動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及其機(jī)制

1、引言動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及其機(jī)制工程上常將再結(jié)晶溫度以上的加工成為“熱加工,而把再結(jié)晶溫度以下而又不加熱的加工稱為“冷加工.至于“溫加工那么介于二者之間,其變形溫度低于再結(jié)晶溫度,卻高于室溫. 高溫進(jìn)行的鍛造,軋制等壓力加工屬熱加工.熱加工過(guò)程中,在金屬內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行著加工硬化 與回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個(gè)相反的過(guò)程.在金屬冷形變后的加熱過(guò)程中發(fā)生的,稱為靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶.假設(shè)提升金屬變形的溫 度,使金屬在較高的溫度下形變時(shí),金屬在熱變形的同時(shí)也發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶,這種與金屬熱變 形同時(shí)發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶稱為動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.一、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶定義在熱加工過(guò)程中,塑性變形使金屬產(chǎn)生形變強(qiáng)化的同時(shí)發(fā)生的再結(jié)晶的現(xiàn)

2、象.這是在通常的熱加工時(shí)發(fā)生的過(guò)程.在發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶時(shí),由形變?cè)斐傻募庸び不c由動(dòng)態(tài) 回復(fù),動(dòng)態(tài)再結(jié)晶造成的軟化同時(shí)發(fā)生.二、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的應(yīng)力應(yīng)變曲線第一階段一加工硬化階段：應(yīng)力隨應(yīng) 變上升很快,金屬出現(xiàn)加工硬化0 b max時(shí),動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作 用超過(guò)加工硬化,應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣陆礐eSo第三階段一穩(wěn)定流變階段：隨真應(yīng)變 的增加,加工硬化和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的軟 化趨于平衡,流變應(yīng)力趨于恒定.但當(dāng) 以低速率進(jìn)行時(shí),曲線出現(xiàn)波動(dòng),其原因主要是位錯(cuò)密度變化慢引起.e?e Sm ax值得注意的是：溫度為常數(shù)時(shí),隨應(yīng)變速率增加,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶應(yīng)力應(yīng)變曲線向上向右移動(dòng),對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)龃螅憾鴳?yīng)變速率一定時(shí),溫

3、度升高,曲線會(huì)向下向左移動(dòng),最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變減小.三、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的機(jī)制3.1 概述在低應(yīng)變速率下,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶通過(guò)原晶界的弓出機(jī)制形核.與其對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定態(tài)階段的曲線呈波浪形變化,這是由于位錯(cuò)增殖速度小,在發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化后,繼續(xù)進(jìn)行再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力 減小,再結(jié)晶軟化作用減弱,以致不能與新的加工硬化平衡,從而重新發(fā)生硬化,曲線重新上 升.等到位錯(cuò)再度積累到一定程度,使再結(jié)晶又占上風(fēng)時(shí),曲線又重新下降.這種反復(fù)變化的 過(guò)程將不斷進(jìn)行下去,變化周期大致不變,但振幅逐漸衰減.因此這種情況下,動(dòng)態(tài)再結(jié)品與 加工硬化交替進(jìn)行：使曲線呈波浪式.層錯(cuò)能偏低的材料如銅及其合金,奧氏體鋼等易出現(xiàn)動(dòng) 態(tài)再結(jié)晶.故動(dòng)態(tài)

4、再結(jié)晶是低的層錯(cuò)能金屬材料熱交形的主要軟化機(jī)制.在高應(yīng)變速率下,那么通過(guò)亞晶聚集長(zhǎng)大方式進(jìn)行.隨變形量增加位錯(cuò)密度不斷增高,使動(dòng) 態(tài)再結(jié)晶加快,軟化作用逐漸增強(qiáng),當(dāng)軟化作用開始大于加工硬化作用時(shí).曲線開始下降.當(dāng) 變形造成的硬化與再結(jié)晶造成的軟化到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡時(shí),曲線進(jìn)入穩(wěn)定階段.3.2 兩種經(jīng)典的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制應(yīng)變誘發(fā)晶界遷移機(jī)制 也叫晶界弓出機(jī)制.應(yīng)變誘發(fā)晶界遷移機(jī)制是大角度晶界兩側(cè) 存在著位錯(cuò)密度差的結(jié)果. 如圖1所示,由于大角度晶界兩側(cè)亞晶含有不同的位錯(cuò)密度,致使兩側(cè)亞晶所含的應(yīng)變儲(chǔ)能不同,在應(yīng)變儲(chǔ)能差這一驅(qū)動(dòng)力的作用下,大角度晶界會(huì)向位錯(cuò)密度高的一側(cè)遷移,繼而形成無(wú)應(yīng)變的再結(jié)晶晶粒 ；

