金屬學(xué)與熱處理第五章課件

1、1.1. 形變金屬材料退火過(guò)程中的組織形變金屬材料退火過(guò)程中的組織和性能變化和性能變化2.2. 回復(fù)回復(fù) 3.3. 再結(jié)晶再結(jié)晶 4.4. 晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大 5.5. 金屬的熱加工金屬的熱加工 內(nèi)容目錄內(nèi)容目錄引引 言言形變儲(chǔ)能形變儲(chǔ)能彈性應(yīng)變能彈性應(yīng)變能(312%)晶格畸變能晶格畸變能(8090%)退火退火將材料加熱到一定溫度保持一定時(shí)間將材料加熱到一定溫度保持一定時(shí)間的熱處理工藝，按目的又可分為去應(yīng)的熱處理工藝，按目的又可分為去應(yīng)力退火、成分均勻化退火等多種。力退火、成分均勻化退火等多種。形變儲(chǔ)能使金屬內(nèi)能升高，處于熱力學(xué)亞穩(wěn)狀態(tài)。退火時(shí)，形變儲(chǔ)能使金屬內(nèi)能升高，處于熱力學(xué)亞穩(wěn)狀態(tài)。退火時(shí)

2、，原子活動(dòng)能力升高，形變金屬?gòu)膩喎€(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，而形原子活動(dòng)能力升高，形變金屬?gòu)膩喎€(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，而形變儲(chǔ)能則是形變金屬退火過(guò)程中組織變化的驅(qū)動(dòng)力。變儲(chǔ)能則是形變金屬退火過(guò)程中組織變化的驅(qū)動(dòng)力。第一節(jié)第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化與性能變化 1.1 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶回回 復(fù)復(fù)冷變形金屬低溫加熱時(shí)，顯微組織無(wú)可冷變形金屬低溫加熱時(shí)，顯微組織無(wú)可見(jiàn)變化，但其物理、力學(xué)性能卻部分恢見(jiàn)變化，但其物理、力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前的過(guò)程。復(fù)到冷變形以前的過(guò)程。再結(jié)再結(jié)晶晶冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，在變冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，在變形組織內(nèi)部新的無(wú)畸變

3、的等軸晶粒逐漸形組織內(nèi)部新的無(wú)畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強(qiáng)化效應(yīng)完全取代變形晶粒，而使形變強(qiáng)化效應(yīng)完全消除的過(guò)程。消除的過(guò)程。u 回復(fù)階段回復(fù)階段：顯微組織仍為纖維狀，無(wú)可見(jiàn)變化；：顯微組織仍為纖維狀，無(wú)可見(jiàn)變化；u 再結(jié)晶階段再結(jié)晶階段：變形晶粒通過(guò)形核長(zhǎng)大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌模鹤冃尉ЯＭㄟ^(guò)形核長(zhǎng)大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌?無(wú)畸變的等軸晶粒。無(wú)畸變的等軸晶粒。u 晶粒長(zhǎng)大階段晶粒長(zhǎng)大階段：晶界移動(dòng)、晶粒粗化，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的：晶界移動(dòng)、晶粒粗化，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的 形狀和尺寸。形狀和尺寸。1.2 顯微組織變化顯微組織變化1.2 顯微組織變化顯微組織變化回回 復(fù)復(fù) 階階 段段： 強(qiáng)度、硬度略有下降

4、，塑性略有提強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提 高。高。再再 結(jié)結(jié) 晶晶 階段階段： 強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大 階段階段： 強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降, ,塑性繼續(xù)提高，塑性繼續(xù)提高， 粗化嚴(yán)重時(shí)塑性也下降。粗化嚴(yán)重時(shí)塑性也下降。密密 度度: : 在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急劇升高；在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急劇升高；電電 阻阻： 電阻在回復(fù)階段可明顯下降。電阻在回復(fù)階段可明顯下降。形變儲(chǔ)能形變儲(chǔ)能： 回復(fù)階段部分釋放，再結(jié)晶至長(zhǎng)大初期完全釋放?；貜?fù)階段部分釋放，再結(jié)晶至長(zhǎng)大初期完全釋放。1.3 性能變化性能變化力學(xué)

5、性能力學(xué)性能物理性能物理性能回回 復(fù)復(fù) 階段階段： 大部分或全部消除第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力，大部分或全部消除第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力，部分消除第二、三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力；部分消除第二、三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力；再結(jié)晶階段再結(jié)晶階段： 內(nèi)應(yīng)力可完全消除。內(nèi)應(yīng)力可完全消除。1.4 內(nèi)應(yīng)力變化內(nèi)應(yīng)力變化所謂回復(fù)，即在加熱溫度較低時(shí)，僅因金屬所謂回復(fù)，即在加熱溫度較低時(shí)，僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移而引起的某些中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移而引起的某些晶內(nèi)的變化。晶內(nèi)的變化?；貜?fù)階段一般加熱溫度在回復(fù)階段一般加熱溫度在0.4T0.4Tm m以下。以下。第二節(jié)第二節(jié) 回回 復(fù)復(fù) 低溫階段低溫階段 點(diǎn)缺陷的遷移和減少點(diǎn)缺陷的遷移和減少, , 表現(xiàn)為

