晶粒生長的案例
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python模擬晶粒生長
MIT新發現: 熱穩定相變納米晶合金中的高溫誘發細晶現象
【引言】
晶粒生長在自然界無處不在，也是材料科學中最普遍的主題之一。在晶體材料中，晶粒生長起源于本征能量損耗，驅使材料消除晶界，得到熱力學占優的單晶相。晶粒生長的一大特點是其單一性，在特定溫度下隨時間增長，至于晶粒生長與時間和溫度相關性的細節迥異復雜。
【成果簡介】
近日，美國麻省理工學院的Dor Amram博士（通訊作者）在Physical Review Letters上發表了題為“Higher Temperatures Yield Smaller Grains in a Thermally Stable hase-Transforming Nanocrystalline Alloy”的文章。晶態材料的晶粒通常會隨溫度增加而長大。典型的再結晶現象可能會導致暫時的晶粒尺寸減小，而近期合金設計可以使晶粒停滯生長的納米晶材料趨于熱力學穩定。但晶粒并未收縮，因此在高溫下，考慮到熱力學趨勢，會缺少降低晶粒尺寸從而使界面生成的機制。本文中，作者通過設計同素異形相轉變的納米晶合金，回避了界面生成這一范式。作者證明在Fe-Au合金經歷α? γ 轉變循環，高溫相具有穩定的比低溫相更細的晶粒。
【圖文導讀】
圖1：晶粒生長的示意圖。
圖2：納米晶穩定性分布圖。
圖3：Fe95Au5納米晶中的原位晶粒生長和相轉變。
(a)α-Fe和γ-Fe的晶粒尺寸隨時間的變化情況；
(b)帶有Au納米偏析物的α-Fe顯微結構及其轉變為γ-Fe的示意圖。
展開 退火銅晶粒生長模型（熱力耦合），用于TSV、TGV填充晶粒演化（相場模擬） ￥99
結合電子背散射衍射（EBSD）實驗與耦合熱–力的多晶相場模擬，揭示電鍍 TXV-Cu 在退火過程中的晶粒演化行為及其對可靠性的影響;基于相場方法的退火晶粒演化模型，將溫度依賴的界面遷移率、界面能及熱膨脹效應納入描述框架，從而在數值模擬中再現 TXV-Cu 的微觀組織演變過程。該模型不僅能夠為實驗觀察提供理論支撐，還可進一步用于預測不同工藝參數下 TXV-Cu 的組織演化規律，為優化工藝與提升器件可靠性提供指導。
大面積、大規模制備單晶金屬箔片工藝的重大突破
合成單晶金屬的傳統方法是通過塊狀晶體生長（Czochralski或Bridgman方法）。單晶薄金屬膜也可以通過沉積在單晶無機襯底的頂部制備而成。但是，這些方法生產的單晶金屬面積小且價格昂貴。在退火過程中進行晶粒生長，也是消除多晶中晶界的一種常用策略。晶粒生長產生單晶合金金屬板，但僅用于Cu-Al-Mn合金。
【成果簡介】
今日，在韓國基礎科學研究所Rodney S. Ruoff教授和Hyung-Joon Shin教授（共同通訊作者）團隊的帶領下，與蔚山國立科技研究所和成均館大學合作，報道了一種無接觸退火（CFA）策略，實現了通過商業多晶箔片普適性制備大面積單晶金屬箔片。研究人員通過使用多晶金屬箔片為原料，在H2氛圍下，以接近金屬熔點的溫度進行加熱處理，產生大面積的單晶金屬箔片。通過最小化接觸應力實現了32cm2的晶粒生長，從而產生面內和面外優先晶體取向，這一過程受驅于晶格旋轉過程中表面能最小化以及相鄰晶粒互相消耗。這一發現，可以實現大規模的單晶金屬箔片工業化生產。這些單晶金屬箔片在表面科學、基礎催化研究和各種其他應用領域中具有許多用途。相關成果以題為“Colossal grain growth yields single-crystal metal foils by contact-free annealing”發表在了Science上。