5、圖I亞晶界的遷稗長(zhǎng)大成核心亞晶粗化機(jī)制.如圖 2所示,位相差不大的兩相鄰亞晶為了降低外表能而轉(zhuǎn)動(dòng)相互合并. 在這個(gè)過(guò)程中,為了形成新的晶界并消除兩亞晶合并后的公共亞晶界,需要兩亞晶小角度晶界上位錯(cuò)的滑移和攀移來(lái)實(shí)現(xiàn),亞晶轉(zhuǎn)動(dòng)合并后,由于轉(zhuǎn)動(dòng)的作用會(huì)增大其與相鄰亞晶之間的位向差 就這樣形成大角度晶界,形成了新的再結(jié)晶晶粒.3.3 新的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制的研究及進(jìn)展許多學(xué)者對(duì)高應(yīng)變速率條件下材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制進(jìn)行了研究.McQuee解人認(rèn)為,在應(yīng)變速率很高的條件下,再結(jié)晶核心可以從位向差很大的胞狀組織或亞組織直接開展而來(lái),而不必從預(yù)先已經(jīng)存在的大角度晶界中形成,這是與傳統(tǒng)再結(jié)晶機(jī)制不同的地方,預(yù)示著

6、其他動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制的存在.Che借人認(rèn)為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的激活能跟應(yīng)力密切相關(guān),擴(kuò)散過(guò)程不是決定動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的唯一因素.然而,傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制實(shí)質(zhì)上是一種擴(kuò)散限制機(jī)制如圖2,再結(jié)晶過(guò)程的完成都必須依靠空位遷移等擴(kuò)散過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn).這種擴(kuò)散限制機(jī)制太慢,不能在高速動(dòng)態(tài)變形的過(guò)程中形成大角度亞晶界完成再結(jié)晶過(guò)程,因此,這種大角度的亞晶界可能是通過(guò)其他途徑形成的.圖2亞品的轉(zhuǎn)動(dòng)和合并后來(lái)許多學(xué)者認(rèn)為,大應(yīng)變速率下晶粒的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)可能是這種再結(jié)晶機(jī)制的關(guān)鍵.由此提出以下機(jī)制：晶粒機(jī)械破碎及晶界遷移、亞晶粗化的混合機(jī)制.在大變形條件下,晶粒被拉長(zhǎng).如果再受到?jīng)_擊載荷的作用,被拉長(zhǎng)的亞晶會(huì)逐漸破碎成微小的再結(jié)晶核心.

7、這種再結(jié)晶核心一旦形成晶界遷移機(jī)制便開始起作用.最后形成穩(wěn)定的再結(jié)晶晶粒.圖 3說(shuō)明了這種再結(jié)晶整個(gè)過(guò)程. 這種再結(jié)晶模型的缺點(diǎn)是它只是一種粗略的、定性的過(guò)程說(shuō)明,沒(méi)有考慮到宏觀大變形速率的影響；機(jī)械輔助亞晶轉(zhuǎn)動(dòng)粗化再結(jié)晶模型.Flaqtier等人提出了適于低溫、 大塑性變形條件 的機(jī)械輔助亞晶粗化再結(jié)晶機(jī)制.認(rèn)為在低溫時(shí),變形是滑移系活化的結(jié)果.當(dāng)材料到達(dá)臨界分解剪切應(yīng)力時(shí),為了使亞晶中的內(nèi)能最低,在不同的亞晶中,選擇活化的滑移系也不相同.為了使亞晶界上的能量最低,位向差不大的相鄰亞晶會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)合并,產(chǎn)生亞晶粗化而完成再結(jié)晶過(guò)程.這種再結(jié)晶機(jī)制的缺點(diǎn)是未考慮到宏觀大應(yīng)變速率條件的影響；it “變