6、表現(xiàn)為: :- 空位與間隙原子的相遇而互相中和空位與間隙原子的相遇而互相中和- 空位或間隙原子運(yùn)動(dòng)到刃位錯(cuò)處消失，引起位錯(cuò)的攀移空位或間隙原子運(yùn)動(dòng)到刃位錯(cuò)處消失，引起位錯(cuò)的攀移- 點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)到界面處消失。點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)到界面處消失。中溫階段中溫階段: : p纏結(jié)位錯(cuò)重新組合纏結(jié)位錯(cuò)重新組合; ; p異號(hào)位錯(cuò)抵消異號(hào)位錯(cuò)抵消, , 位錯(cuò)密度略有降低。位錯(cuò)密度略有降低。p亞晶粒長(zhǎng)大。亞晶粒長(zhǎng)大。2.1 回復(fù)機(jī)制回復(fù)機(jī)制 高溫階段回復(fù)：高溫階段回復(fù)：1)1) 位錯(cuò)攀移和位錯(cuò)環(huán)縮??；位錯(cuò)攀移和位錯(cuò)環(huán)縮??；2)2) 亞晶粒合并；亞晶粒合并；3)3) 多邊化。多邊化。 多邊化多邊化 是指冷變形金屬加是指冷變形

7、金屬加熱時(shí)，原來(lái)處于滑移面上的熱時(shí)，原來(lái)處于滑移面上的位錯(cuò)，通過(guò)滑移和攀移形成位錯(cuò)，通過(guò)滑移和攀移形成與滑移面垂直的亞晶界的過(guò)與滑移面垂直的亞晶界的過(guò)程。多變化的驅(qū)動(dòng)力是彈性程。多變化的驅(qū)動(dòng)力是彈性應(yīng)變能的降低。應(yīng)變能的降低。2.1 回復(fù)機(jī)制回復(fù)機(jī)制 上圖中硬化分?jǐn)?shù)上圖中硬化分?jǐn)?shù) R R 表示為：表示為：R=(s sm-s sr)/(s sm-s s0)；s sm、s sr、s s0分別為變形后、回復(fù)后以及完全退火后的屈服應(yīng)力。分別為變形后、回復(fù)后以及完全退火后的屈服應(yīng)力。2.2 回復(fù)動(dòng)力學(xué)回復(fù)動(dòng)力學(xué) 冷變形材料性能的回冷變形材料性能的回復(fù)程度與回復(fù)處理的復(fù)程度與回復(fù)處理的時(shí)間和溫度有關(guān)。時(shí)間

8、和溫度有關(guān)?；貜?fù)過(guò)程是熱激活過(guò)回復(fù)過(guò)程是熱激活過(guò)程，轉(zhuǎn)變的速度決定程，轉(zhuǎn)變的速度決定于原子的活動(dòng)能力。于原子的活動(dòng)能力。u 降低應(yīng)力降低應(yīng)力 （保持加工硬化效果）（保持加工硬化效果）u 防止工件變形、開(kāi)防止工件變形、開(kāi) 裂，提高耐蝕性。裂，提高耐蝕性。2.3 回復(fù)應(yīng)用回復(fù)應(yīng)用 去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火p 冷變形后的金屬加熱到一定溫度冷變形后的金屬加熱到一定溫度(一般大于一般大于0.4Tm)或保溫足夠時(shí)間后，在原來(lái)的變形組織中產(chǎn)生了或保溫足夠時(shí)間后，在原來(lái)的變形組織中產(chǎn)生了無(wú)畸變的新晶粒無(wú)畸變的新晶粒;p 新生成的晶粒逐漸全部取代塑性變形過(guò)的晶粒，新生成的晶粒逐漸全部取代塑性變形過(guò)的晶粒，位錯(cuò)密度顯

9、著降低，性能發(fā)生顯著變化并恢復(fù)到位錯(cuò)密度顯著降低，性能發(fā)生顯著變化并恢復(fù)到冷變形前的水平，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為再結(jié)晶。冷變形前的水平，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為再結(jié)晶。p 再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也是變形儲(chǔ)能的降低。再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也是變形儲(chǔ)能的降低。第三節(jié)第三節(jié) 再結(jié)晶再結(jié)晶 3.1 再結(jié)晶的基本過(guò)程再結(jié)晶的基本過(guò)程3.2 再結(jié)晶形核再結(jié)晶形核再結(jié)晶的形核是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。最初人們嘗試再結(jié)晶的形核是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。最初人們嘗試用經(jīng)典的形核理論來(lái)處理再結(jié)晶過(guò)程，但計(jì)算用經(jīng)典的形核理論來(lái)處理再結(jié)晶過(guò)程，但計(jì)算得到的臨界晶核半徑過(guò)大，與試驗(yàn)結(jié)果不符。得到的臨界晶核半徑過(guò)大，與試驗(yàn)結(jié)果不符。大量實(shí)驗(yàn)表明，再結(jié)晶晶核總是在塑性變形引大量實(shí)

10、驗(yàn)表明，再結(jié)晶晶核總是在塑性變形引起的最大畸變處形成，并且回復(fù)階段發(fā)生的多起的最大畸變處形成，并且回復(fù)階段發(fā)生的多邊形化是再結(jié)晶形核的必要準(zhǔn)備。邊形化是再結(jié)晶形核的必要準(zhǔn)備。回復(fù)階段，塑性變形所形成的胞狀組織經(jīng)多邊化發(fā)展成亞回復(fù)階段，塑性變形所形成的胞狀組織經(jīng)多邊化發(fā)展成亞晶，其中亞晶長(zhǎng)大形核的方式有晶，其中亞晶長(zhǎng)大形核的方式有亞晶合并亞晶合并和和亞晶界移動(dòng)亞晶界移動(dòng)兩兩種機(jī)制。種機(jī)制。3.2.1 亞晶粒長(zhǎng)大形核機(jī)制亞晶粒長(zhǎng)大形核機(jī)制亞晶粒長(zhǎng)大形核一般在受大變形度的材料中發(fā)生。亞晶粒長(zhǎng)大形核一般在受大變形度的材料中發(fā)生。a. a. 亞晶合并機(jī)制亞晶合并機(jī)制 相鄰亞晶界的位錯(cuò)，通過(guò)滑移和攀移轉(zhuǎn)移

