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。

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。

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。

(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。