新しい材料の開発は、材料の組成、構造、性能の研究と密接に関連しており、製造方法とも直接的に関係しています。
異なる材料には、異なる製造および合成プロセスが必要です：
金属材料：凝固
セラミック材料：焼結
ポリマー：反応合成
材料の製造プロセスは、物理的、化学的、力学的な性能に大きな影響を与えます。材料の製造プロセスを理解し、材料の製造の基本理論、技術、および工法を習得することは、材料の選択と使用性能の向上に重要です。
凝固：物質が液体から固体に変わる過程。
結晶化：物質が液体から結晶（固体）に変わる過程。
結晶化は凝固の一形態です。
液体金属の構造特徴#
- 原子の短距離秩序と長距離無秩序
ガス（長距離無秩序）$ \Rightarrow $ 液体（短距離秩序、長距離無秩序）$ \Rightarrow $ 結晶 / 固体（長距離秩序）
- 構造ゆらぎ（相ゆらぎ）
構造ゆらぎ：液体金属中の秩序のある原子集団が瞬間的に現れ、瞬間的に消え、変動し続ける現象。これが金属結晶の構造条件です。
純金属の結晶化プロセス#
金属結晶のマクロ現象#
結晶化のマクロ現象は、過冷却現象と結晶化潜熱の発生に主に現れます。
過冷却は金属結晶化のエネルギー条件（熱力学条件）です。
金属結晶のミクロ過程#
金属の結晶化は、結晶核の形成と結晶核の成長の 2 つの基本プロセスで構成されています。
結晶核が成長すると結晶粒になります。
形成核 - 結晶核の形成#
2 つの条件：
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構造条件 - 構造ゆらぎ
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エネルギー条件 - エネルギーゆらぎ
結晶核の 2 つの形成方法：
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自発的な形成核 / 均一な形成核（液体内部から自発的に結晶核が形成される方法。必要なエネルギーが大きい場合、より大きな過冷却が必要です）
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非自発的な形成核 / 非均一な形成核（液体中の不純物に依存して結晶核が形成される方法。必要なエネルギーが小さく、実際の金属の結晶化では優先的かつ主導的な役割を果たします）
成長 - 結晶核の成長#
結晶核の成長は、原子が液体から固体の表面に移動することを意味します。
純金属および合金の結晶核の成長方法：
- 樹状成長 木の成長のように、結晶核はまず幹として成長し、その後枝を生やします。その後、枝からより小さな枝が生えることもあります（稜角では放熱が速く温度が低い）。枝状成長の結晶粒は枝晶と呼ばれます。
結晶粒の制御#
結晶粒のサイズが金属の性能に与える影響#
常温では、金属の結晶粒がより細かいほど、総合的な機械的性能が向上します。つまり、金属の結晶粒が細かくなると、強度と硬度が向上するだけでなく、可塑性と靭性も向上します。
結晶粒サイズの評価#
結晶粒度#
結晶粒サイズを評価する指標。一般的には、結晶の平均直径または平均面積で表されます。
工業上では、結晶粒度の等級で結晶粒サイズを表します。標準結晶粒度は 8 段階に分けられ、1 段階が最も粗く、8 段階が最も細かいです。
結晶粒度に影響を与える要因#
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形成率 N 単位時間、単位体積の液体金属中で形成される結晶核の数。
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成長速度 G 単位時間あたりの結晶の成長距離。
比率 $ N/G $ が大きいほど、結晶化後の結晶粒がより細かくなります。逆に、比率が小さいと、結晶粒がより粗くなります。
結晶粒サイズの制御方法#
過冷度の制御#
対策：注ぎ込み温度を下げる。
原理：冷却速度を高める。過冷度が大きいほど、比率 $ N/G $ が大きくなります。
変質処理#
対策：液体金属に変質剤を添加する。
原理：変質剤は非自発的な形成核の核として機能し、形成率 N を高めます。
振動攪拌#
対策：溶融金属に機械的な振動、超音波振動、および電磁攪拌を加える。
原理：振動攪拌により、成長中の枝晶が破壊され、形成率 N が増加し、同時に自発的な形成核が促進されます。
同素異構転移#
同素異構現象と同素異構体#
一部の金属は、固体状態で 2 つ以上の結晶格子タイプが存在するため、この現象は同素異構または多結晶性と呼ばれます。
同じ結晶構造が異なる結晶体で存在する場合、その金属の同素異構体と呼ばれます。
同素異構転移#
同じ金属の同素異構体は、一定の条件下で相互に変換されます。同素異構転移は、この固体状態での温度の変化に伴う結晶格子の変化の現象です。
純鉄の同素異構転移：
$ \delta-Fe \Leftarrow^{1394^{\circ}C}\Rightarrow \gamma-Fe \Leftarrow^{1394^{\circ}C}\Rightarrow \alpha-Fe $
同素異構転移の特徴#
金属の同素異構転移は、液体金属の結晶化プロセスと類似しているため、二次結晶または再結晶と呼ばれます。
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同素異構転移には特定の転移温度があり、転移が起こるためには過冷却が必要で、潜熱が放出されます。
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同素異構転移は固体状態で行われるため、大きな過冷却が必要です。
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同素異構体の形成は、形成核、成長プロセスを経て、新しい相の結晶核は通常、古い相の結晶界または特定の結晶面に形成されます。
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同じ金属の同素異構体は通常、異なる結晶格子密度を持っており、したがって比容も異なります。したがって、転換前後に変化があり、内部応力が発生します。
比容：物質の単位重量あたりの体積。
金属鋳造の結晶化#
1：表面細晶領域
2：柱状晶領域
3：中心等軸晶領域
この記事は Mix Space からの同期更新で、xLog にも掲載されています。
元のリンクは https://nishikori.tech/posts/tech/Basic-process-of-material-preparation です。