細晶材料的制備方法有哪些

『壹』 試說明晶體材料在凝固過程中細化晶粒的原理與方法。滿意的會加分！

1）在液態金屬結晶時，提高冷卻速度，增大過冷度，來促進自發形核。晶核數量愈多，則晶粒愈細。
（2）在金屬結晶時，有目的地在液態金屬中加入某些雜質，做為外來晶核，進行非自發形核，以達到細化晶粒的目的，此方法稱為變質處理。這種方法在工業生產中得到了廣泛的應用。如鑄鐵中加入硅、鈣等。
（3）在結晶過程中，採用機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等，也可使晶粒細化。

『貳』 不存在固態相變的金屬材料如何細晶

沒有固態相變，那麼就

1. 加速液態到固態的相變速度，例如增加冷卻速度，

2. 創造固態相變的條件，例如在高溫下加入晶體，再在低溫下保持更久，可能會有相變.

『叄』 單晶材料的單晶制備方法：

此法為最常用方法，是從結晶物質的熔體中生長晶體。適用於光學半導體，激光技術上需要的單晶材料。
（一）晶體生長的必要條件。
根據晶體生長時體系中存在的——由熔體（m）向晶體（C）自發轉變時——兩相間自由焓的關系：Gm(T)>Gc(T),即△G=Gc(T)-Gm(T)≈△He-Te△Se-△T△Se=△T△Se<0。結晶時, △Se>0，只有△T<0 。熔體單晶體生長的必要條件是：體系溫度低於平衡溫度。體系溫度低於平衡溫度的狀態稱為過冷。△T的絕對值稱為過冷度。過冷度作為熔體晶體生長的驅動力。一般情況：該值越大，晶體生長越快。當值為零時，晶體生長停止。
（二）晶體生長的充分條件
晶體生長是發生在固-液（或晶-液）界面上。通常為保證晶體粒生長只需使固-液界面附近很小區域熔體處於過冷態，絕大部分熔體處於過熱態（溫度高於Te ）。已生長出的晶體溫度又需低於Te。就是說整個體系由熔體到晶體的溫度由過熱向過冷變化。過熱與過冷區的界面為等溫區。此面與晶體生長界面間的熔體為過冷熔體。且過冷度沿晶體生長反方向逐漸增大。晶體的溫度最低。這種由晶體到熔體方向存在的溫度梯度是熱量輸運的必要條件。熱量由熔體經生長面傳向晶體，並由其轉出。
晶體生長的充分條件：（dT/dz）c一定、(dT/dz）m為零時，整個區域熔體處於過冷態，晶體生長速率最大。對於一定結晶物質，過冷度一定時，決定晶體生長速率的主要因素是晶體與熔體溫度梯度（dT/dz）c與（dT/dz）m的相對大小。只有晶體溫度梯度增大，熔體溫度梯度減少，才能提高晶體生長速度。需指出：晶體生長速度並非越大越好，太大會出現不完全生長，影響質量。
（三）晶體生長方法
1 提拉法：提拉法適於半導體單晶Si、Ge及大多數激光晶體。
工藝流程：
1）同成分的結晶物質熔化，但不分解，不與周圍反應。
2）預熱籽晶，旋轉著下降後，與熔體液面接觸，待熔後，緩慢向上提拉。
3）降低坩堝溫度或熔體溫度梯度，不斷提拉籽晶，使其籽晶變大。
4）等徑生長：保持合適的溫度梯度與提拉速度，使晶體等徑生長。
5）收晶：晶體生長所需長度後，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。
6）退火處理晶體。
2 坩堝下降法：
在下降坩堝的過程，能精密測溫，控溫的設備中進行。過熱處理的熔體降到稍高於凝固溫度後，下降至低溫區，實現單晶生長，並能繼續保持。
3 泡生法：
過熱熔體降溫至稍高於熔點，降低爐溫或冷卻籽晶桿，使籽晶周圍熔體過冷，生長晶體。控制好溫度，就能保持晶體不斷生長。
4 水平區熔法：
盛有結晶物質的坩堝，在帶有溫度梯度的加熱器，從高溫區向低溫區移動，完成熔化到結晶過程。
以上四種晶體生長使用的坩堝，應具備：熔點高於工作溫度200℃，不與熔體互熔起化學反應，良好的加工性及抗熱震性，熱膨脹系數與結晶物質相近，常用鉑、銥、鋼、石墨、石英及其它高熔點氧化物。 以水、重水或液態有機物作溶劑的溶液中，可生長完整均勻的大尺寸單晶體。
