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。
晶粒粗大的原因
晶粒粗大的原因
晶粒粗大的原因主要有以下几点：
1. 加热温度过高或保温时间过长：当加热温度过高或保温时间过长时，原子扩散能力和晶界迁移能力增强，导致晶粒异常长大。
2. 变形程度不足：在金属塑性变形过程中，如果变形程度不足，晶粒破碎不够充分，会导致晶粒粗大。
3. 杂质元素的影响：某些杂质元素，如硫、磷等，在钢中会形成低熔点共晶，导致晶界弱化，从而促进晶粒的长大。
4. 合金元素的影响：一些合金元素，如铬、镍等，可以提高钢的淬透性，但同时也可能促进晶粒的长大。
5. 冷却速度过慢：在金属凝固过程中，如果冷却速度过慢，会导致晶粒有足够的时间长大，从而形成粗大的晶粒。
为了控制晶粒的长大，可以采取以下措施：
1. 适当降低加热温度和缩短保温时间：通过控制加热温度和保温时间，可以抑制原子扩散和晶界迁移，从而控制晶粒的长大。
2. 提高变形程度：通过增加变形程度，使晶粒破碎更充分，有利于细化晶粒。
3. 减少杂质元素含量：通过精炼、除杂等措施，降低钢中杂质元素
的含量，减少低熔点共晶的形成，从而抑制晶粒的长大。
4. 合理选择合金元素：在选择合金元素时，要综合考虑其对钢的淬透性、强度和韧性的影响，避免选择易促进晶粒长大的元素。
5. 提高冷却速度：通过优化冷却工艺，提高金属的冷却速度，使晶粒在凝固过程中没有足够的时间长大，从而细化晶粒。
以上措施的具体应用需根据具体情况而定，例如对于不同的金属材料、不同的加工工艺和不同的使用场景，可能需要采取不同的措施来控制晶粒的长大。
【材料科学基础】必考知识点第八章
【材料科学基础】必考知识点第⼋章2020届材料科学基础期末必考知识点总结第⼋章回复与再结晶第⼀节冷变形⾦属在加热时的组织与性能变化⼀回复与再结晶回复：冷变形⾦属在低温加热时，其显微组织⽆可见变化，但其物理、⼒学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。
再结晶：冷变形⾦属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的⽆畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，⽽使形变强化效应完全消除的过程。
⼆显微组织变化（⽰意图）回复阶段：显微组织仍为纤维状，⽆可见变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核长⼤，逐渐转变为新的⽆畸变的等轴晶粒。
晶粒长⼤阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺⼨。
三性能变化1 ⼒学性能（⽰意图）回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提⾼。
再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提⾼。
晶粒长⼤阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提⾼，粗化严重时下降。
2 物理性能密度：在回复阶段变化不⼤，在再结晶阶段急剧升⾼；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。
四储存能变化（⽰意图）1 储存能：存在于冷变形⾦属内部的⼀⼩部分（～10％）变形功。
弹性应变能（3～12％）2 存在形式位错（80～90％）点缺陷是回复与再结晶的驱动⼒3储存能的释放：原⼦活动能⼒提⾼，迁移⾄平衡位置，储存能得以释放。
五内应⼒变化回复阶段：⼤部分或全部消除第⼀类内应⼒，部分消除第⼆、三类内应⼒；再结晶阶段：内应⼒可完全消除。
第⼆节回复⼀回复动⼒学（⽰意图）1 加⼯硬化残留率与退⽕温度和时间的关系ln(x0/x)=c0t exp(-Q/RT)x0 –原始加⼯硬化残留率；x－退⽕时加⼯硬化残留率；c0－⽐例常数；t－加热时间；T－加热温度。
2 动⼒学曲线特点（1）没有孕育期；（2）开始变化快，随后变慢；（3）长时间处理后，性能趋于⼀平衡值。
