顯微組織及其發展

異常晶粒成長(abnormal grain growth)

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在一般(正常)晶粒成長中,所有晶粒大致一起變粗,因此組織維持均勻,只是整體放大。異常晶粒成長(abnormal grain growth)則是它醜陋的堂弟:少數幾顆晶粒突然脫隊、瘋狂長大,膨脹到周圍一切的許多倍,整顆吞掉小鄰居,而其餘組織仍舊細小。結果是一種醒目、不均、兩族群(雙峰)的顯微組織——幾顆有時橫跨數百微米的巨大晶粒,孤懸在一片細小晶粒之海中,像幾棵長過頭的樹聳立在草坪上。它也有「誇張晶粒成長」與「不連續晶粒成長」這些生動的別名。

它發生於:抑制晶界運動的正常煞車,突然為少數受寵的晶粒鬆脫。平時,氣孔、第二相顆粒或溶質雲會釘住晶界,讓大家大致同等地被拖住。但若某道晶界從釘住它的氣孔掙脫(晶界脫釘,boundary breakaway),或若一層薄液膜潤濕了某些晶界、讓它們移動快得多,那些幸運的晶粒便不受節制地長大,而鄰居仍卡在原地。一顆尺寸略大、晶界朝向特殊、或恰好坐落在一小攤液相口袋的晶粒,就能贏得這場競賽並失控奔逃,吞掉搆得著的一切。

對大多數結構陶瓷而言,異常晶粒成長是要避免的災難,因為每顆巨大晶粒都是一個大的內建瑕疵,重創強度與可靠度,而它吞併時圍住的氣孔再也無法去除——這正是為什麼過度燒成會讓產品變弱、而非變強。然而同一個失控現象,一旦被理解,就成了工具。刻意誘發的異常成長被用來長出織構化、晶粒定向的壓電材料,甚至藉由讓一顆晶粒吃掉整個坯體,把細多晶轉成單晶(模板法或固態單晶生長)。這個現象被人同等地又懼又求,端看你是否有意讓它發生。

一批 99.5 % 氧化鋁絕緣子在服役中以預期強度的一半破裂。顯微鏡下,一片細緻的 3 微米基質上點綴著偶發的 150 微米板狀晶粒,每一顆都孕育出一條致命裂縫。收緊粉末純度與燒成曲線後,失控晶粒被壓制,強度回復。

3 微米基質中的一顆 150 微米晶粒,其表現像一條既存的大裂縫——單一顆壞晶粒就能拖垮整件產品。

異常晶粒成長不只是「大量的」正常晶粒成長。它是一種獨特的失控,少數晶粒長大、其餘不長,由晶界釘住效應的喪失所驅動——往往可追溯到一點微量雜質或一小攤散落的液相。

又稱
exaggerated grain growthdiscontinuous grain growthsecondary recrystallization誇張晶粒成長不連續晶粒成長