单晶材料的制备PPT参考课件.ppt

1、单晶材料的制造，周大利材料科学和工程学院，1，目录，前言固相一固相平衡的结晶生长液相一固相平衡的结晶生长，2，前言所谓的单晶(monocrystal，monocrystalline，single crystal )单晶的晶格整体连续，重要的熵效应导致固体微观结构的不理想，如杂质、不均匀应变和晶体缺陷，一定大小的理想单晶在自然界中极为稀少，也难以在实验室生产。 另一方面，在自然界中，不理想的单晶可以非常巨大，例如，已知蓝宝石、石膏、长石等矿物形成的结晶达到几米。 单晶：3、4、单晶的电子衍射光谱、由单晶电子衍射得到的衍射图案是以一定的几何图案分布的一系列衍射光斑，称为单晶电子衍射光谱。 MoO3

2、的晶体形态和衍射图形、5、多晶的电子衍射光谱、多晶试样由许多取向不同的细晶粒组成。 在入射电子束的照射下，对于各小晶体，面间距离为d的(hkl )晶面簇群满足衍射条件时产生衍射光，可以得到荧光屏和照相基板上对应的衍射光斑。 关于多晶衍射光谱环形图案，多数取向不同的小晶粒的hkl晶面团簇的晶面群满足衍射条件时，形成由以入射光束为轴、2为半角的衍射光束构成的圆锥面，在与荧光屏或照相基板的交线、半径为R=L/d的圆环d值不同的hkl晶面簇生成不同的圆环，形成由不同半径的同心圆环构成的多晶电子衍射光谱。 下图为金的多晶衍射光谱。 7、性质均匀性：晶体内部各部分的宏观性质相同。 各向异性：晶体中不同方向

3、具有不同的物理性质。 固定熔点：晶体具有周期性结构，熔化时各部分需要相同的温度。 有序外形：理想环境下生长的晶体必须是凸多边形。 对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。 在电、磁、光、热等方面表现出优异的性能，广泛应用于现代工业的许多领域。 8、制造方法：固相一固相平衡的结晶生长液相一固相平衡的结晶生长气相一固相平衡的结晶生长，首先，单晶：9、优点低的温度下生长的结晶形状是预先固定的，容易取向的缺点是控制核的大晶粒、固相一固相平衡的结晶生长， 难以形成固相一固相生长的应变再结晶理论应变退火及工艺设备利用烧结体生长结晶，固相一固相平衡的结晶生长、11、退火是金属热处理工艺，将金

4、属缓慢加热到一定温度，保持充分的时间后，以适当的速度冷却。 消除以降低硬度、改善切削加工性为目的的残馀应力，使尺寸稳定，减少变形和裂纹倾向，使晶粒微细化，调整组织，消除组织缺陷。 12、重(再)晶体退火(完全退火)适用于平衡加热和冷却时发生固体相变(再结晶)的合金。 其退火温度为各该合金相变温度区间以上或退火以内的任一温度。 加热和冷却都很慢。 由于合金在加热和冷却过程中分别发生一次相变再结晶，所以称为再结晶退火，多被简称为退火。 13、再结晶：退火温度足够高，时间足够长时，变形金属或合金的显微组织中产生无应变的新晶粒再结晶核。 新的晶粒生长到原来的变形组织完全消失，金属和合金的性能也显着变化

5、的过程称为再结晶，通常也称为一次再结晶。14、一次再结晶一次再结晶后出现织构，晶粒的取向差小，不利于晶界移动的金属中含有很多杂质，特别是在第二相质点分散在组织内，使晶界活性显着降低，15、二次再结晶结束后，正常的晶粒应均匀连续。 但是，在某些情况下，晶粒的生长只有少数晶粒突发、迅速粗化，晶粒间的尺寸差越来越大。 这种异常的晶粒生长被称为晶粒的异常生长。 这种晶粒的不均匀生长，就像再结晶后在均匀细小的等轴晶粒中再结晶一样，被称为二次再结晶。 16、应力概念、物体因外因(受力、湿度、温度场的变化等)而变形时，物体内各部分之间产生相互作用的内力，抵抗该外因的作用，使物体从变形后的位置复盖到变形前的位