⼆回复机理移⾄晶界、位错处1 低温回复：点缺陷运动空位＋间隙原⼦缺陷密度降低（0.1~0.2Tm）空位聚集（空位群、对）异号位错相遇⽽抵销2 中温回复：位错滑移位错缠结重新排列位错密度降低（0.2~0.3Tm）亚晶粒长⼤3 ⾼温回复：位错攀移（＋滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚（0.3~0.5Tm）晶粒）弹性畸变能降低。
晶粒长大晶粒长大
3．晶粒的稳定形状
驱动力作用
即
总界面能下降
通过
晶界变直
二维： 三角晶界120°
三维： 趋向十四面体
4．影响晶粒长大的因素
1）温度 （同再结晶因素） 热激活过程——温度↑——长大速度↑
2）分散相颗粒 （异于再结晶——无二重性） 分散相颗粒——阻碍晶界迁移——长大速度↓
第四节 再结晶后的晶粒长大
长大类型： 连续、均匀长大 —— 正常长大 少数晶粒突发、非均匀长大 —— 异常长大
一、正常长大
1．长大方式
大角晶界的迁移——大晶粒吞并小晶粒——晶粒长大
2．晶粒长大的热力学与动力学
1）热力学 驱动力： 体系自由能下降 —— 总界面能下降 冷变形度不再有影响 因为再结晶后已完全消除了晶格畸变
称为
再结晶织构
进一步
二次再结晶织构
表现出
各向异性
机理：
定向（择优）形核理论
定向（择优）成长理论
凸出晶核、亚晶均 保持原织构取向
有利位向晶粒长大速度快 其它位向晶粒长大受抑制
与原形变织构相同的 再结晶织构
特殊位向织构 （可能与原形变织构相同或不同）
择优形核、择优成长理论
少数再结晶后较大的晶粒
晶界迁移能力↑ ↑
少数晶粒快速长大
异常粗大的晶粒组织 性能恶化
2．异常长大热力学及动力学
1）热力学 驱动力 —— 体系自由能下降 —— 总晶界能下降 + 总表面能下降
2）动力学 纯长大过程——先快后慢
三、再结晶退火及组织控制
1．再结晶退火
工艺： 加热至T再以上保温 —— 再结晶 目的：1）软化冷变形后金属——方便后续加工
影响晶粒正常长大的因素
2021/3/27
CHENLI
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2021/3/27
CHENLI
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• *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：
CHENLI
13
• 图7-32是Fe-Si(wSi=0.03) • 合金的晶粒长大曲线。
• 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。
• 择优形核理论认为：再结晶晶核保持变形织构的 相同取向，长大后形成与变形织构一致的再结晶 织构。
• 择优生长理论认为：再结晶形核的取向与变形织 构无关。晶核长大时，晶界迁移率与晶界两侧的 位相差相关。只有某些取向有利的再结晶晶核能 够迅速长大，其他取向的晶核则被抑制，最终形 成再结晶织构。
2021/3/27
• 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。
2021/3/27
CHENLI
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• (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。
晶粒粗大的概念,危害以及控制
晶粒粗大(coarse grain)概念和危害以及控制钢材内部缺陷之一，表现为金属晶粒比正常生产条件下获得的标准规定的晶粒尺寸粗大。
钢材由于生产不当，奥氏体或室温组织均能出现粗大晶粒，这种组织使强度、塑性和韧性降低。
粗大的晶粒通过热处理可以细化。
表示晶粒大小的方法是晶粒的平均体积、平均直径或单位体积内含有的晶粒数，但测定繁琐。
为简化评定方法，采用晶粒大小标准图相比较的方法，确定晶粒大小的级别。
钢的标准晶粒级别由大到小划分为-3到+12共16级，晶粒平均直径由-3级的1.000mm到12级的0.0055mm。
1～4级为粗晶粒；5～8级为细晶粒，粗于1级的为晶粒粗大；细于8级的为超细晶粒。
晶粒粗大的原因有：(1)金属凝固或加热到相变温度以上、或在奥氏体再结晶区变形时，再结晶后停留时间长、冷却速度慢使晶粒集聚长大；(2)粗大奥氏体晶粒固态相变后铁素体晶粒粗大。
