顯微組織及其發展

晶粒成長(grain growth)

看一盤肥皂泡沫靜置:小泡泡慢慢消失,大泡泡漲大,直到幾個大泡填滿了原本數十個小泡佔據的空間。多晶陶瓷在火裡做的正是這件事。晶粒成長(grain growth)是燒成過程中平均晶粒尺寸的增大,晶界遷移、較大的晶粒吞掉較小的鄰居。一個滿是細小晶粒的組織帶著極大量的高能晶界面積,而大自然寧可少一點——於是晶界掃過,小晶粒縮小、消失,平均晶粒隨時間變粗。

其引擎是晶界曲率。一道像泡壁般彎曲的晶界會感受到一股把它推向曲率中心的壓力;晶界總傾向朝它的凹側遷移,這意味著一顆小晶粒(從小晶粒看去其晶界向外凸)縮小,而它較大的鄰居長大。平均晶粒尺寸 d 便隨燒成時間 t 以冪次律粗化:d^n 減 d0^n 等於 K times t,其中 d0 是起始尺寸,K 隨溫度陡升(遵循阿瑞尼士律,K 正比於 exp(minus Q over R T)),指數 n 在理想、乾淨的晶粒成長時約為 2,而當氣孔、溶質或第二相拖住晶界時則更大(3 或以上)。

晶粒成長之所以重要,因為它是緻密化的長期對手。兩者都由同一個降低能量的意願驅動,也都在燒得更熱時加速——但緻密化要晶界把氣孔掃向表面,晶粒成長卻要晶界越過氣孔、把它們拋在後面、困在再也無法去除的晶粒內部。晶粒越粗通常也意味著強度越低(大晶粒是更大的潛在瑕疵)。因此整個燒成的藝術,就是給晶界剛好夠的移動性去閉合氣孔,卻不至於多到讓晶粒成長先失控。有時我們反而想要粗晶——為了半透明、或低損耗的磁性——那時就鼓勵晶粒成長,而非對抗它。

在 1500 度 C 燒一小時的氧化鋁達到 2 微米晶粒與 99 % 密度。若改燒八小時,晶粒粗化到 8 微米,密度卻幾乎沒進步——而幾個原本正要離開的氣孔被長大的晶粒趕上並封在內部,於是燒得更久反而讓產品更弱。

在爐裡待更久並不總是更好:過了某個點,晶粒成長會勝出,把強度往下拖。

晶粒成長不等於燒結。燒結去除氣孔、提高密度;晶粒成長只是重新安排晶粒、不增加密度。一件產品可能晶粒大幅長大卻幾乎不緻密——兩頭落空的最壞情況。

又稱
normal grain growthgrain coarsening晶粒長大晶粒粗化