多结晶体中正常结晶粒成长和二次再结晶

3.2.2　多结晶体中正常结晶粒成长和二次再结晶

一次再结晶作用完了以后，继续保温或加热升温坯体，则会发生一次再结晶粒的粗大化现象。尽管不少坯体在原料加工成型过程中，从未发生过晶粒的塑性格子变形，因而也从未发生过一次再结晶作用，但是随着对坯体的不断升温，晶粒的平均尺寸也会逐渐增大，这个过程是缓慢的。但是，晶粒的平均尺寸增大，必然是部分晶粒被生长的晶粒所消耗，从而缩小甚至消失的结果。这个过程称为正常结晶粒成长过程。

产生正常结晶粒成长过程的驱动能，可以分为晶粒自由表面能和晶粒界能两种。当两个颗粒接触，但仍具有自由表面时，这两个结晶粒界面的移动(即晶体生长)可以认为是靠两个结晶粒自由表面能之差驱动，并且结晶粒界朝具有较高自由表面能的颗粒内移动。当驱动能为结晶粒界能时，基本上与下面两种情况有关。一是结晶粒间具有弯曲的界面，弯曲的界面总是朝向曲率半径的中心移动，二是作为晶粒间具有平面界面。在二维空间表现为共有直线粒界而且直线汇聚于一点的三个颗粒界之间具有一定的夹角，各结晶粒界面能相互之间按照粒界保持的角度维持一定的平衡关系。

由于在晶体生长过程中高能量粒子向低能量处集中并放出能量，因此，相对细小的晶粒向外输运构造单位的能力大于相对大的晶粒，所以相对大的晶粒总是处于生长状态而使界面向相对小的颗粒内部移动，其结果是较小的颗粒变小甚至消失而较大的晶粒长大。

在陶瓷或是耐火材料等的加工成型过程中，生坯总会有一定的气孔存在。作为一种异相，气孔的存在总是抑制着正常结晶粒的长大，而有些配料系统在坯体烧结过程中会有液相出现。如果在界面上出现液相(这又是一种异相的存在形式)，也有减缓晶粒生成的倾向。特别是液相浸润了界面，则界面能一定会比只存在晶粒时下降很多，而组成晶体的构造单位经过液膜的扩散再进入晶格要比晶粒界面之间的跃迁慢得多。而且极少量的液相存在，会增强我们后面要讨论到的二次再结晶过程。实际上，在多结晶体的晶体生长过程中，异相微粒的分布及形态是复杂的。下面讨论异相微粒子进入晶格的情况。

二次再结晶是在正常结晶粒生长的基础上异常结晶粒的再长大。异常结晶粒因消耗了正常结晶粒才得以继续长大，所以二次再结晶粒肯定比正常结晶粒要大。二次再结晶粒的最终大小，在很大程度上依赖于原料的颗粒度，如果原料颗粒度比较大，则在原料中存在比原料平均颗粒度还要大的粗颗粒的可能性还是较少的。这种情况下产生二次再结晶核都是困难的。反之，如果原料颗粒度小，则在细晶粒原料中混入少量的大颗粒就不足为奇，在这种情况下，细粒原料中的大颗粒就能成为二次再结晶核继续发育再长大，从而获得只有个别粗粒或全粗粒结构烧结产品。

二次再结晶作用，可使晶体发育成晶形完好的晶体。包围晶体的面当然是比表面能低的面，亦即面网密度大的面。二次再结晶粒粗大化的结果，使多晶体产品内部产生不均匀应力分布，普遍降低了产品的机械强度。

为了阻止二次再结晶作用，抑制晶粒长大，多采取添加物的办法，如生产氧化铝瓷时，添加氧化镁，则可在氧化铝晶粒表面生成新相尖晶石，从而阻止二次再结晶作用。

二次再结晶作用通常在如氧化铍、氧化铝等氧化物烧结制品中，在钛酸盐、铁酸盐、锆钛酸盐等陶瓷中出现。在传统陶瓷、耐火材料和水泥熟料中，由于煅烧过程中液相的出现，二次再结晶作用则普遍存在。这种二次再结晶是由于液相出现后，缺陷多的小颗粒比缺陷少的大颗粒易溶于液相中，小颗粒和大颗粒的溶解度的差异，造成小颗粒的不断熔解甚至消失以及大颗粒通过液相输运所得到的结晶物质构造单位的不断长大。这种二次再结晶作用是原料系统中易熔组分或煅烧过程中低共熔物产生后的正常现象，在这一过程中，即可产生物料颗粒的重排，新相的产生并同时发生着二次再结晶作用，从而获得高致密度的制品。

利用单一的氧化物或多种氧化物复合制备陶瓷时，有时为了降低烧结温度，扩大烧成范围等目的也引入一些助熔剂，从而在烧结过程中也产生了有液相参加的二次再结晶过程。