11、相鄰亞晶界的位錯(cuò)，通過(guò)滑移和攀移轉(zhuǎn)移到周?chē)Ы缁騺喚Ы缟?，?dǎo)致原來(lái)亞晶界到周?chē)Ы缁騺喚Ы缟希瑢?dǎo)致原來(lái)亞晶界的消失，最后通過(guò)原子擴(kuò)散和位置的調(diào)整，的消失，最后通過(guò)原子擴(kuò)散和位置的調(diào)整，使兩個(gè)或多個(gè)亞晶粒的取向變?yōu)橐恢?，合使兩個(gè)或多個(gè)亞晶粒的取向變?yōu)橐恢?，合并成為一個(gè)大的亞晶粒，成為再結(jié)晶的晶并成為一個(gè)大的亞晶粒，成為再結(jié)晶的晶核。核。如上圖，晶粒中某些局部位錯(cuò)密度很高的亞晶界向如上圖，晶粒中某些局部位錯(cuò)密度很高的亞晶界向周邊移動(dòng)，吞并相鄰的變形基體和亞晶而成長(zhǎng)為再周邊移動(dòng)，吞并相鄰的變形基體和亞晶而成長(zhǎng)為再結(jié)晶晶核。結(jié)晶晶核。b. b. 亞晶界移動(dòng)機(jī)制亞晶界移動(dòng)機(jī)制 當(dāng)金屬的變形度較小時(shí)，金屬

12、變形是不均勻的。若晶界兩邊一當(dāng)金屬的變形度較小時(shí)，金屬變形是不均勻的。若晶界兩邊一個(gè)晶粒的位錯(cuò)密度高，另一個(gè)位錯(cuò)密度低，加熱時(shí)晶界會(huì)向密個(gè)晶粒的位錯(cuò)密度高，另一個(gè)位錯(cuò)密度低，加熱時(shí)晶界會(huì)向密度高的一側(cè)突然移動(dòng)，高密度一側(cè)的原子轉(zhuǎn)移到位錯(cuò)低的一側(cè)，度高的一側(cè)突然移動(dòng)，高密度一側(cè)的原子轉(zhuǎn)移到位錯(cuò)低的一側(cè)，新的排列應(yīng)為無(wú)畸變區(qū)，這個(gè)區(qū)域就是再結(jié)晶核心。新的排列應(yīng)為無(wú)畸變區(qū)，這個(gè)區(qū)域就是再結(jié)晶核心。 3.2.2 晶界凸出形核機(jī)制晶界凸出形核機(jī)制 和結(jié)晶形核方式類(lèi)似，晶界彎曲后，一方面晶界和結(jié)晶形核方式類(lèi)似，晶界彎曲后，一方面晶界的彎曲面因面積增加會(huì)增加界面能，另一方面形的彎曲面因面積增加會(huì)增加界面能，

13、另一方面形核區(qū)中原變形區(qū)內(nèi)有應(yīng)變能的釋放。核區(qū)中原變形區(qū)內(nèi)有應(yīng)變能的釋放。3.2.2 晶界凸出形核機(jī)制晶界凸出形核機(jī)制 晶界凸出形核現(xiàn)象在銅、鎳、銀、鋁及晶界凸出形核現(xiàn)象在銅、鎳、銀、鋁及鋁鋁- -銅合金中曾直接觀察到。銅合金中曾直接觀察到。 變形晶粒晶界附近的原子變形晶粒晶界附近的原子移動(dòng)到新的未變形晶粒上，移動(dòng)到新的未變形晶粒上，從而可以減少變形應(yīng)變能，從而可以減少變形應(yīng)變能，新晶粒不斷長(zhǎng)大到相遇，新晶粒不斷長(zhǎng)大到相遇，最后全部為新晶粒，再結(jié)最后全部為新晶粒，再結(jié)晶完成。晶完成。 t0時(shí)間時(shí)間t t半半徑徑R RdR/dt = G晶粒彼此接觸晶粒彼此接觸孕育期孕育期3.3 核心的長(zhǎng)大核心的

14、長(zhǎng)大 原子結(jié)合力大，熔點(diǎn)高的材料，再結(jié)晶進(jìn)行較慢；原子結(jié)合力大，熔點(diǎn)高的材料，再結(jié)晶進(jìn)行較慢； 材料的純度，純凈材料如純金屬，進(jìn)行較快，而溶材料的純度，純凈材料如純金屬，進(jìn)行較快，而溶入了其它元素，特別是易在晶界處存在聚集的元素入了其它元素，特別是易在晶界處存在聚集的元素時(shí)，將降低再結(jié)晶的速度；時(shí)，將降低再結(jié)晶的速度； 第二相質(zhì)點(diǎn)特別是呈彌散分布時(shí)，將明顯降低再結(jié)第二相質(zhì)點(diǎn)特別是呈彌散分布時(shí)，將明顯降低再結(jié)晶的速度。晶的速度。 材料因素材料因素3.4 影響再結(jié)晶的因素影響再結(jié)晶的因素 加熱溫度愈高，再結(jié)晶速度愈快；加熱溫度愈高，再結(jié)晶速度愈快； 變形量大，彈性畸變能大，再結(jié)晶速度也快。變形量大

