新しい材料の開発は、材料の組成、構造、性能の研究と密接な関係があり、製造方法とも直接的に関連しています。
異なる材料には、異なる製造および合成プロセスが必要です：
金属材料：凝固
セラミック材料：焼結
ポリマー：反応合成
材料の製造プロセスは、物理的、化学的、力学的な性能に大きな影響を与えます。材料の製造プロセスを理解し、材料の製造の基本的な理論、技術、およびプロセス方法を把握することは、材料の選択と使用性能の向上に重要です。
凝固：物質が液体から固体に変わる過程。
結晶化：物質が液体から結晶（固体）に変わる過程。
結晶化は凝固の一形態です。
液体金属の構造特徴#
- 原子の短距離秩序と長距離無秩序
ガス（長距離無秩序）$ \Rightarrow $ 液体（短距離秩序、長距離無秩序）$ \Rightarrow $ 結晶 / 固体（長距離秩序）
- 構造のゆらぎ（相のゆらぎ）
構造のゆらぎ：液体金属中の秩序のある原子集団が瞬間的に現れ、消え、変動し、不定な変化をします。これが金属結晶の構造条件です。
純金属の結晶化過程#
金属結晶化のマクロ現象#
結晶化のマクロ現象は、過冷却現象の発生と結晶化潜熱の生成に主に現れます。
過冷却は金属結晶化のエネルギー条件（熱力学的条件）です。
金属結晶化のミクロ過程#
金属の結晶化は、結晶核の形成と結晶核の成長の 2 つの基本的な過程から成り立っています。
結晶核が成長して結晶粒となります。
形成核 - 結晶核の形成#
2 つの条件：
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構造条件 - 構造のゆらぎ
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エネルギー条件 - エネルギーのゆらぎ
結晶核の 2 つの形成方法：
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自発的な形成核 / 均一な形成核（液体の内部から自発的に結晶核が形成される方法。必要なエネルギーが大きい場合、より大きな過冷却が必要です）
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非自発的な形成核 / 非均一な形成核（液体中の不純物に付着して結晶核が形成される方法。必要なエネルギーが小さく、実際の金属の結晶化では優先的かつ主導的な役割を果たします）
成長 - 結晶核の成長#
結晶核の成長は、原子が液体から固体の表面に移動することです。
純金属および合金の結晶核の成長方法：
- 樹状成長 - 木の成長のように、結晶核は成長する際にまず幹が成長し、その後枝が生えます。その後、枝からさらに小さな枝が生えることもあります（稜角では放熱が速く温度が低い）。枝状成長の結晶粒は枝晶と呼ばれます。
結晶粒の制御#
結晶粒のサイズが金属の性能に与える影響#
常温では、金属の結晶粒がより細かいほど、総合的な機械的性能が向上します。つまり、金属の結晶粒が細かくなると、強度と硬度が向上するだけでなく、延性と靭性も向上します。
結晶粒サイズの評価#
結晶粒度#
結晶粒サイズを評価する指標。一般的には、結晶の平均直径または平均面積で表されます。
工業上では、結晶粒度のグレードで結晶粒サイズを表します。標準結晶粒度は 8 段階に分けられ、1 段階が最も粗く、8 段階が最も細かいです。
結晶粒度に影響を与える要素#
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形成率 N - 単位時間および単位体積の液体金属中で形成される結晶核の数。
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成長速度 G - 単位時間あたりの結晶の成長距離。
比率 $ N/G $ が大きいほど、結晶化後の結晶粒がより細かくなります。逆に、比率が小さいと、結晶粒がより粗くなります。
結晶粒サイズの制御方法#
過冷度の制御#
対策：鋳造温度を下げる。
原理：冷却速度を高める。過冷度が大きいほど、比率 $ N/G $ が大きくなります。
変質処理#
対策：液体金属に変質剤を添加する。
原理：変質剤は非自発的な形成核の核として機能し、形成率 N を向上させます。
振動攪拌#
対策：溶融金属に機械的な振動、超音波振動、および電磁攪拌を行う。
原理：振動攪拌により、成長中の枝晶が破壊され、形成率 N が増加し、同時に自発的な形成核が促進されます。
同素異構転移#
同素異構現象と同素異構体#
一部の金属は、固体状態で 2 つ以上の結晶格子タイプが存在することがあります。この現象を同素異構または多結晶型性と呼びます。
同じ結晶構造が異なる結晶体で存在する場合、その金属の同素異構体と呼ばれます。
同素異構転移#
同じ金属の同素異構体は、一定の条件下で相互に変換されます。同素異構転移は、この固体状態での温度の変化に伴って一つの結晶格子から別の結晶格子への変化の現象です。
純鉄の同素異構転移：
$ \delta-Fe \Leftarrow^{1394^{\circ}C}\Rightarrow \gamma-Fe \Leftarrow^{1394^{\circ}C}\Rightarrow \alpha-Fe $
同素異構転移の特徴#
金属の同素異構転移は、液体金属の結晶化過程と類似しているため、二次結晶または再結晶と呼ばれます。
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同素異構転移には特定の転移温度があり、転移が起こるためには過冷却が必要で、潜熱が放出されます。
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同素異構転移は固体状態で行われるため、大きな過冷却が必要です。
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同素異構体の形成は、形成核、成長プロセスを経て行われ、新しい相の結晶核は通常、既存の相の結晶界または特定の結晶面に形成されます。
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同じ金属の同素異構体は通常、異なる結晶格子密度を持っており、したがって比容も異なります。したがって、転換前後に変化が伴い、内部応力が発生します。
比容：物質の単位重量あたりの体積。
金属鋳造の結晶化#
1：表面細晶領域
2：柱状晶領域
3：中心等軸晶領域
この記事は Mix Space からの同期更新で、xLog にも掲載されています。
元のリンクは https://nishikori.tech/posts/tech/Basic-process-of-material-preparation です。