材料製備的基本過程

新材料的發展，不僅與對材料的成分 -- 結構 -- 性能的研究有著密切的關係，還與其製備方法有著直接的聯系。

不同的材料需要採用不同的公益過程來製備和合成：

金屬材料：凝固

陶瓷材料：燒結

聚合物：反應合成

材料的製備過程對其物理、化學和力學性能都會產生較大的影響。了解材料製備的基本過程，掌握材料製備的基本理論、技術和工藝方法，對於材料惡選用，進一步提升其使用性能有重要意義。

凝固：物質從液態轉變為固態的過程。

結晶：物質從液態轉變為晶體（固態）的過程。

結晶是凝固的一種形式。

液態金屬的結構特點

原子排列的短程有序和長程無序

氣體（長程無序）$ \Rightarrow $ 液體（短程有序、長程無序）$ \Rightarrow $ 晶體 / 固體（長程有序）

存在著結構起伏（相起伏）

結構起伏：液態金屬中的有序原子團瞬間出現、瞬間消失、此起彼伏、變化不定。這是金屬結晶的結構條件。

純金屬的結晶過程

金屬結晶的宏觀現象

結晶的宏觀現象主要表現在出現過冷現象和產生結晶潛熱。

過冷是金屬結晶的能量條件（熱力學條件）

金屬結晶的微觀過程

金屬的結晶由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成。

晶核長大後成為晶粒。

形核 —— 晶核的形成

兩個條件：

結構條件 —— 結構起伏

能量條件 —— 能量起伏

形核的兩種方式：

自發形核 / 均勻形核（從液體內部自發形成晶核的方式。需要的能量大，則需要較大的過冷度才有可能形成晶核）

非自發形核 / 非均勻形核（依附於液體中的雜質而形成晶核的方式。需要的能量小，在實際金屬的結晶中往往起優先和主導作用）

長大 —— 晶核的生長

晶核長大的實質是原子由液體向固體表面轉移。

純金屬及合金的晶核長大方式：

樹枝狀長大 猶如樹的生長一樣，晶核在長大時，首先生長成樹幹，然後樹幹上長出樹枝。隨後，樹枝還可以長出更小的樹枝（稜角處散熱快溫度低）。按樹枝狀生長的晶粒成為樹枝晶或枝晶。

晶粒大小的控制

晶粒大小對金屬性能的影響

在常溫下，金屬的晶粒越細小，起綜合力學性能越好。即金屬的晶粒被細化，不僅能提高強度和硬度，同時還能提高塑性和韌性。

晶粒大小的評定

晶粒度

評定晶粒大小的指標。一般可用晶粒的平均直徑或平均面積來表示。

工業上常用晶粒度等級表示晶粒大小。標準晶粒度分為八級，一級最粗，八級最細。

影響晶粒度的因素

形核率 N 單位時間、單位體積液態金屬中形成晶核的數目。

長大速度 G 單位時間內 晶體長大的長度。

比值 $ N/G $ 越大，則結晶後獲得的晶粒越細小，反之則約粗大。

控制晶粒大小的方法

控制過冷度

措施：降低澆築溫度。

原理：提高冷卻速度。過冷度大，比值 $ N/G $ 大。

變質處理

措施：向液態金屬中加入變質劑。

原理：變質劑作為非自發形核的核心，提高了形核率 N。

振動攪拌

措施：對即將能股的金屬進行機械振動、超聲波振動和電磁攪拌。

原理：通過振動攪拌，一方面是生長中的枝晶破碎，從而增加形核率 N，另一方面輸入能量以促進自發形核。

同素異構轉變

同素異構現象與同素異構體

有些金屬在固態下，存在兩種或兩種以上的晶格類型，這種現象稱為同素異構或多晶型性。

以不同晶體結構存在的同一種晶體稱為該金屬的同素異構體。

同素異構轉變

同一種金屬的同素異構體在一定條件下會相互轉化。同素異構轉變就是在這種固態下隨溫度的改變由一種晶格轉變為另一種晶格的現象。

純鐵的同素異構轉變：

$ \delta-Fe \Leftarrow^{1394^{\circ}C}\Rightarrow \gamma-Fe \Leftarrow^{1394^{\circ}C}\Rightarrow \alpha-Fe $

同素異構轉變的特點

金屬的同素異構轉變與液態金屬的結晶過程相似，故稱二次結晶或重結晶。

同素異構轉變具有規定的轉變溫度，轉變發生時需要過冷，放出潛熱。

同素異構轉變在固態下進行，因此轉變需要過大的過冷度。

同素異構體的形成經過形核、長大過程，新相晶核往往在舊相的晶界或某些特定晶面上形成。

同一種金屬的同素異構體通常具有不同的晶格致密度，因此比容也不同，轉變前後往往伴隨著提及的變化，導致內應力產生。

比容：物質單位重量的體積。

金屬鑄錠的結晶

1：表層細晶區

2：柱狀晶區

3：中心等軸晶區

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