6、置。 所考察的截面中某一点的单位面积内力称为应力。 17、垂直于截面的称为正应力或法向应力，与截面相邻的称为剪应力或剪应力。 应力随外力的增加而增加，对于某种材料，应力的增加是有限度的，如果超过该限度，材料就会被破坏。 对于某种材料而言应力可能达到的这个极限称为该材料的极限应力。 没有每单位量的单位变形的概念，机械部件和部件等物体内的任一点(单元体)受到外力作用引起的形状和尺寸的相对变化。 根据点的正应力和切应力(请参见应力)，应变分为线应变和角应变。 零件变形时，单元体积变化与原单元体积之比称为体积应变。 线应变、角应变、体积应变都是无量纲的量。 19、当单元体各面的剪切应力等于零，仅有正应

7、力作用时，将该单元体称为主单元体，将其各面称为主平面，将各主平面相交的方向称为主方向。 沿着主方向的线应变称为主应变。 外力消除后，物体内部产生的形变全部可以恢复到原来的状态，称为弹性形变。如果只能部分恢复到原来的状态，则剩下的部分称为塑性形变。 用20、再结晶驱动力、应变再结晶理论、应变退火方法生长单晶，通常是塑性变形，然后在适当的条件下加热等温退火，温度变化不剧烈，结果晶粒尺寸变大。 21、再结晶驱动力、应变再结晶理论、结晶通常是散热过程，22、再结晶驱动力、应变再结晶理论、结晶发生应变不是自发过程，相反，应变引起的结晶发生(直到无应变)是自发过程，即退火是自发过程，在退火中提高温度只是为

8、了提高速度。23、G1-2W-q0、材料发生应变时，产生的自由能变化几乎等于减去工作放出的热量。 该能量通常是应变退火再结晶的主要推动力。 再结晶驱动力、应变再结晶理论、应变退火再结晶的推动力是下式：24，再结晶驱动力、应变再结晶理论，25，退火的目的是加快去除应变，在退火期间晶粒的尺寸增加，一次再结晶的发生可以通过提高温度来加速。 再结合量驱动力、应变再结晶理论、原子为了生长晶粒必须运动，而且晶界的原子容易运动，晶粒也容易生长。 材料应变后的退火可以引起晶粒的生长。 结论：26、晶粒生长、应变再结晶理论是以现有晶粒在退火时生长或以新晶粒为核在退火时生长的方式发生的。在多晶试料上焊接大晶粒，并

9、且大晶粒吞咽相邻的小晶粒而生长时，种晶的固一固生长、27、晶粒生长、应变再结晶理论、晶界间的运动发挥缩短晶界的作用，晶界可以看作晶界间的界面张力，但晶粒的吞咽可以看作该张力在28应变再结晶理论中，在上述讨论中，假定界面能与方向无关，为30，但实际上，晶界具有与晶粒的构成方向和相对于晶粒的界面的方向有关的界面能，晶界可以是大角度也可以是小角度，有可能包含晶粒间的扭曲和倾斜在生长晶体时，晶界迁移率备受关注。 关于晶粒生长、应变再结晶理论、31、晶粒生长、应变再结晶理论，如果晶界沿曲率半径方向移动，则其面积减少，如下图所示，32、晶粒生长、应变再结晶理论、再结晶推进力通过应变消除的大小的差异和要生长

10、的晶体的方向的差异都被赋予， 在退火中观察到新晶粒核，这些晶粒并行生长邻接的晶粒的情况下，考虑到晶格区域、33、晶粒生长、应变再结晶理论、杂质阻止晶核的间接变动，而阻止刚形成或现有的晶核的生长，杂质阻碍位错运动的新的晶核它们经常持续成长，在大半的试料中占优势。 34、晶粒生长、应变再结晶理论，实际上，在应变退火中，通常使一系列试样变化应变量，找到在退火中引起一个或多个晶粒生长所需要的最佳应变或临界应变。 一般来说，1%至10%的应变能够充分满足要求，相应的临界应变控制精度在0.25%以下，总是使用锥形样品寻找特殊材料的临界应变。 因为这个样品在被拉伸的时候会自动产生歪斜。 退火后，观察到晶粒生

11、长最好的区域，计算出该区域的变形。 35、晶粒长大，变形再结晶理论使样品通过温度梯度从冷区转移到热区。 试料最初进入热区的前端部分，开始扩大晶粒生长，在最佳条件下只有一个晶粒生长，占据整个截面，有时为了促进初期核形成，在退火前使图15的a区发生较大变形。 36、应变退火法生长非金属材料比生长金属晶体困难。 由于使非金属塑性变形并不容易，因此通常利用结晶粒径的差作为推进力，通常退火能够提高结晶粒径即烧结。 包括37、应变退火、应变和退火两部分。 关于金属部件，在加工成形过程本身中有变形，正好参与结晶生长。应变退火、应变退火和工艺设备、38、典型的金属部件铸件锻件辊拉丝、应变退火、应变退火和工艺设

