[科普中国]-晶粒长大

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。如图是晶界平直化的示意图：1

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。2

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，但提高温度后品粒将继续长大。

2、分散相粒子

第二相粒子阻碍晶界迁移．降低品粒长大速率。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。3

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。如下图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。2