（一）晶體生長基本原理
1 晶體生長的必要條件：一定溫度條件下，溶液的濃度大於該溫度下的平衡濃度（即飽和濃度）稱過飽和，其大於的程度稱過飽和度，它是溶液法晶體生長的驅動力。
2 晶體生長的充分條件：把溶液的過飽和狀態控制在亞穩定區內，避免進入不穩定或穩定區。
（二）晶體生長方法
1 降溫法：利用不斷降溫並維持溶液亞穩過飽和態，以實現晶體不斷生長的方法。
2 流動法：控制飽和槽和生長槽間溫差及流速並使其處於亞穩過飽和態。維持晶體不斷生長。
3 蒸發法：利用不斷蒸發溶劑，並控制蒸發速度，維持溶液處於亞穩的過飽和狀態，實現晶體的完全生長。
4 電解溶劑法：利用電解原理，不斷從體系中去除溶劑，以維持溶液過飽和狀態，實現晶體不斷生長。關鍵是控制電解電流，即溶劑電解速度保持體系處於亞穩區。
5 凝膠法：兩物質的溶液通過凝膠擴散，相遇，經化學反應，生成結晶物質，並在凝膠中成核，長大。 （一）基本原理
高溫溶液法生長的結晶物質，須在高溫下，溶於助溶劑，形成過飽和溶液。因此，助溶劑選擇，溶液相關系的確定，是溶液生長晶體的先決條件。
助溶劑應具備的條件：
1）對結晶物質有足夠大溶解度，並在生長溫度范圍內，有適宜的溶解度溫度系數。
2）與溶質的作用應是可逆的，形成的晶體是唯一、穩定的。
3）具有盡可能高的沸點及盡可能低的溶點。
4）含有與結晶物質相同的離子。
5）粘滯性不大，利於溶質擴散和能量運輸。
6）無毒、無腐蝕性。
7）可用適當溶液或溶劑溶解。
（二） 晶體生長方法
1 緩冷法及改進技術
以0.2－5℃/h的速度，使處在過飽和態的高溫溶液降溫，先慢後快，防止過多成核。溫度降到出現其它相或溶解的溫度系數近於0時，較快速降溫。並用適當的溶劑溶掉凝固在晶體周圍的溶液，便得晶體。
改進技術
（1）坩堝局部過冷（2）採用復合助熔劑（3）變速旋轉坩堝（4）刺破坩堝以利於分離。
2 助溶劑揮發法:恆溫下藉助助溶劑的揮發，使溶液保持亞穩定過飽和態，以保持晶體生長。
3 籽晶降溫法：引入籽晶後，靠不斷降溫維持溶液的亞穩定過飽和度，保持晶體不斷生長。
晶體是十分奇妙、美麗而又用途巨大，而自然界中天然形成的晶體多含有大量的缺陷，從而影響到它的應用。在實驗室中，採用精巧的設備，嚴格設定晶體生長所需的溫度、氣氛和組分，通過嚴格控制的條件可以生長出符合需要的高質量晶體。 （一）基本原理
利用運輸反應來控制反應的進行，其生成物必須是揮發性的，且要有唯一穩定的固體相（所希望的）生成，ΔG→0?反應易為可逆，平衡時，反應物與生成物有足夠的量。
（二） 晶體生長方法
1 升華法
將固體順著溫度梯度通過晶體在管子的冷端從氣相中生長的方法。
即：在高溫區蒸發原料，利用蒸氣的擴散，讓固體順著溫度梯度通過晶體在冷端形成並生長的方法。
固→氣→固常壓升華
常壓升華（P>1 atm）：As、P、CdS
減壓升華（P<1 atm）：雪花、ZnS、CdSe、HgI2
2 蒸氣運輸法
在一定的環境相下?利用運載氣體來幫助源的揮發和運輸?從而促進晶體生長的方法。通常採用鹵素作運輸劑。在極低的氯氣壓力下觀察鎢的運輸?發現在加熱的鎢絲中，鎢從較冷的一根轉移到較熱的一根上。
冷端：W+3Cl2↹WCl6
W以氯化物的形式揮發；熱端、分解、沉積出W，規則排列，生長出單晶體。此法常用來提純材料和生長單晶體。不僅可以生長純金屬單晶，也可用於生長二元或三元化合物。如：ZnIn2S4、HgGa2S2、ZnSiP2。
3 氣相反應生長法讓各反應物直接進行氣相反應生成晶體的方法。成為工業上生產半導體外延晶體的重要方法之一，常用於制膜，如TiC、GaAs。
目前人類科技的鎳基單晶材料共有五代。