防止晶粒粗大的方法有：采用铝脱氧的本质细晶粒钢，控制加热温度和保温时间，加大道次变形量，降低终轧温度和控制冷却速度。
[1]焊接时，大的线能量，就可能会使焊缝的晶粒粗大。
降低零件塑性，使零件变脆，冲击值达不到要求，使用中会在毫无征兆的情况下突然断裂。
另外，晶粒粗大会给零件探伤造成困难，掩盖一些缺陷或使零件不可探。
熔合线附近的母材多因焊接热作用,形成晶粒粗大,性能恶化的组织叫热影响区，即HAZ，就是焊缝金属和母材之间的过渡区，由于焊接时加热到接近熔点后快速冷却，导致晶粒粗大，如果母材含碳量较高，易产生裂纹。
熔合区的机械性能要达到木材的水平，就要求在焊接时控制线能量输入--------尽可能用小电流、快速度、不摆动来解决“晶粒粗大”的问题，因为保持较细的晶粒结构，才可以保证里面的组织不发生变化。
南京大学-晶体生长课件-Chapter 4-晶体生长的相变过程及其动力学
a. 若过程放热， H<0,则 T>0，即T <T0，必须过冷。 b.若过程吸热， H>0,则 T<0，即T > T0，必须过热。
结论：相变推动力可表示为过冷度 (T)。
b、相变过程的压力条件 从热力学可知，在恒温可逆不作有用功时： dG=VdP 对理想气体而言，在压强由P1 到P2过程中：
2 , 2 T T
2 (1) 2 ( 2)
, Tp Tp
2 (1)
2 , 2 p p
2 (1) 2 ( 2)
由于
s cp T T
p
2 1 v T , T 2 v T
p
1 2 1 v , v Tp v p
*二、按相变方式分类
成核－长大型相变：由程度大，但范围小的浓度起伏开始发生
相变，并形成新相核心。如结晶釉。 连续型相变(不稳分相)：由程度小，范围广的浓度起伏连续长
大形成新相。 如微晶玻璃。
三、按质点迁移特征分类 扩散型：有质点迁移。
无扩散型：在低温下进行，如：同素异构转变、马氏体转变
马氏体转变特点：
单元系统相变过程图
亚稳区的特征 (1)亚稳区具有不平衡状态的特征，是物相在理论上 不能稳定存在，而实际上却能稳定存在的区域；
(2)在亚稳区内，物系不能自发产生新相，要产生新 相，必然要越过亚稳区，这就是过冷却的原因； (3)在亚稳区内虽然不能自发产生新相，但是当有外 来杂质存在时，或在外界能量影响下，也有可能在亚 稳区内形成新相，此时使亚稳区缩小。
系统自由能： G G1 G2 nVGV A(n)
式中：n — 新相的原子数（或分子数） V — 新相的原子体积； ∆GV — 单位体积旧相和新相之间的自由能之差； A（n） — 新相总表面积；
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为：P：晶界迁移的驱动力：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。
，当界面张力平衡时：因为大角度晶界TA=TB=TC，而 A+B+C=360度∴A=B=C=120度在二维坐标中，晶界边数少于6的晶粒，其晶界向外凸出，必然逐渐缩小，甚至消失，而边数大于6的晶粒，晶界向内凹进，逐渐长大，当晶粒的边数为6时，处于稳定状态。
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∴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（1）α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（1）式对φ求极大值，令，可得：（2）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（3）设单位体积中有NV个质点，其体积分数为f（4）（5）取单位晶界面积两侧厚度皆为r的正方体，所有中心位于这个1×1×2r体积内半径为r的第二相颗粒，都将与这部分晶界交截，单位面积晶界将与1×1×2r×NV个晶粒交截。
再结晶和晶粒长大解读
三、二次再结晶
概念
二次再结晶是坯体中少数大晶粒尺 寸的异常增加，其结果是个别晶粒 的尺寸增加，这是区别于正常的晶 粒长大的。
简言之，当坯体中有少数大晶粒存在时，这些 大晶粒往往成为二次再结晶的晶核，晶粒尺寸 以这些大晶粒为核心异常生长。
推动力
推动力仍然是晶界过剩 界面能。