15、，彈性畸變能大，再結(jié)晶速度也快。工藝因素工藝因素變形量過(guò)小，形變儲(chǔ)能不能滿(mǎn)足形核的基本要求時(shí)，再結(jié)變形量過(guò)小，形變儲(chǔ)能不能滿(mǎn)足形核的基本要求時(shí)，再結(jié)晶就不能發(fā)生。晶就不能發(fā)生。發(fā)生再結(jié)晶需要一定的變形量，稱(chēng)為臨界變形量發(fā)生再結(jié)晶需要一定的變形量，稱(chēng)為臨界變形量C，大多，大多金屬材料的臨界變形量在金屬材料的臨界變形量在210%之間。之間。3.4 影響再結(jié)晶的因素影響再結(jié)晶的因素 再結(jié)晶剛完成時(shí)，得到的是再結(jié)晶剛完成時(shí)，得到的是等軸細(xì)晶粒組織。繼續(xù)提高等軸細(xì)晶粒組織。繼續(xù)提高退火溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，退火溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，就會(huì)發(fā)生晶粒相互吞并而長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生晶粒相互吞并而長(zhǎng)大的現(xiàn)象，晶粒長(zhǎng)大包括均大的

16、現(xiàn)象，晶粒長(zhǎng)大包括均勻長(zhǎng)大的正常長(zhǎng)大過(guò)程和反勻長(zhǎng)大的正常長(zhǎng)大過(guò)程和反常的長(zhǎng)大過(guò)程。常的長(zhǎng)大過(guò)程。第四節(jié)第四節(jié) 晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大 4.1 正常的晶粒長(zhǎng)大正常的晶粒長(zhǎng)大4.1.1 晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)力晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)力 晶粒的長(zhǎng)大是一自發(fā)過(guò)程，其驅(qū)動(dòng)力是降低其總界面晶粒的長(zhǎng)大是一自發(fā)過(guò)程，其驅(qū)動(dòng)力是降低其總界面能。長(zhǎng)大過(guò)程中，晶粒變大，則晶界的總面積減小，能。長(zhǎng)大過(guò)程中，晶粒變大，則晶界的總面積減小，總界面能也就減小?？偨缑婺芤簿蜏p小。為減小表面能，晶粒長(zhǎng)大的熱力學(xué)條件總是滿(mǎn)足的，為減小表面能，晶粒長(zhǎng)大的熱力學(xué)條件總是滿(mǎn)足的，長(zhǎng)大與否還需滿(mǎn)足動(dòng)力學(xué)條件，這就是界面的活動(dòng)性。長(zhǎng)大與否還需滿(mǎn)足動(dòng)力學(xué)條件，這就是

17、界面的活動(dòng)性。而而溫度溫度是影響界面活動(dòng)性的最主要因素。是影響界面活動(dòng)性的最主要因素。 為降低表面能，彎曲晶界趨于為降低表面能，彎曲晶界趨于平直化，即晶界向曲率半徑中平直化，即晶界向曲率半徑中心移動(dòng)以減小表面積。心移動(dòng)以減小表面積。II 當(dāng)三個(gè)晶粒相交晶界夾角不等于當(dāng)三個(gè)晶粒相交晶界夾角不等于120120o o時(shí)，時(shí)，則晶界總是向角度較銳的晶粒方向移動(dòng)，則晶界總是向角度較銳的晶粒方向移動(dòng)，力圖使三個(gè)夾角趨于相等。其原因是由力圖使三個(gè)夾角趨于相等。其原因是由于大角度晶界的表面張力與位向無(wú)關(guān)，于大角度晶界的表面張力與位向無(wú)關(guān)，幾乎相等，即幾乎相等，即T TA A=T=TB B=T=TC C ，因此

18、三夾角必，因此三夾角必須相等各為須相等各為120120o oOOIIIIIITATBTC4.1.2 晶界移動(dòng)的規(guī)律晶界移動(dòng)的規(guī)律 二維坐標(biāo)中，晶界邊數(shù)少于二維坐標(biāo)中，晶界邊數(shù)少于6的晶粒（其晶界的晶粒（其晶界外凸）必然逐步縮小乃至消失。而邊數(shù)大于外凸）必然逐步縮小乃至消失。而邊數(shù)大于6的晶粒（晶界內(nèi)凹）則逐漸長(zhǎng)大。當(dāng)晶界邊的晶粒（晶界內(nèi)凹）則逐漸長(zhǎng)大。當(dāng)晶界邊數(shù)為數(shù)為6時(shí)，晶界很平直且?jiàn)A角為時(shí)，晶界很平直且?jiàn)A角為120o時(shí)，則晶時(shí)，則晶界處于穩(wěn)定狀態(tài)，不再移動(dòng)，要達(dá)到這樣的界處于穩(wěn)定狀態(tài)，不再移動(dòng)，要達(dá)到這樣的平衡狀態(tài)需要很長(zhǎng)的保溫時(shí)間。平衡狀態(tài)需要很長(zhǎng)的保溫時(shí)間。4.1.2 晶界移動(dòng)的規(guī)律晶

19、界移動(dòng)的規(guī)律 p 可溶解雜質(zhì)及合金元素可溶解雜質(zhì)及合金元素 溶質(zhì)原子都能阻礙晶界移動(dòng)，特別是晶界偏聚溶質(zhì)原子都能阻礙晶界移動(dòng)，特別是晶界偏聚( (內(nèi)吸附內(nèi)吸附) )顯顯著的原子，能有效降低晶界的界面能，拖住晶界使之不易著的原子，能有效降低晶界的界面能，拖住晶界使之不易移動(dòng)，溫度很高時(shí)，吸附在晶界的溶質(zhì)原子被驅(qū)散，其抑移動(dòng)，溫度很高時(shí)，吸附在晶界的溶質(zhì)原子被驅(qū)散，其抑制作用減弱乃至消失。制作用減弱乃至消失。p 溫度：溫度：晶界移動(dòng)速率可表示為：晶界移動(dòng)速率可表示為：G=G0exp(-QG/RT)； G0為常數(shù)，為常數(shù)，QG為晶界遷移激活能。通常一定溫度下晶粒長(zhǎng)為晶界遷移激活能。通常一定溫度下晶粒