『肆』 金屬材料常用的強化方式及機理是什麼

金屬材料常用的強化方式有細晶強化、固溶強化、第二相強化、加工硬化。

1 細晶強化

通過細化晶粒而使金屬材料力學性能提高的方法稱為細晶強化，工業上將通過細 化晶粒以提高材料強度。

其原理是通常金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內晶粒的數目 來表示，數目越多，晶粒越細。

二．固溶強化

合金元素固溶於基體金屬中造成一定程度的晶格畸變從而使合金強度提高 的現象。

原理：融入固溶體中的溶質原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力， 使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。

三．第二相強化

復相合金與單相合金相比，除基體相以外，還有第二相得存在。當第二相以細小 彌散的微粒均勻分布於基體相中時，將會產生顯著的強化作用。

原理：它們與位錯間的交互作用，阻礙了位錯 運動，提高了合金的變形抗力。 對於位錯的運動來說，合金所含的第二相有以下兩種情況：

1、不可變形微粒的強化作用。

2、可變形微粒的強化作用。 彌散強化和沉澱強化均屬於第二相強化的特殊情形。

四．加工硬化

隨著冷變形程度的增加，金屬材料強度和硬度指標都有所提高，但塑性、 韌性有所下降。

原理：金屬在塑性變形時，晶粒發生滑移，出 現位錯的纏結，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內部產生了殘余應力等。

(4)細晶材料的制備方法有哪些擴展閱讀：

金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。

①黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括雜質總含量<0.2%及含碳量不超過0.0218%的工業純鐵，含碳0.0218%~2.11%的鋼，含碳大於 2.11%的鑄鐵。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。

②有色金屬是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等，有色合金的強度和硬度一般比純金屬高，並且電阻大、電阻溫度系數小。

③特種金屬材料包括不同用途的結構金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態金屬材料，以及准晶、微晶、納米晶金屬材料等；還有隱身、抗氫、超導、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金以及金屬基復合材料等。

金屬材料的疲勞現象，按條件不同可分為下列幾種：

⑴高周疲勞：指在低應力（工作應力低於材料的屈服極限，甚至低於彈性極限）條件下，應力循環周數在100000以上的疲勞。它是最常見的一種疲勞破壞。高周疲勞一般簡稱為疲勞。

⑵低周疲勞：指在高應力（工作應力接近材料的屈服極限）或高應變條件下，應力循環周數在10000~100000以下的疲勞。由於交變的塑性應變在這種疲勞破壞中起主要作用，因而，也稱為塑性疲勞或應變疲勞。