二次再结晶发生后，气孔进人晶粒内部，成 为孤立闭气孔，不易排除，使烧结速率降低甚 至停止。因为小气孔中气体的压力大，它可能 迁移扩散到低气压的大气孔中去，使晶界上的 气孔随晶粒长大而变大。
晶粒直径(mm)
时间(分)
图19 在400℃受400g/mm2应力作用的NaCl晶体，
置于470℃再结晶的情况
推动力
初次再结晶过程的推动力是基 质塑性变形所增加的能量。
一般储存在变形基质中的能量约为0.5～1Cal／g的数量 级，虽然数值较熔融热小得多 (熔融热是此值的1000倍 甚至更多倍)，但却足够提供晶界移动和晶粒长大所需 的能量。
图20 烧结温度对AlN晶粒尺寸的影响
二、晶粒长大
概念
在烧结中、后期，细小晶粒逐渐 长大，而一些晶粒的长大过程也 是另一部分晶粒的缩小或消失过 程，其结果是平均晶粒尺寸增加
这一过程并不依赖于初次再结晶过程；晶粒 长大不是小晶粒的相互粘接，而是晶界移动 的结果。其含义的核心是晶粒平均尺寸增加。
推动力
晶粒长大的推动力是晶界过剩的 自由能，即晶界两侧物质的自由 焓之差是使界面向曲率中心移动 的驱动力。
小晶粒生长为大晶粒．使界面面积减小， 界面自由能降低，晶粒尺寸由 1μm 变化 到lcm，相应的能量变化为0.1-5Cal/g。
两个晶粒
自由焓
△G
＊
△G 位置 (a) (b)
材料科学基础---简答题
第二部分简答题第一章原子结构1、原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？【11年真题】答：（1）金属键：基本特点是电子的共有化，无饱和性、无方向性,因而每个原子有可能同更多的原子结合，并趋于形成低能量的密堆结构。
当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键,这就使得金属具有良好的延展性，又由于自由电子的存在,金属一般都具有良好的导电性和导热性能。
（2）离子键：正负离子相互吸引，结合牢固，无方向性、无饱和性.因此，七熔点和硬度均较高。
离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此他们都是良好的电绝缘体。
（3)共价键:有方向性和饱和性。
共价键的结合极为牢固，故共价键晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。
共价结合的材料一般是绝缘体,其导电能力较差.(4）范德瓦尔斯力：范德瓦尔斯力是借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。
它没有方向性和饱和性，其结合不如化学键牢固。
（5）氢键：氢键是一种极性分子键，氢键具有方向性和饱和性,其键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间.2、陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能.【模拟题一】答：陶瓷材料中主要的结合键是离子键和共价键.由于离子键和共价键很强，故陶瓷的抗压强度很高、硬度很高。
因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好、耐高温、化学稳定性高。
第二章固体结构1、为什么密排六方结构不能称为一种空间点阵？【11年真题】答：空间点阵中每个阵点应该具有完全相同的周围环境.密排六方晶体结构位于晶胞内的原子具有不同的周围环境。
如将晶胞角上的一个原子与相应的晶胞之内的一个原子共同组成一个阵点，这样得出的密排六方结构应属于简单六方点阵。
2、为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固溶体则不能？【模拟题一】答：因为形成固溶体时，溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变,从而使体系能量升高。
钢热处理工艺中奥氏体晶粒大小及影响因素
钢热处理工艺中奥氏体晶粒大小及影响因素提示：1．奥氏体晶粒度奥氏体的晶粒大小将直接影响钢在热处理以后的组织和性能，也是评定热处理加热质量的重要参数。
奥氏体晶粒大小用晶粒度指标来衡量，晶粒度是指将钢加热到一定温度，保温一定时间后所获得的奥氏体晶粒大小。
国家标准将晶粒度级别分为8级，如图4-4所示。