20、長(zhǎng)大到一定尺寸就不再長(zhǎng)大了，提高溫度晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大。大到一定尺寸就不再長(zhǎng)大了，提高溫度晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大。4.1.3 影響晶界移動(dòng)的因素影響晶界移動(dòng)的因素小角度晶界的界面能小小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，于大角度晶界的界面能，而驅(qū)使界面移動(dòng)的力又而驅(qū)使界面移動(dòng)的力又與界面能成正比，因此與界面能成正比，因此前者的遷移速度要小于前者的遷移速度要小于后者。后者。4.1.4 影響晶界移動(dòng)的因素影響晶界移動(dòng)的因素p 相鄰晶粒的位向差相鄰晶粒的位向差p 不溶解的第二相不溶解的第二相rFf fa ab bf fs s周長(zhǎng)周長(zhǎng)2 rcosf f顆粒顆粒s s晶界晶界彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)于阻彌散的第二相質(zhì)

21、點(diǎn)對(duì)于阻礙晶界的運(yùn)動(dòng)有重要作用。礙晶界的運(yùn)動(dòng)有重要作用。右圖中當(dāng)運(yùn)動(dòng)的晶界遇到右圖中當(dāng)運(yùn)動(dòng)的晶界遇到球形球形( (簡(jiǎn)化起見(jiàn)簡(jiǎn)化起見(jiàn)) )第二相質(zhì)第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)晶界點(diǎn)時(shí)，第二相質(zhì)點(diǎn)對(duì)晶界運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力。運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力。如果達(dá)到平衡，則阻力必須等于總張力在垂直方向的分力。如果達(dá)到平衡，則阻力必須等于總張力在垂直方向的分力。晶界與質(zhì)點(diǎn)接觸的周長(zhǎng)為晶界與質(zhì)點(diǎn)接觸的周長(zhǎng)為: L=2 rcosf f; 所以總張力為所以總張力為: 2 rs scosf f；它在垂直方向的分量則應(yīng)為：它在垂直方向的分量則應(yīng)為：2 rs scosf fsinb b；而；而 b b = 90oa af f4.1.4 影響

22、晶界移動(dòng)的因素影響晶界移動(dòng)的因素所以平衡時(shí)總阻力應(yīng)為：所以平衡時(shí)總阻力應(yīng)為：F = 2 rs s cosf f sin(90oa af f) = 2 rs s cosf f cos(a-fa-f)對(duì)于固定材料體系和質(zhì)點(diǎn)，對(duì)于固定材料體系和質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)和晶粒間的表面張力固質(zhì)點(diǎn)和晶粒間的表面張力固定，定，a a也不變，而也不變，而f f隨晶界隨晶界與與質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位置而變化質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位置而變化。對(duì)對(duì)f f求極值，令求極值，令dF/df f=0=0，則有：，則有：f=a/2f=a/2，代入上述表達(dá)式中可得：，代入上述表達(dá)式中可得：max= 2 rs s cosf f cos(a-fa-f) = 2 rs

23、 s cos2a a /2 = rs s(1+ cosa a)若單位體積中二相質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)為若單位體積中二相質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)為Nv，當(dāng)單位面積的晶界移動(dòng)當(dāng)單位面積的晶界移動(dòng)2r距離時(shí)，距離時(shí)，橫切的顆粒數(shù)為：橫切的顆粒數(shù)為：N = 2rNvp 不溶解的第二相不溶解的第二相rFf fa ab bf fs s周長(zhǎng)周長(zhǎng)2 rcosf f顆粒顆粒s s晶界晶界因此作用在單位面積晶界上的總阻力為：因此作用在單位面積晶界上的總阻力為：F總總= FmaxN = 2 r2s s Nv(1+ cosa a) )另一方面，對(duì)于球形晶粒（半徑為另一方面，對(duì)于球形晶粒（半徑為R），驅(qū)動(dòng)其晶界移動(dòng)的驅(qū)），驅(qū)動(dòng)其晶界移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力動(dòng)力

24、P為為： P = 2s s/R/R阻力驅(qū)動(dòng)力平衡時(shí)有阻力驅(qū)動(dòng)力平衡時(shí)有： 2s s/R=2 r2s s Nv (1+cosa a )因此因此： R R = = r2 Nv (1+cosa )-1由于由于Nv為為單位體積中二相質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)單位體積中二相質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù), 則其體積分?jǐn)?shù)為則其體積分?jǐn)?shù)為：f = 4 r3Nv /3；將將Nv換算成體積分?jǐn)?shù)換算成體積分?jǐn)?shù) f 代入得代入得：若若a a角在遷移過(guò)程中保持不變，則角在遷移過(guò)程中保持不變，則：frKR =acos1134frRp 不溶解的第二相不溶解的第二相 討討 論：論：frKR =p 不溶解的第二相不溶解的第二相l(xiāng)R R是平衡狀態(tài)下的晶粒半徑，也即是

25、該條件下晶粒長(zhǎng)大的極限是平衡狀態(tài)下的晶粒半徑，也即是該條件下晶粒長(zhǎng)大的極限尺寸。尺寸。l晶粒長(zhǎng)大的極限尺寸與二相顆粒的半徑成正比，與顆粒的體積晶粒長(zhǎng)大的極限尺寸與二相顆粒的半徑成正比，與顆粒的體積分?jǐn)?shù)成反比。分?jǐn)?shù)成反比。l二相顆粒愈細(xì)小，數(shù)量愈多，則對(duì)晶粒長(zhǎng)大的阻滯能力愈強(qiáng)。二相顆粒愈細(xì)小，數(shù)量愈多，則對(duì)晶粒長(zhǎng)大的阻滯能力愈強(qiáng)。l二相顆粒對(duì)晶粒長(zhǎng)大的阻礙作用主要取決于其大小和體積分?jǐn)?shù)，二相顆粒對(duì)晶粒長(zhǎng)大的阻礙作用主要取決于其大小和體積分?jǐn)?shù)，而二相顆粒本身的性質(zhì)影響相對(duì)較小，因?yàn)樗挥绊懚囝w粒本身的性質(zhì)影響相對(duì)較小，因?yàn)樗挥绊慳 a值。值。l應(yīng)用實(shí)例：燈泡應(yīng)用實(shí)例：燈泡W絲中加絲中加ThO