⑶熱疲勞：指由於溫度變化所產生的熱應力的反復作用，所造成的疲勞破壞。

⑷腐蝕疲勞：指機器部件在交變載荷和腐蝕介質（如酸、鹼、海水、活性氣體等）的共同作用下，所產生的疲勞破壞。

⑸接觸疲勞：這是指機器零件的接觸表面，在接觸應力的反復作用下，出現麻點剝落或表面壓碎剝落，從而造成機件失效破壞。

『伍』 晶體材料制備的方法有哪些，簡述其原理

人工晶體的制備就是把組成晶體的基元（原子、分子或離子）解離後又重新使它們組合的過程。按照晶體組分解離手段的不同，人工晶體的制備主要有三大類：熔體法、溶液法和氣相法。
一種晶體選擇何種技術生長，取決於晶體的物理、化學性質和應用要求。選擇的一般原則是：
♣有利於快速生長出具有較高實用價值、符合一定技術要求的晶體；
♣有利於提高晶體的完整性，嚴格控制晶體中的雜質和缺陷；
♣有利於提高晶體的利用率、降低成本。生長大尺寸的晶體始終是晶體生長工作者追求的
重要目標；
♣有利於晶體的後加工和器件化；
♣有利於晶體生長的重復性和產業化；
⒈溶液法生長
溶液法的基本原理是將原料（溶質）溶解在溶劑（如水）中，採取適當的措施造成溶液的過飽和狀態，使晶體在其中生長。具體地包含有水溶液法、水熱法與助熔劑法等。
⑴降溫法
基本原理:
利用物質大的溶解度和較大的正溶解度溫度系數，在晶體生長過程中逐漸降低溫度，使析出的溶質不斷在晶體上生長。
關鍵：晶體生長過程中掌握適合的降溫速度，使溶液始終處在亞穩態區內並維持適宜的過
飽和度。
要求：物質溶解度溫度系數不低於1.5g/kg℃。
⑵恆溫蒸發法
基本原理：
將溶劑不斷蒸發，使溶液保持在過飽和狀態，從而使晶體不斷生長。
特點：
比較適合於溶解度較大而溶解度溫度系數很小或者是具有負溫度系數的物質。與流動法一樣也是在恆溫條件下進行的。
(3)溫差水熱法
基本原理：
使用特殊設計的裝置，人為地創造一個高溫高壓環境，由於高溫高壓下水的解離常數增大、黏度大大降低、水分子和離子的活動性增加，可使那些在通常條件下不溶或難溶於水的物質溶解度、水解程度極大提高，從而快速反應合成新的產物。

『陸』 細晶強化的原理以及金屬性能

鎂合金具有良好的生物兼容性、最高的比強度和比剛度、優異的工藝性能、較好的耐腐蝕性能、良好的導熱、減振及電磁屏蔽性以及原材料豐富、切削加工簡單和回收容易等優點。鎂合金被認為是制備電器產品殼體、運輸工具和航天飛行器零部件最具前途的結構材料。然而，鎂合金的強度、塑性和韌性有待進一步提高。快速凝固(RS)技術可有效地細化合金晶粒、減少偏析，從而有望大幅度提高鎂合金的力學性能。往復擠壓(RE)是一種等體積大塑性變形技術，可以在不改變原始形狀下，制備細晶材料。 研究了RE制備超細組織、高強高韌鎂合金的強化機理及快速凝固薄帶的焊合機制。研究包括的主要內容和獲得的主要結論有： 基於RS原理完善了KND-Ⅱ型單輥快速凝固中試系統，在冷卻速度介於1.14×10~6 K·s~(-1)～4.12×10~7K·s~(-1)條件下，制備的RS-Mg-Zn-Y合金薄帶組織由過飽和α-Mg固溶體和少量在α-Mg晶粒間分布的Z相及其它金屬間化合物構成，薄帶組織存在微弱的微觀偏析。薄帶晶粒尺寸小於5μm。 研製了可在普通立式壓力機上實現多道次RE裝置，並採用該裝置對CT及RS狀態下的Mg-Zn-Y合金進行了RE。RE可促使RE-n-EX-CT-Mg-Zn-Y合金基體通過破碎和反復動態再結晶細化；晶界網狀化合物通過破碎細化，並隨材料的流動而發生位置遷移，最終均勻分布在基體上。提高RE道次，組織變得更均勻。RE是一種提高RE-n-EX-CT-Mg-Zn-Y鎂合金強度和塑性的有效方法。 RE過程中，每一道次的名義應變速率是0.1503s~(-1)。溫度介於300℃～350℃范圍RE可以使材料內積累較高的真應變，有利於獲得大的Zener-Hollomon參數Z~*值，促進原子擴散及析出相形核和長大；在獲得高緻密、高機械性能的同時，有利於RS薄帶的焊合。 RE後，RE-n-EX-RS-Mg-Zn-Y合金強化相顆粒由三部分組成：第一類是原薄帶晶粒內部凝固時的強化相，為～100nm。RE使第一類強化相在組織中分布更均勻，但大小基本不變；第二類是原薄帶晶粒界面上的網狀化合物經RE破碎形成的不規則顆粒，尺寸為～0.5μm；第三類為RE過程脫溶形成的沉澱相，尺寸一般為70nm左右，彌散分布於α-Mg基體中。RE後RE-n-EX-RS-Mg-Zn-Y合金獲得了較高的拉伸強度(RE-n-EX-RS-B1和RE-n-EX-RS-B2合金的拉伸強度大於400MPa)、屈強比(大於0.8，其中RE-n-EX-RS66合金接近1)和伸長率(RE-n-EX-RS66合金的伸長率大於20％)。往復擠壓獲得高強韌快速凝固Mg-Zn-Y合金的強化機制包括細晶強化、固溶強化、位錯強化、沉澱析出和彌散分布強化以及位錯間的摩擦阻力強化機制。其中，細晶強化和Orowan強化機制是主要的強化機制。 在100～150℃溫度范圍，Mg-Zn-Y合金熱(線)膨脹系數與制備工藝有關，材料的膨脹系數由大到小順序為：α_tCT-Mg-Zn-Y＞α_tRE-n-EX-CT-Mg-Zn-Y＞α_tRE-n-EX-RS-Mg-Zn-Y。RE結合RS可以獲得低膨脹系數的Mg-Zn-Y合金。