图4-4 钢的标准晶粒度等级图钢在加热到相变点以上时1．奥氏体晶粒度奥氏体的晶粒大小将直接影响钢在热处理以后的组织和性能，也是评定热处理加热质量的重要参数。
奥氏体晶粒大小用晶粒度指标来衡量，晶粒度是指将钢加热到一定温度，保温一定时间后所获得的奥氏体晶粒大小。
国家标准将晶粒度级别分为8级，如图4-4所示。
图4-4 钢的标准晶粒度等级图钢在加热到相变点以上时，刚形成的奥氏体晶粒都很细小，称为起始晶粒。
如果继续升温或保温，将引起奥氏体晶粒长大。
不同的钢在规定的加热条件下，奥氏体晶粒的长大倾向不同，如图4-5所示。
从奥氏体晶粒长大的连续性来看有两种情况：一种是随加热温度升高晶粒容易长大，这种钢称为本质粗晶粒钢；另一种是随加热温度升高晶粒长大很缓慢，可一直保持细小晶粒，只有加热到更高温度时，晶粒才迅速长大，这种钢称为本质细晶粒钢。
图4-5 奥氏体晶粒长大倾向示意图钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织与性能。
实际中奥氏体的晶粒越细小，冷却后钢的组织也越细小，其强度、塑性、韧性等力学性能越好，因此，在选用材料和热处理工艺上，获得细小的奥氏体晶粒，对工件使用性能和质量都具有重要意义。
2．影响奥氏体晶粒大小的因素(1)加热温度和保温时间奥氏体起始晶粒是很细小的，随着加热温度升高，奥氏体晶粒逐渐长大，晶界总面积减少，系统能量降低。
所以加热温度越高，在高温下保温时间越长，越有利于晶界总面积减少，导致奥氏体晶粒越粗大。
(2)加热速度。
在连续升温加热时，奥氏体化过程是在一个温度区间内完成的。
加热速度越快，转变的温度区间越高，原子的活动能力越强，形核率越大，有利于获得细小奥氏体晶粒。
影响晶粒正常长大的因素课件
冷却系统对模具温度控制至关重要，设计合理的冷 却通道和分布，有助于降低模具温度，控制晶粒生 长速度。
模具温度
温度梯度
模具温度对晶粒生长具有显著影响， 温度梯度会导致晶粒生长的不均匀性。 因此，应尽量减小温度梯度，使晶粒 生长更加均匀。
温度稳定性
模具温度的稳定性对晶粒生长至关重 要，温度波动会导致晶粒生长的波动， 从而影响最终产品的性能。因此，应 保持模具温度的稳定性。
未来可能的研究方向
1 2 3
发展计算模拟方法 通过发展更精确的原子尺度计算模拟方法，可以 更深入地理解晶粒长大过程中的微观机制。
探索晶粒长大与其他现象的关联 晶粒长大与许多其他现象有关联，如相变、固态 相变等，未来可以进一步探索这些关联及其应用。
开发新型晶粒控制技术 基于对晶粒长大过程的理解，未来可以开发新型 的晶粒控制技术，以提高材料的性能和功能。
100%
控制实验条件
在实验过程中，需要严格控制温 度、压力、浓度等实验条件，以 确保实验结果的准确性和可靠性。
80%
观察记录
在实验过程中，需要对晶粒的生 长情况进行实时观察和记录，以 便后续结果分析。
实验结 果
温度对晶粒长大的影响
随着温度的升高，晶粒尺寸逐 渐增大。在一定温度范围内， 晶粒长大速度随温度升高而加 快。
熔体过热
熔体过热对晶粒长大的影响
熔体过热可以增加熔体的流动性，使晶粒有更多的机会相互 接触和合并。这通常会导致晶粒尺寸增大。
熔体过热的控制
为了控制晶粒大小，需要将熔体温度控制在合适的范围内， 避免过热。同时，在浇注和成型过程中也要尽量减少热量损 失，以保持熔体温度的稳定性。
熔体的纯净度
熔体中的杂质对晶粒长大的影响
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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。
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(6)
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这个总阻力与晶界驱动力飞 平衡
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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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