12、备、39、铸件：铸件将熔融金属(或无机材料熔液)注入铸模内使其凝固，由此锻件的应变不均匀，锻件用于应变退火、应变退火、应变退火和工艺设备、40、滚轧材料使用滚轧时，由于金属变形比其他方法均匀，滚轧可使材料产生应变和织构。 按压部件的按压可以用于得到棒体和管类，因为各个应变不均匀，所以没有必要作为使晶粒成长的方法进行按压。拉丝拉拔工艺用于金属丝的制造，材料受到相当均匀的拉伸应变，在结晶生长中常用该方法导入应变。应变退火、应变退火以及工艺设备、41、应变退火法能够容易地生长单相铝合金，即多成分系固固-固生长，没有熔融现象，因此没有偏析，单晶能够保持原铸块的成分，为了得到更好的再结晶，退火生长需要较

13、大的温度梯度。应变退火法的结晶生长、应变退火及工艺设备、42、应变退火法的铝单晶的制造、应变退火及工艺设备，在产生临界应变量后进行退火，以结晶粒径0.1mm生长形成单晶。 退火期间，试样表面先形成核，有时会影响单晶的生长。 通过应变退火法制造铜单晶，采用二次再结晶，从优良的铜单晶，即，从一次再结晶时形成的基体生长出几个晶粒，可以对在比一次再结晶高的温度下受到应变的试样进行退火。 参照p5、43、1，首先用550退火纯度为99.6w%的铝，消除原应变的影响，提供符合要求的大小的晶粒。 使无应变的晶粒细的铝变形，产生1%-2%的应变，然后将温度从450提高到550，以25/d的速度退火。 2、初始

14、退火后，在较低温度下重新开始退火，减少晶粒数量，使晶粒在后期退火时生长得更快，在320退火4h得到恢复，加热到450，在该温度下保温2h，可以得到15cm长、直径1mm的线状单晶。 应变退火法铝单晶的制造、应变退火及工艺设备，44， 3、在液氮温度附近冷轧，接着在640下退火10s，在水中淬火得到用于再结晶的铝，此时样品含有2mm大小的晶粒和强集合组织，进而经过温度梯度加热到640，4 .采用交替施加应变和退火的方法，2.5cm 应变退火法铝单晶，应变退火及工艺设备，45，表1.1是应变退火法生长的结晶。 烧结是加热压实多晶体。 烧结过程中晶粒生长的推动力主要起因于残馀应变、逆应变和晶粒维效应

15、等因素。 其中，后两个因素应该是无机材料中最重要的，因为不能产生太大的应变。 因此，烧结只用于非金属材料中的晶粒生长。 加热多晶金属时观察到的晶粒生长，这个过程可以看作应变退火的特殊情况。 这是因为此时失真不是有意发生的。 由于烧结体生长晶体、烧结过程、46、无机陶瓷中的气孔多于金属中，气孔阻止少数晶粒以外的多数晶粒生长，因此在多孔材料中出现大尺寸晶粒。 但是，如果在热压中提高温度，烧结产生的晶粒会显着生长，有可能得到有用的单晶，可以增加到能够达到应变退火的值。 烧结体生长结晶、烧结过程、47、从液相生长结晶的一般理论定向凝固法提拉法区域熔融技术、液相一固相平衡的结晶生长、48、一液液相一固相

16、平衡的单晶生长技术是目前应用最广泛的生长技术，其基本方法是控制凝固进行生长， 也就是说，通常采用可控制的温度梯度，在接近晶核的熔体局部区域产生最大的过冷度，导入种晶，使单晶向所希望的方向生长。液相一固相平衡的结晶生长，49，第一个问题：新相的成核问题第二个问题：新相和旧相的界面以怎样的方式和速度向旧相转变，从液相生长结晶的一般理论，50，从准稳定相向稳定相的转换有两种方式： p10，从液相生长结晶的一般理论其二，变化的程度变化空间小，即在具有准稳定相的区域产生新相，然后由于相界的位移，新相逐渐增长的变化在空间上是不连续的，在时间上是连续的。 51、均匀形核：系统中空间各点出现新相的概率都相同。 非均匀核：新相优先出现在系统内的部分区域。 从液相生长晶体的一般理论在此所提及的均匀，意味着新相出现的概率在亚稳定相的空间的各点是均等的，但应该指出，新相出现的区域仍然可能是局部