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金屬顆粒測(cè)量精密儀器-顆粒測(cè)量顯微鏡廠(chǎng)家

(1)

固溶體中的雜質(zhì)原子(Impurity Atoms in Solid Solution)

在晶格中的溶質(zhì)原子和晶界發(fā)生交互作用類(lèi)似再結(jié)晶(即晶核成

長(zhǎng))的一個(gè)重要成因：雜質(zhì)原子與差排作用。假如外來(lái)原子的大小與

晶格原子不同時(shí)，則每一個(gè)外來(lái)原子將導(dǎo)入一個(gè)彈性應(yīng)力場(chǎng)。然而晶

界是晶格不契合的區(qū)域，當(dāng)外來(lái)原子移向晶界附近時(shí)，既可降低晶界

的應(yīng)變能也可降低此外來(lái)原子附近晶格的應(yīng)變能。

這種晶界氛圍(grain- boundary atmospheres)能有效阻止晶界的移動(dòng)。

當(dāng)金屬接近100%純度，其晶粒成長(zhǎng)指數(shù)朝理論值 1/2 增加。另外，當(dāng)溫度愈高時(shí)，

其趨近的速率愈快，即增加退火溫度可以使成長(zhǎng)指數(shù)的值增加。晶粒

成長(zhǎng)指數(shù)與溫度的關(guān)系可假設(shè)為：在高溫下的熱振動(dòng)破壞了晶界之溶

質(zhì)氛圍。

不同溶質(zhì)元素對(duì)阻止晶粒成長(zhǎng)速率的效應(yīng)都不同。例如 Zn 固溶

于 Cu(假設(shè)其它雜質(zhì)不存在)時(shí)，

但當(dāng)含氧 0.01%時(shí)就能有效阻礙銅中的晶粒成長(zhǎng)。這個(gè)差異可能是由

于：不同元素固溶后在晶格制造的應(yīng)變均不同，擾亂晶格結(jié)構(gòu)愈大的

元素，其阻礙晶粒成長(zhǎng)的效應(yīng)也愈大。

(2)以?shī)A雜物形式存在的雜質(zhì)(Impurities in the Form of Inclusions)

溶質(zhì)原子以第二相顆粒或夾雜物存在也能抑制金屬中的晶粒成

長(zhǎng)。它們可以是很小的氧化物、硫化物或矽化物所組成，在制造過(guò)程

中被混入金屬中；也可以是任何細(xì)微且分佈于金屬基地中的第二相顆

粒。

Zener 提出一個(gè)簡(jiǎn)化的夾雜物與晶界交互作用的理論。圖 2.7(a)

為一夾雜物位在以垂直線(xiàn)表示的晶界上之示意圖。圖中的顆粒已被球

狀化，且?jiàn)A雜物與晶界是處在平衡的位置。假如晶界往右邊移動(dòng)，

(3)自由表面的效應(yīng)(The Free-Surface Effects)

試片的幾何形狀對(duì)晶粒成長(zhǎng)也可能會(huì)有影響。在接近金屬自由

面之晶界會(huì)傾向垂直試片表面，它有降低靠近表面之晶界淨(jìng)曲率的效

應(yīng)。這意謂著晶界曲率變成圓柱形而不是球面狀，通常圓柱形表面比

具有相同曲率的球面移動(dòng)速率更慢。

Mullins 指出另一個(gè)關(guān)系到與自由表面交界的晶界之重要現(xiàn)象，

這對(duì)于晶粒成長(zhǎng)的重要性可能大于表面晶界的曲率效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)

為熱凹現(xiàn)象(thermal grooving)，它通常與高溫的退火有關(guān)，凹槽可能

形成在晶界與表面交接的表面。這些溝渠是表面張力直接作用的結(jié)

果。

晶界凹槽對(duì)晶粒成長(zhǎng)是重要的，這是由于它們會(huì)固定住晶界的

末端(它們與表面的接合處)，尤其是當(dāng)晶界幾乎垂直于自由表面時(shí)。

當(dāng)晶界脫離凹槽時(shí)會(huì)增加總表面積，故必須作功才能達(dá)成，因而凹槽

限制了晶界的移動(dòng)。

當(dāng)金屬試片的平均粒度遠(yuǎn)小于試片的尺寸時(shí)，熱凹現(xiàn)象或表面晶

粒曲率的減少對(duì)總成長(zhǎng)速率只有微小的影響。然而，若晶粒大小接近

試片厚度時(shí)，其晶粒成長(zhǎng)速率會(huì)如預(yù)期的變慢。

(4)優(yōu)選方位(Preferred Orientation)

除了晶界氛圍，第二相夾雜物和自由表面效應(yīng)外，還有另一因素

會(huì)影響晶粒成長(zhǎng)，它就是結(jié)晶結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方位。優(yōu)選方位是指在同一

金屬試片中所有的晶粒都其有非常相近的方位。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)

通常其晶粒成長(zhǎng)速率會(huì)降低、

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