『柒』 舉例說明工業中常採取哪些措施進行細晶強化

通過細化晶粒而使金屬材料力學性能提高的方法稱為細晶強化工業上將通過細化晶粒以提高材料強度的方法稱為細晶強化。通常金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內晶粒的數目來表示，數目越多，晶粒越細。實驗表明，在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強度、硬度、塑性和韌性。這是由於細晶粒遭到外力產生塑性變形可分散在更多的晶粒內進行，塑性變形較均勻，應力集中較小；另外，晶粒越細，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利於裂紋的擴大。故工業上將通過細化晶粒以提高材料強度的方法稱為細晶強化。細晶強化有以下方法：1，增加過冷度；2，變質處理；3，振動與攪拌。
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『捌』 金屬材料細晶強化理論及強化方法總結

1，增加過冷度；
2，變質處理；
3，振動與攪拌；
4，對於冷變形的金屬可以通過控制變形度，退火溫度來細化晶粒

『玖』 細化晶粒為什麼能提高材料的強度又提高材料的塑性和韌性

因為通過細化晶粒，金屬材料力學性得到了提高：細晶粒受到外力發生塑性變形可分散在更多的晶粒內進行，塑性變形較均勻，應力集中較小。

通常金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內晶粒的數目來表示，數目越多，晶粒越細。實驗表明，在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強度、硬度、塑性和韌性。

這是因為細晶粒受到外力發生塑性變形可分散在更多的晶粒內進行，塑性變形較均勻，應力集中較小；此外，晶粒越細，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利於裂紋的擴展。

(9)細晶材料的制備方法有哪些擴展閱讀

細化晶粒的方法有以下四種：

1、增加過冷度：過冷度增加，形核率與長大速度都增加，但兩者的增加速度不同，形核率的增長率大於長大速度的增長率。在一般金屬結晶時的過冷范圍內，過冷度越大，晶粒越細小。

2、變質處理：向金屬液中添加少量活性物質，促進液體金屬內部生核或改變晶體成長過程的一種方法，生產中常用的變質劑有形核變質劑和吸附變質劑。

3、振動與攪拌。

4、對於冷變形的金屬可以通過控制變形度，退火溫度來細化晶粒。

『拾』 如何獲得細晶材料

鑄造時採用以下措施，可以細化晶粒：
1，增加過冷度；
2，變質處理；
3，振動與攪拌；
合金成分中可以添加微量元素抑制晶粒長大；
熱處理時採用快速冷卻方法可細化晶粒；
固溶——時效處理可以適當細化晶粒尺寸；
進行塑性變形和適當的退火工藝可以細化晶粒。