数为2×105个，试计算MnS对这种钢 正常热处理时奥氏体晶粒长大的影响(晶粒 大小)。
• 解：单粒子厚层的单位体积中MnS粒子个 数为：
• NV=NA/d
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7
• 图7-28： 200ºC和300ºC时，区域提纯的铅 的双晶体中的倾斜晶界的移动速度与晶体 间的位向差的关系。
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8
• (5) 表面热蚀沟：金属长时间加热时，晶界 与表面相交处因张力平衡而形成热蚀沟。 热蚀沟是该处界面最小，界面能最低的体 现，如果晶界移动就会增加晶界面积和增 加界面能，因此对晶界移动有约束作用。 材料越薄，表面积越大，热蚀沟越多，对 晶界迁移的约束力越大。
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• (4) 一次再结晶后的组织，由于某些原因产 生了局部区域不均匀现象而存在个别尺寸 很大的初始晶粒，其晶界迁移率高于其他 晶界，就会迅速长大。
• 二次再结晶并没有再形核过程，只是某些 因素导致少数晶粒异常长大而已。
• 在条件适宜时，有可能发生三次再结晶， 其规律及机制与二次再结晶相同。
• 高纯材料只发生正常长
• 大(1)；含MnS颗粒的材
• 料中有的晶粒迅速长大，
• 有的仍保持细小(2)(3)。
• 二次再结晶晶粒是在约
• 930ºC时突然长大的，在此温度时MnS熔化，晶 界迁移障碍消失，晶粒得以迅速长大。温度高于 930ºC后，二次再结晶的数量增多，晶粒平均尺 寸反而下降了。
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