晶粒长大

晶界的位移过程

晶粒长大其实质是一种晶界的位移过程。在通常情况下，这种晶粒的长大是逐步缓慢进行的，称为正常长大。但是，当某些因素（如：细小杂质粒子、变形织构等）阻碍晶粒正常长大，一旦这种阻碍失效常会出现晶粒突然长大，而且长大很多。对这种晶粒不均匀的现象称为二次结晶。对于机械工程结构材料是不希望出现二次结晶的。但是对硅钢片等电气材料常利用这个二次结晶得到粗晶来获得高的物理性能。

简介

再结晶结束后，材料通常得到细小等轴晶粒，若继续提高加热温度或延长加热时间，将引起晶粒进一步长大。晶粒长大按其特点可分为两类：正常晶粒长大与异常晶粒长大（二次再结晶），前者表现为大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大；而后者则为少数晶粒突发性的不均匀长大。

晶粒的长大，从热力学条件来看，在一定体积的金属中，其晶粒愈粗，总的晶界表面积就愈小，总的表面能也就愈低。由于晶粒粗化可以减少表面能，使金属或合金处于较稳定的、自由能较低的状态，因此，晶粒长大是一种自发的变化趋势。要实现这种变化趋势，需要原子有较强的扩散能力，以完成晶粒长大时晶界的迁移运动。而较高的加热温度正使其具备了这一条件。

晶粒长大的具体过程是由晶粒的互相吞并来完成的，而这种吞并又是通过晶界的逐渐移动而进行的。即某些晶粒的晶界向其周围的其他晶粒推进，从而把别的晶粒吞并过来。晶界的移动与其曲率有关，晶界的曲率愈大，则其表面积也愈大，因此，一个弯曲的晶界有向其曲率中心移动而使其变得平直的趋势，这一过程称为晶界的平直化。如图1是晶界平直化的示意图：

因为小晶粒的晶界一般具有凸面，而大晶粒的晶界一般具有凹面，因此晶界移动的结果是小晶粒易为相邻的大晶粒所吞并。

正常晶粒长大

再结晶完成后，新的等轴晶粒已经完全接触，冷加工储存能已经完全释放，但在继续保温或升高温度的情况下，仍然可以继续长大，这种长大是靠大角度晶界的移动并吞食其他晶粒实现的。晶粒长大是一自发过程，在晶粒长大过程中，如果长大的结果是晶粒尺寸分布均匀的，那么这种晶粒长大称为正常晶粒长大。从整个系统而言，正常晶粒长大的驱动力是降低其总界面能。若就个别晶粒长大的微观过程来说，晶粒界面的不同曲率是造成晶界迁移的直接原因。正常晶粒长大时，晶界总是向着曲率中心的方向移动。

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。退火温度高，晶界易迁移，晶粒易粗化。在一定温度下，晶粒长大到极限尺寸后就不再长大，但提高温度后晶粒将继续长大。

2、分散相粒子

第二相粒子阻碍晶界迁移．降低晶粒长大速率。粗略估计，若第二相粒子为球形，半径r，体积分数为φ，则再结晶晶粒尺寸为：d=4r/3φ。

3、杂质与微量合金元素

金属中固溶的微量合金元素或杂质的存在能阻碍晶界的移动。“气团”钉扎晶界，不利于晶界移动。

4、晶粒间的位向差

一般情况下，晶界能越高则晶界越不稳定．其迁移速率也越大。而晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关，小角度晶界界面能低，故界面移动的驱动力小，晶界移动速度低，界面能高的大角度晶界可动性高。

异常晶粒长大

异常晶粒长大又称不连续晶粒长大或二次再结晶，是一种特殊的晶粒长大现象。冷变形金属在再结晶刚完成时，晶粒是比较细小的。若将再结晶完成后的金属加热超过某一温度，则会有少数几个晶粒突然长大，它们的尺寸可能达到几个厘米，而其他晶粒仍保持细小，最终小晶粒被大晶粒吞并，整个金属中的晶粒都变得十分粗大。如图2所示为一种镁合金经变形并加热后的显微组织：

关于二次再结晶的一般规律可归纳如下：

1、和正常晶粒长大一样，二次再结晶的驱动力也是来自晶界能的降低，而不是来自储存能。

2、二次再结晶中形成的大晶粒不是重新形核后长大的，它们是正常再结晶中形成的某些特殊晶粒的继续长大。

3、这些大晶粒在开始时长大得很慢，只是在长大到某一临界尺寸以后才迅速长大。

4、要发生二次再结晶，加热温度必须在某一温度以上。通常大的晶粒尺寸是在加热温度刚刚超过这一温度时得到的，当加热温度更高时，得到的二次再结晶晶粒的尺寸反而较小。

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