26、2質(zhì)點(diǎn)；鋼中含有質(zhì)點(diǎn)；鋼中含有Al2O3或或AlN質(zhì)質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)、Mg中加入微量中加入微量Zr，Al中含有中含有MnAl6質(zhì)點(diǎn)，均可明顯阻止加質(zhì)點(diǎn)，均可明顯阻止加熱時(shí)晶粒的長(zhǎng)大。熱時(shí)晶粒的長(zhǎng)大。再結(jié)晶晶粒通常緩慢均勻長(zhǎng)大，但如有少數(shù)晶粒處在特別有再結(jié)晶晶粒通常緩慢均勻長(zhǎng)大，但如有少數(shù)晶粒處在特別有利的環(huán)境，它們將吞食周?chē)Я?，迅速長(zhǎng)大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為利的環(huán)境，它們將吞食周?chē)Я＃杆匍L(zhǎng)大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為晶粒的異常長(zhǎng)大。早期的研究以為異常長(zhǎng)大也是形核和核心晶粒的異常長(zhǎng)大。早期的研究以為異常長(zhǎng)大也是形核和核心的生長(zhǎng)過(guò)程，因此稱(chēng)為的生長(zhǎng)過(guò)程，因此稱(chēng)為“二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶”4.2 晶粒的非正常長(zhǎng)大晶粒的非正

27、常長(zhǎng)大 異常長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)是一次再結(jié)晶后的長(zhǎng)大過(guò)程中，某些晶粒異常長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)是一次再結(jié)晶后的長(zhǎng)大過(guò)程中，某些晶粒的環(huán)境特殊而產(chǎn)生的優(yōu)先長(zhǎng)大，不存在再次形核過(guò)程。的環(huán)境特殊而產(chǎn)生的優(yōu)先長(zhǎng)大，不存在再次形核過(guò)程。異常長(zhǎng)大導(dǎo)致晶粒分布嚴(yán)重不均，長(zhǎng)大后期可能造成材異常長(zhǎng)大導(dǎo)致晶粒分布嚴(yán)重不均，長(zhǎng)大后期可能造成材料晶粒尺寸過(guò)大，對(duì)材料的性能帶來(lái)十分不利的影響。料晶粒尺寸過(guò)大，對(duì)材料的性能帶來(lái)十分不利的影響?；緱l件基本條件: :正常晶粒長(zhǎng)大過(guò)程正常晶粒長(zhǎng)大過(guò)程被被( (第二分散相微第二分散相微粒、織構(gòu)）粒、織構(gòu)） 強(qiáng)烈強(qiáng)烈阻礙。阻礙。驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)力：界面能變化。界面能變化。( (不不是重新形核是重新形核)

28、)4.2 晶粒的非正常長(zhǎng)大晶粒的非正常長(zhǎng)大 釘扎晶界的第二相溶于基體釘扎晶界的第二相溶于基體. . 機(jī)制機(jī)制 再結(jié)晶織構(gòu)中位向一致晶粒的合并再結(jié)晶織構(gòu)中位向一致晶粒的合并. . 大晶粒吞并小晶粒大晶粒吞并小晶粒. .對(duì)組織和性能的影響對(duì)組織和性能的影響 織構(gòu)明顯織構(gòu)明顯 各向異性各向異性 優(yōu)化磁導(dǎo)率優(yōu)化磁導(dǎo)率 性能不均性能不均 降低強(qiáng)度和塑韌性降低強(qiáng)度和塑韌性 晶粒粗大晶粒粗大 提高表面粗糙度提高表面粗糙度4.2 晶粒的非正常長(zhǎng)大晶粒的非正常長(zhǎng)大 p 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度 p 再結(jié)晶后的晶粒尺寸再結(jié)晶后的晶粒尺寸 p 其它組織變化其它組織變化 第五節(jié)第五節(jié) 再結(jié)晶后的組織再結(jié)晶后的組織 5.

29、1 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度 再結(jié)晶并不是只能在固定的溫度以上才能發(fā)生，而是溫度再結(jié)晶并不是只能在固定的溫度以上才能發(fā)生，而是溫度愈高，轉(zhuǎn)變速度愈快。愈高，轉(zhuǎn)變速度愈快。再結(jié)晶再結(jié)晶溫度溫度定義為在一定時(shí)間內(nèi)完成再結(jié)晶所對(duì)定義為在一定時(shí)間內(nèi)完成再結(jié)晶所對(duì)應(yīng)的溫度，通常規(guī)定在一小時(shí)內(nèi)再結(jié)應(yīng)的溫度，通常規(guī)定在一小時(shí)內(nèi)再結(jié)晶完成晶完成95%95%所對(duì)應(yīng)的溫度為再結(jié)晶溫度所對(duì)應(yīng)的溫度為再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度與材料的類(lèi)型、純度有關(guān)，而且和材料冷變形再結(jié)晶溫度與材料的類(lèi)型、純度有關(guān)，而且和材料冷變形程度也有關(guān)。再結(jié)晶溫度隨著變形量的增加而降低，最終程度也有關(guān)。再結(jié)晶溫度隨著變形量的增加而降低，最終有一下限值，對(duì)