展開 
看DEFORM在高溫合金微觀組織計算中的應用
細化晶粒是IN-625合金的強化機制，如下圖所示。細晶粒的鍛件相比粗晶粒鍛件具有更高的屈服和抗拉強度值。另外，在高溫下單個晶粒生長迅速，因此為了滿足機械性能要求，將使用較低的鍛造溫度。
隨著溫度的降低，IN-625合金變形需要的流動應力迅速增加。相反的，在較高溫度下鍛造高溫合金充滿模具型腔過程具有低的流動應力，需要鍛造載荷也較低。高溫鍛造減少了模具中的應力，從而增加了模具壽命。因此，從模具的角度來看，較高的鍛造溫度是優選的。
不幸的是，這些相互競爭的過程正朝著相反的方向發展。鍛造溫度越低，晶粒越細，強度性能越好。而較高的鍛造溫度又能提高模具壽命。
合金的鍛造過程是通過動態、亞動態和靜態再結晶來細化晶粒尺寸。沒有簡單的設計方法可以確保鍛件在不損壞模具的情況下滿足機械性能要求。
在DEFORM模擬中，JMAK模型提供了鍛件晶粒尺寸的實際估計。DEFORM模擬還允許借助模具應力分析來預測模具失效的可能性。因此，鍛造工程師可以研究折衷方案以成功地鍛造IN-625合金零件。
美國DF公司在生產一個IN-625合金的鍛件時，由于零件為了滿足強度要求，需要在低溫下鍛造，但在鍛打過程中存在嚴重的模具失效問題。模具應力分析計算后，發現了與幾次實際鍛造后發生的斷裂相符的過度拉伸應力（上圖紅色區域）。在PRO-FAST開發晶粒尺寸模型的項目中，波特蘭州立大學測試了IN-625，為晶粒尺寸模型提供數據。對典型的IN-625鍛件進行了溫度、應變速率和應變范圍的測試。這些試驗被用來建立再結晶和晶粒生長模型。
JMAK模型在DEFORM軟件鍛造模擬中可以運行，該模型在零件水平上預測平均晶粒尺寸和再結晶百分數。20多年來，IN-718在航天領域的應用已證明是一種實用的生產工程工具。
展開 看初創企業如何通過3D打印進入到航空航天工業？
探索晶粒生長帶來的機會
根據3D科學谷的了解，Castheon主要應用的是粉末床金屬熔融3D打印技術，Castheon在不斷的應用中積累了自己的看法，他們認為激光增材制造是一種微鑄造形式，盡管它基于焊接原理運行。關鍵的區別在于，在焊接過程中，瞬態熱源會迅速熔化并固化材料。在鑄造過程中，它是平衡或準平衡過程（緩慢過程），其中成核，不同的合金成分在晶粒生長階段分配決定了微觀結構和缺陷形成。在焊接或增材制造中，外延生長（沒有成核）和隨后的晶粒生長在熔融固化過程中占主導地位。增材制造提供了一種微觀層面上控制材料結構的方法，這為新材料的性能，新合金的制造奠定了基礎。
Castheon基于金屬3D打印提供制造服務，最初的客戶來源于航空航天，逐漸擴展到每個行業，作為金屬增材制造的早期采用者，Castheon擁有多年的經驗來不斷改進他們的生產工藝。
現在Castheon已經增加了三臺GE旗下的M2機器的產能以滿足客戶需求。然而，真正的競爭力來自于將潛在的問題轉化為技術優勢。Castheon將問題描述為金屬增材制造的科學與技術之間的差距，通過科學的方法來彌補技術之間的差距，并為最佳實踐提供科學依據。很多進入到金屬3D打印的初創企業都容易陷入的誤區是以為購買了設備就可以逐漸贏得市場，這是遠遠不夠的，購買合適的機器只是完成了迎接挑戰的一半。
如今，Castheon還獲得了GE Capital的投資，從對增材制造所創造的新合金新材料的潛能有所發現，到從航空航天擴展到各個行業，再到牽手GE，Castheon展示了創業型企業如何進入到高技術壁壘的金屬3D打印領域的發展之路。
3D科學谷REVIEW
3D科學谷認為，3D打印最容易被業界記住的是無模化以及所釋放的設計自由度。
