再结晶和晶粒长大.ppt

第三节 再结晶和晶粒长大 在烧结中，坯体多数是晶态粉状材料压制而成，随烧结进行，坯体颗粒间发生再结晶和晶粒长大，使坯体强度提高。所以在烧结进程中，高温下还同时进行着两个过程，再结晶和晶粒长大。尤其是在烧结后期，这两个和烧结并行的高温动力学过程是绝不对不能忽视的，它直接影响着烧结体的显微结构(如晶粒大小，气孔分布)和强度等性质。 一、初次再结晶 初次再结晶常发生在金属中，无机非金属材料特别是—些软性材料NaCl、CaF2等，由于较易发生塑性变形，所以也会发生初次再结晶过程。另外，由于无机非金属材料烧结前都要破碎研磨成粉料，这时颗粒内常有残余应变，烧结时也会出现初次再结晶现象。 图10 在400℃NaCl晶体，置于470℃再结晶的情况 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。 初次再结晶也包括两个步骤：成核和长大。晶粒长大 通常需要一个诱导期，它相当于不稳定的核胚长大成稳 定晶核所需要的时间。 最终晶粒大小取决于成核和晶粒长大的相对速率。由 于这两者都与温度相关，故总的结晶速率随温度而迅速 变化。如图所示。由图可见，提高再结晶温度，最终的 晶粒尺寸增加，这是由于晶粒长大速率比成核速率增加 的更快。 图11 烧结温度对AlN晶粒尺寸的影响 二、晶粒长大 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。 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。 图12 晶界结构及原子位能图 图13 烧结后期晶粒长大示意图 三、二次再结晶 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。 图14 由于晶粒长大使气孔扩大示意图 但是，并不是在任何情况下二次再结晶过程都是有害的。 在现代新材料的开发中常利用二次再结过程来生产一些特种材料。如铁氧体硬磁材料BaFel2019的烧结中，控制大晶粒为二次再结晶的晶核，利用二次再结晶形成择优取向，使磁磷畴取向一致，从而得到高磁导率的硬磁材料。 * * 初次再结晶是指从塑性变形的、具有应变的基质中，生长出新的无应变晶粒的成核和长大过程。 概念 时间(分) 晶粒直径(mm) 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。 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 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。 △G △G ＊ (a) (b) 位置 自由焓 50 3 4 10 6 晶粒正常长大时，如果晶界受到第二相杂质的阻碍，其移动可能出现三种情况： 1．晶界能量较小，晶界移动被杂质或气孔所阻挡，晶粒正常长大停止。 2．晶界具有一定的能量，晶界带动杂质或气孔继续移动，这时气孔利用晶界的快速通道 排除，坯体不断致密。 3．晶界能量大，晶界越过杂质或气孔，把气孔包裹在晶粒内部。由于气孔脱离晶昂界，再不能利用晶界这样的快速通道而排除，使烧结停止，致密度不再增加。这时将出现二次再结晶现象。 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。 概念 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。 产生原因 造成二次再结晶的原因主要是原始物料粒度不均匀及烧结温度偏高 其次是成型压力不均匀及局部有不均匀的液相等