30、于工業(yè)純金屬來(lái)講，經(jīng)驗(yàn)表明最低再結(jié)晶有一下限值，對(duì)于工業(yè)純金屬來(lái)講，經(jīng)驗(yàn)表明最低再結(jié)晶溫度在溫度在0.35TM左右，一般再結(jié)晶溫度用左右，一般再結(jié)晶溫度用0.4TM來(lái)估計(jì)。來(lái)估計(jì)。在臨界變形量以下，材料不發(fā)生在臨界變形量以下，材料不發(fā)生再結(jié)晶，維持原來(lái)的晶粒尺寸；再結(jié)晶，維持原來(lái)的晶粒尺寸；在臨界變形量附近，剛能形核，在臨界變形量附近，剛能形核，因核心數(shù)量很少而再結(jié)晶后的尺因核心數(shù)量很少而再結(jié)晶后的尺寸很大，有時(shí)甚至可得到單晶；寸很大，有時(shí)甚至可得到單晶；一般情況隨著變形量的增加，再結(jié)晶后的晶粒尺寸不斷減?。灰话闱闆r隨著變形量的增加，再結(jié)晶后的晶粒尺寸不斷減小；當(dāng)變形量過(guò)大當(dāng)變形量過(guò)大(70%

31、)后，可能產(chǎn)生明顯織構(gòu)，在退火溫度高時(shí)后，可能產(chǎn)生明顯織構(gòu)，在退火溫度高時(shí)發(fā)生晶粒的異常長(zhǎng)大。發(fā)生晶粒的異常長(zhǎng)大。5.2 影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素1) 1) 預(yù)變形量預(yù)變形量退火溫度高，完成再結(jié)晶用退火溫度高，完成再結(jié)晶用的時(shí)間少，長(zhǎng)大的時(shí)間就長(zhǎng)，的時(shí)間少，長(zhǎng)大的時(shí)間就長(zhǎng)，所以隨退火溫度的提高而晶所以隨退火溫度的提高而晶粒尺寸增大。粒尺寸增大。再結(jié)晶退火一般均采用保溫再結(jié)晶退火一般均采用保溫 2 2小時(shí)，小時(shí)，保證再結(jié)晶充分完成保證再結(jié)晶充分完成而晶粒不過(guò)分長(zhǎng)大，延長(zhǎng)保溫時(shí)間顯然會(huì)造成晶粒尺寸的而晶粒不過(guò)分長(zhǎng)大，延長(zhǎng)保溫時(shí)間顯然會(huì)造成晶粒尺寸的長(zhǎng)大。長(zhǎng)大。 5.2

32、影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素2)2)退火溫度和時(shí)間退火溫度和時(shí)間5.2 影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素3)3)雜質(zhì)雜質(zhì)無(wú)論是固溶于晶體內(nèi)的異類(lèi)原子，還是無(wú)論是固溶于晶體內(nèi)的異類(lèi)原子，還是在材料組織中存在的第二相質(zhì)點(diǎn)，特別在材料組織中存在的第二相質(zhì)點(diǎn)，特別是彌散分布時(shí)，都將促進(jìn)再結(jié)晶后的晶是彌散分布時(shí)，都將促進(jìn)再結(jié)晶后的晶粒細(xì)化。粒細(xì)化。4)4)原始晶粒大小原始晶粒大小在其他條件相同時(shí)，材料變形前的在其他條件相同時(shí)，材料變形前的晶粒尺寸愈細(xì)小，晶界面多，有利晶粒尺寸愈細(xì)小，晶界面多，有利形核，再結(jié)晶后的晶粒也細(xì)小。形核，再結(jié)晶后的晶粒也細(xì)小。5)5)

33、變形溫度變形溫度材料變形溫度較高，或再結(jié)晶退火前進(jìn)材料變形溫度較高，或再結(jié)晶退火前進(jìn)行較有效的回復(fù)處理，因降低了畸變能，行較有效的回復(fù)處理，因降低了畸變能，可使再結(jié)晶后的晶粒變粗?？墒乖俳Y(jié)晶后的晶粒變粗。 p 應(yīng)避免在臨界變形量；應(yīng)避免在臨界變形量；p 同時(shí)一次不宜進(jìn)行過(guò)大的變形，防止產(chǎn)生組織織構(gòu)或同時(shí)一次不宜進(jìn)行過(guò)大的變形，防止產(chǎn)生組織織構(gòu)或出現(xiàn)晶粒的異常長(zhǎng)大；出現(xiàn)晶粒的異常長(zhǎng)大；p 嚴(yán)格控制再結(jié)晶退火的溫度和保溫時(shí)間，以保證再結(jié)嚴(yán)格控制再結(jié)晶退火的溫度和保溫時(shí)間，以保證再結(jié)晶能充分完成而晶粒不過(guò)分長(zhǎng)大晶能充分完成而晶粒不過(guò)分長(zhǎng)大。5.2 影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素

34、控制方法控制方法再結(jié)晶晶粒尺寸和凝固結(jié)晶一樣，決定于形再結(jié)晶晶粒尺寸和凝固結(jié)晶一樣，決定于形核率和長(zhǎng)大速率的比值。為了防止再結(jié)晶后核率和長(zhǎng)大速率的比值。為了防止再結(jié)晶后晶粒粗大，材料需要進(jìn)行再結(jié)晶退火時(shí)：晶粒粗大，材料需要進(jìn)行再結(jié)晶退火時(shí)：有些結(jié)構(gòu)的金屬及合金，再結(jié)晶退火后經(jīng)常出現(xiàn)孿晶組織，有些結(jié)構(gòu)的金屬及合金，再結(jié)晶退火后經(jīng)常出現(xiàn)孿晶組織，這種孿晶稱(chēng)為這種孿晶稱(chēng)為退火孿晶退火孿晶或或再結(jié)晶孿晶再結(jié)晶孿晶。 5.3 其他組織變化其他組織變化 再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)材料的冷變形程度較大，如果產(chǎn)生了材料的冷變形程度較大，如果產(chǎn)生了變形織構(gòu)，在再結(jié)晶后晶粒取向的遺變形織構(gòu)，在再結(jié)晶后晶粒取向的遺傳，組