展開 基于abaqus的非等速生長Voronoi晶體模型生成插件
非等速生長晶體模型簡介
對于標準Voronoi而言，每個晶粒的生長速率是相同的，任意兩個晶粒的交界線為其形核點連線的垂直平分線，交界線為一條直線，如圖1.1所示。
圖1.1 標準Voronoi晶粒交界線
而對于非等速生長Voronoi晶體而言，由于晶粒生長速率的不同，導致兩個晶粒的交界線不再是其連線的垂直平分線，而是轉變為曲線，如圖1.2所示。
圖1.2 非等速生長Voronoi晶粒交界線
標準Voronoi相比于非等速生長Voronoi的另一個區別是：標準Voronoi生成的晶粒是全凸的，而非等速生長Voronoi生成的晶粒是凹的，如圖1.3所示。
展開 幾種元素在鋼中的作用
c、可以降低淬火時鋼的晶粒生長趨勢。
d、鎢鋼刀具有紅熱硬度。
e、可增加鋼的保磁性，故可配入鋼中而制造永久磁鋼。
4、釩 V
釩可以無限量固溶入鋼中，并能阻止奧氏體晶粒的長大，釩在鋼中有脫酸除氧的能力，故含釩的鋼，其斷面結晶密實，此外，釩的作用還有：
a、能提高淬火溫度。
b、改善硬化能力，高溫淬火加熱時，能阻止其晶粒生長。
c、有助于鋼的結晶組織細微化。
5、錳 Mn
錳亦為鋼中的重要元素，其作用及影響如下：
a、添加適量時，錳含量增加可增加鋼的最大強度及硬度。
b、錳有脫氧及脫硫的功效，故錳能發揮鋼的鍛造性與可塑性。
c、錳在鋼中含量多，可降低鋼的淬火溫度。
d、可增進鋼的硬化深度，尤其在含碳量高的由硬性錳鋼最為顯著。
6、鉬 Mo
鉬可增加鋼的最大強度及硬度，因此，在合金鋼中也頗為重要：
a、能改善鋼在高溫下抗拉及潛變強度。
b、在工作紅熱情況下，能使鋼的硬度保持不變。
c、高速工具鋼含鉬，可予以較佳的機器切割性能。
d、合金鋼中加入鉬可去除回火脆性。
7、鈷 Co
鈷為制造合金鋼的重要元素，在鋼中可以生成碳化物，但也可能有不良影響，它具有以下特性：
a、鈷可替代鎳，如增加強度及耐熱等性能。
b、會降低鋼的硬化能。
c、能提高鋼的淬火溫度。
d、增加鋼的保磁能力，故為制造磁石鋼的主要元素。
8、鈦 Ti
鈦在鋼中易與碳形成碳化物TiC，其他特性：
a、鈦在不銹鋼中，可以防止高溫時鉻量的局部減少，維持其防蝕的能力。
b、可以防止合金鋼由高溫緩冷時的脆化現象。
9、銅 Cu
合金鋼中，銅的含量不可以超過1.5%，否則會使鋼變脆，此外：
a、銅在鋼中有抵抗大氣腐蝕的能力，低碳鋼內含銅1%，其抵抗大氣腐蝕性約較不含銅者高出四倍。在不銹鋼中加銅3～4%，亦有助于不銹鋼的防蝕作用。
b、可以增加鋼的強度，但不宜超過0.2%。
展開 非等速生長Voronoi晶體模型生成插件
非等速生長Voronoi晶體模型生成插件
[AbqHyperVoronoi插件]
非等速生長晶體模型簡介
對于標準Voronoi而言，每個晶粒的生長速率是相同的，任意兩個晶粒的交界線為其形核點連線的垂直平分線，交界線為一條直線，如圖1.1所示。
圖1.1 標準Voronoi晶粒交界線
而對于非等速生長Voronoi晶體而言，由于晶粒生長速率的不同，導致兩個晶粒的交界線不再是其連線的垂直平分線，而是轉變為曲線，如圖1.2所示。
功率模塊封裝用高熱導率Si3N4陶瓷的研究進展
中國科學院上海硅酸鹽研究所團隊采用ZrSi2-MgO 燒結助劑制備高熱導率 Si3N4陶瓷， ZrSi2與Si3N4表面的SiO2反應生成ZrO2和β-Si3N4晶粒，其中新生成的 ZrO2 與 MgO 和Si3N4形成 Si-Zr-MgO-N 液相促進了Si3N4的致密化； 而原位生成的 β-Si3N4晶粒作為晶種則促進了晶粒的異常長大。最終，添加 ZrSi2 相較于添加 ZrO2 的熱導率由 84.58 提升至 113.91 W·m-1K-1。但由于晶粒異常長大，以及薄的晶界膜和Si3N4晶粒之間的連接較強，添加 ZrSi2的樣品力學性能較差，彎曲強度僅有 519 MPa，斷裂韌性為 6.27 MPa·m1/2。隨后該團隊采用二元非氧化物燒結助劑 ZrSi2-MgSiN2， 通過形成“缺氧-富氮”的液相，進一步制備了熱導率達 117.32 W·m-1K-1的Si3N4陶瓷， 比采用 ZrO2-MgO 燒結助劑的提升了32%。
山東理工大學團隊研究了 Y2O3-MgO, Y2O3-壓燒結 Si3N4 陶瓷晶粒生長動力學、力學性能和熱導率的影響。研究發現 YF3 與 SiO2 反應生成 SiF4 氣體，可以減少 SiO2 含量，增加 Y2O3/SiO2 的比例，從而有助于提升熱導率。另外，借助經典的 LSW 理論和 Arrhenius 公式研究了 Si3N4 晶粒生長動力學，計算得到晶粒生成指數(n)和生長活化能(Q)。如圖13所示，添加 YF3-MgF2時，n=2.6， Q=587.94±15.35kJ/mol，明顯低于Y2O3-MgO 的 (n=3.4,Q=702.66±11.26 kJ/mol)。
展開 GC r I 5鋼奧氏體晶粒長大規律研究
利用 G l e e b l e 一 3 8 0 0型熱模擬試驗機研究不同加熱 溫度 和保溫 時間下 G C r l 5鋼 的奧氏體 晶粒長 大規
律 。結果表明 ， 奧氏體晶粒隨加熱溫度的升高呈指數關系長大 ， 隨保溫時 間的延長 近似呈拋物線 關系長大 ，
同時 晶粒平均直徑與保溫 時間的關系符合 B e c k方程 ， 溫 度越 高 ， 晶粒生長指數越大 。在 已有模型 的基礎 上 ，
通過對試驗數據進行非線性 回歸得 到了描述 G C r l 5鋼奧氏體晶粒長大規律的數學模型 。
GCR15鋼奧氏體晶粒長大規律研究.PDF
展開 
PET“可樂瓶”灌裝時爆裂，原來是這個因素在作怪！
01
PET結晶原理
PET結晶是通過成核與晶粒生長過程完成的，成核過程往往是在母相基體中分子鏈克服成核能量壁壘達到成核尺寸，只有這種核胚的進一步生長能使系統的自由能降低，這樣晶體才能進一步長大。
PET球晶各生長階段示意圖
成核
PET成核包括均相成核和異相成核，均相成核是分子鏈克服成核能量壁壘從而達到成核的臨界尺寸，異相成核是分子鏈通過在母相基體中的缺陷處成核，能量越高的缺陷越易于促進形核，或在母相中加入成核劑等異相，這些異相能量較高，分子鏈容易在這些異相界面上形成臨界晶核。
晶粒生長
晶體的長大與分子鏈在界面上的遷移速度以及二次成核的速率有關，其次，晶核的長大機制也與晶核的界面結構有關，具有共格、半共格、非共格界面的晶核，其長大機制各不相同，而分子鏈在界面上的遷移速度與溫度密切相關。
展開 哈工程Scripta、MSEA：基于晶界偏聚和位錯調控開發低合金高強塑鎂合金！
但這里有一關鍵問題值得注意，通過后續退火調控細晶鎂合金中位錯時也很容易引起晶粒的顯著長大，可能導致塑性顯著增加，但強度急劇下降。因此，如果能夠抑制退火調控位錯過程中的晶粒生長，有望為開發低合金化高強塑性鎂合金提供一種簡便易行的新方法。
晶界元素偏析是抑制退火過程中晶粒長大的有效手段。因此，研究人員首先對如何提高晶界偏聚水平進行了探索。為準確研究晶界偏聚及其影響，研究者對實驗進行了精心設計，排除其他因素的影響，包括初始晶粒尺寸、織構、晶界類型以及第二相，基于負混合焓和最小化晶界位錯彈性應變原則，發現了添加微量RE元素可以顯著提高鎂合金中常用元素（Zn和Ca）的偏聚濃度，有效抑制退火過程中的晶粒長大（圖1）。另外，也證實晶界偏聚濃度的增加可以提高擠壓合金的屈服強度。利用微量稀土元素添加提高晶界偏聚水平，為設計和開發低合金化高性能鎂合金提供了新思路。（MSEA831 (2022) 142259）