35、織依然存在擇優(yōu)取向，這時(shí)的傳，組織依然存在擇優(yōu)取向，這時(shí)的織構(gòu)稱(chēng)為織構(gòu)稱(chēng)為再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)。再結(jié)晶織構(gòu)對(duì)進(jìn)一步的加工不利。如沖壓再結(jié)晶銅板形成再結(jié)晶織構(gòu)對(duì)進(jìn)一步的加工不利。如沖壓再結(jié)晶銅板形成制耳。經(jīng)常在制耳。經(jīng)常在Cu中加入少量中加入少量P、Be、Cd、Sn等雜質(zhì)預(yù)防。等雜質(zhì)預(yù)防。退火孿晶退火孿晶1.1. 熱加工熱加工 2.2. 熱加工時(shí)的軟化機(jī)制熱加工時(shí)的軟化機(jī)制 3.3. 熱加工對(duì)材料組織性能的影響熱加工對(duì)材料組織性能的影響 第六節(jié)第六節(jié) 金屬的熱加工金屬的熱加工 p 熱加工熱加工：再結(jié)晶溫度以上的加工稱(chēng)為：再結(jié)晶溫度以上的加工稱(chēng)為“熱熱 加工加工”。p 溫加工溫加工：低于再結(jié)晶溫度

36、高于室溫的加工。：低于再結(jié)晶溫度高于室溫的加工。p 冷加工冷加工：室溫加工。：室溫加工。6.1 何謂熱加工何謂熱加工？SnSn的再結(jié)晶溫度低于室溫，因此室溫下對(duì)的再結(jié)晶溫度低于室溫，因此室溫下對(duì)錫的加工即為熱加工。錫的加工即為熱加工。在熱加工的溫度下，材料可以進(jìn)行較快回復(fù)過(guò)程。它不同在熱加工的溫度下，材料可以進(jìn)行較快回復(fù)過(guò)程。它不同于靜態(tài)回復(fù)，材料在變形的同時(shí)，一方面變形在增加缺陷，于靜態(tài)回復(fù)，材料在變形的同時(shí)，一方面變形在增加缺陷，另一方面以回復(fù)方式減少部分缺陷，某些性能因二者的同另一方面以回復(fù)方式減少部分缺陷，某些性能因二者的同時(shí)作用可達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，維持在某一固定的水平。時(shí)作用可達(dá)到動(dòng)態(tài)平

37、衡，維持在某一固定的水平。 6.2 熱加工時(shí)的軟化機(jī)制熱加工時(shí)的軟化機(jī)制 在高溫下，塑性變形的同時(shí)，發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的軟化，盡管在高溫下，塑性變形的同時(shí)，發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的軟化，盡管軟化本身的方式也是屬于回復(fù)和再結(jié)晶，由于變形硬化和軟化本身的方式也是屬于回復(fù)和再結(jié)晶，由于變形硬化和軟化同時(shí)發(fā)生，軟化具有自己的特點(diǎn)，軟化同時(shí)發(fā)生，軟化具有自己的特點(diǎn)，熱加工時(shí)軟化有以熱加工時(shí)軟化有以下類(lèi)型下類(lèi)型：1 1）動(dòng)態(tài)回復(fù)）動(dòng)態(tài)回復(fù)熱塑性變形熱塑性變形再結(jié)晶方式形核再結(jié)晶方式形核超過(guò)臨界變形量超過(guò)臨界變形量核心長(zhǎng)大核心長(zhǎng)大長(zhǎng)大的晶粒也在變形長(zhǎng)大的晶粒也在變形超過(guò)臨界量超過(guò)臨界量再次形核長(zhǎng)大再次形核長(zhǎng)大6.3 熱加工

38、時(shí)的軟化機(jī)制熱加工時(shí)的軟化機(jī)制 2 2）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶3 3）亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶）亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶6.3 熱加工時(shí)的軟化機(jī)制熱加工時(shí)的軟化機(jī)制 變形過(guò)程中形成的再結(jié)晶核心或長(zhǎng)大未完成變形過(guò)程中形成的再結(jié)晶核心或長(zhǎng)大未完成的小晶體，在變形過(guò)程停止后的繼續(xù)長(zhǎng)大。的小晶體，在變形過(guò)程停止后的繼續(xù)長(zhǎng)大。4 4）靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶）靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶變形過(guò)程停止后，由于在較高的溫度下，這變形過(guò)程停止后，由于在較高的溫度下，這時(shí)所發(fā)生的回復(fù)過(guò)程和重新形核并長(zhǎng)大的再時(shí)所發(fā)生的回復(fù)過(guò)程和重新形核并長(zhǎng)大的再結(jié)晶過(guò)程。結(jié)晶過(guò)程。1)1) 為了控制材料的最后組織，如晶粒尺寸，必需控制好最為了控制材料的最后組織，如晶粒尺寸，必需控制好最后的變形量和變形停止時(shí)的溫度，又稱(chēng)為終鍛溫度，終后的變形量和變形停止時(shí)的溫度，又稱(chēng)為終鍛溫度，終鍛溫度過(guò)高，最后會(huì)導(dǎo)致材料的晶粒尺寸粗大，特別是鍛溫度過(guò)高，最后會(huì)導(dǎo)致材料的晶粒尺寸粗大，特別是終鍛變形量在臨界變形量附近時(shí)，晶粒尺寸更大，使材終鍛變形量在臨界變形量附近時(shí)，晶粒尺寸更大，使材料的性能下降。但終鍛溫度過(guò)低或變形量過(guò)大可能會(huì)在料的性能下降。但終鍛