圖1 (a) 無稀土鎂合金和 (c) 含微量稀土鎂合金的晶界偏聚含量; (b) 無稀土鎂合金和 (d) 含微量稀土鎂合金在相同退火條件下的晶粒長大情況；（e）不同退火狀態下含/不含稀土鎂合金的屈服強度。
基于以上晶界偏聚研究，研究者通過合金化設計結合低溫低速擠壓+退火工藝，綜合利用晶界偏聚和位錯調控，提出一種開發低合金化高強塑性鎂合金的新方法。
展開 Nature: 3D打印新的曙光的來臨
該研究團隊在增材制造過程中引入控制固化的納米顆粒成核劑解決了熔融和凝固動力導致具有大柱狀晶粒和周期性裂紋的不可耐受的微觀結構。在使用成核劑后，與增材制造不相容的高強度鋁合金可以使用選區激光熔化成功加工，無裂紋，等軸，實現了細晶粒微觀結構，達到與鍛造材料相當的材料強度。該增材制造方法適用于各種合金，可以使用一系列3D打印機器來實現，為廣泛的工業應用提供了基礎。
【圖文解讀】
圖一 選區激光熔化增材制造合金
中心原理圖表示增材制造過程概況，由此直接能量源（激光或電子束）熔化一層金屬粉末（黃色），
然后固化（紅色至藍色）、熔合到先前（底層）的金屬（灰色）。
圖二 添加金屬原料的納米微粒組裝
組裝方法使得可以生產具有不同納米顆粒的各種原料，其可以被靶向以誘導等軸晶粒生長
圖三 增材制造鋁合金的凝固行為
圖四 3D打印鋁合金機械性能測試
文獻鏈接：3D printing of high-strength aluminium alloys(Nature, 21 September , 2017, DOI: 10.1038/nature23894)
本文源自：材料牛
展開 航空發動機用高溫合金的鑄造、鍛造工藝
所獲得的鑄件產品是多晶體結構，晶粒生長方向也是隨機的。
定向凝固，主要也是用于制造低壓渦輪零部件。基本原理是使用冷卻機構從一端吸收熱量，使得鑄件只沿著一個方向凝固。
單晶凝固是鑄造工藝的特殊應用，只用于承受最高溫度的應用，比如高壓渦輪葉片，燃燒室零部件等。其原理跟定向凝固相同，控制凝固溫度梯度；區別是單晶需要使用籽晶，使得液態金屬凝固時，能夠沿著擇優晶向生長，最終獲得只有一個晶粒的產品。當今世界上先進的發動機高壓渦輪葉片都是100%單晶。什么時候開始的呢？30年前！
單晶爐示意圖：
高溫合金由于其合金化元素超過10種以上，最常見的問題第一個就是偏析，所以，高溫合金必須通過均勻化熱處理消除偏析。當合金錠偏析嚴重無法消除時，可以使用粉末冶金技術，但缺點是成本較高。如下圖，單晶葉片配粉末盤。
鍛造工藝
航空發動機中，使用鍛件的零部件有盤、鼓筒軸、風扇和壓氣機葉片等，主要的制造工藝是：熔煉、轉坯、鍛造、機加、精整。
本文以盤類加工為例。高溫合金盤類零件通常在亞固溶或者過固溶條件下進行等溫鍛或者熱模鍛工藝。為了確保鍛件質量，要求每個零件必須用相同的工藝，并通過高靈敏度的超聲檢測方法進行探傷。
人們想盡各種方法去提高盤件的性能，其中有一個非常有意思的問題：能不能在盤的不同區域按照需要鍛造出不同的結構？（當然，回答這個問題之前，先要搞清楚，什么樣的結構對應于什么樣的性能。）一些先進的盤類鍛造技術被開發出來，可以按照合金成分、盤的幾何形狀進行局部鍛造工藝。產品的特點是不同區域的晶粒度不一樣，盤心細晶、邊緣粗晶。如果鍛造時再配合一定的熱處理工藝，不同區域的顯微組織結構也不一樣。
另一方面，隨著發動機的直徑越來越大，高溫合金盤的尺寸也從150mm增加到超過了800mm。
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