8、港編狀第構(gòu) h磨jeir拉帔的亞維職r標(biāo)w此變E W*的電HF d膨出用結(jié)晶品料圖3晶粒機(jī)械破健及晶界遷移.亞晶粗化的遛合機(jī)制示意圖漸進(jìn)式亞晶位向差再結(jié)晶PriSM.亞晶的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)及隨后由擴(kuò)散限制的位錯(cuò)攀移和湮沒(méi)是 這種機(jī)制的實(shí)質(zhì).在剪切變形開始階段,在剪切方向上開始形成被拉長(zhǎng)的胞狀組織.為了滯留應(yīng)變,原始晶粒開始破碎成亞結(jié)構(gòu) ,而在這些亞晶區(qū)域之間存在著較小的位向差.當(dāng)變形繼續(xù)進(jìn)行 時(shí),為了進(jìn)一步滯留應(yīng)變,這些被拉長(zhǎng)的胞狀組織開始變窄、變細(xì),分為更為等軸的胞狀結(jié)構(gòu),并隨著應(yīng)變速率或應(yīng)變的增加 ,亞晶尺寸也會(huì)減小.當(dāng)亞晶到一定的臨界尺寸時(shí),亞晶尺寸不再減小.到了這一階段,繼續(xù)變形已不能再減小亞

9、晶尺寸 ,只有靠亞晶的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)滯留應(yīng)變.這樣,在晶粒內(nèi)部形成了相互間有著較大位向差的等軸化區(qū)域.在亞晶轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,由于亞晶墻上存在著大量的位錯(cuò),預(yù)防了在亞晶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相鄰亞晶間空洞的出現(xiàn).在變形完成之后的冷卻過(guò)程中,位錯(cuò)通過(guò)攀移,亞晶界上的異號(hào)位錯(cuò)相互抵消 ,形成大角度晶界,再結(jié)晶過(guò)程完成.整個(gè)過(guò)程如圖4所示.在 此過(guò)程中,應(yīng)變速率和溫度的影響主要表現(xiàn)在他們對(duì)材料的流變應(yīng)力的影響上；應(yīng)變速率越高,材料的流變應(yīng)力越大；而溫度和應(yīng)變速率的影響恰好相反.四、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶相比的特點(diǎn) 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶要到達(dá)臨界變形量和在較高的變形溫度下才能發(fā)生；與靜態(tài)再結(jié)晶相似,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶易在晶界及亞晶界形核；動(dòng)態(tài)再結(jié)

10、晶轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)再結(jié)晶時(shí)無(wú)需孕育期； 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的時(shí)間隨溫度升高而縮短.五、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在應(yīng)變速率較低時(shí)通晶界弓出形核,這是由于晶界局部被纏結(jié)位錯(cuò)構(gòu)成的亞晶界釘扎,同時(shí)弓出段兩側(cè)存在著較大的應(yīng)變能差；在應(yīng)變速率較高時(shí)以 亞晶合并長(zhǎng)大方式形核,這是由于位錯(cuò)纏結(jié)形成較多的 亞晶粒,使晶界被釘扎點(diǎn)間的距離縮小, 可弓出段長(zhǎng)度 太小,以致弓出形核難以實(shí)現(xiàn).其長(zhǎng)大是通過(guò)新形成的大角度晶界及隨后移動(dòng)的方式進(jìn)行.特點(diǎn)：反復(fù)形核、有限長(zhǎng)大,晶粒較細(xì).動(dòng)態(tài)再結(jié) 晶的晶粒為等軸晶粒組織, 晶粒較為細(xì)小,大小不均勻, 晶界呈鋸齒狀,等軸的等軸晶內(nèi)存在被纏結(jié)位錯(cuò)所分割 成的亞晶粒,其尺寸取決于應(yīng)變速率

11、和變形溫度.由于具有較高的位錯(cuò)密度和位錯(cuò)纏結(jié)存在,這種組織比靜態(tài)再結(jié)晶組織具有較高的強(qiáng)度和硬度.應(yīng)用：采用低的變形終止溫度、大的最終變形量、 快的冷卻速度可獲得細(xì)小晶粒.六、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型的建立過(guò)程6.1 臨界應(yīng)變模型當(dāng)應(yīng)變量到達(dá)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變時(shí),動(dòng)態(tài)再結(jié)晶才能發(fā)生.因此,對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型來(lái)說(shuō),臨界應(yīng)變模型確實(shí)定至關(guān)重要,建立臨界應(yīng)變模型關(guān)鍵是峰值應(yīng)變模型確實(shí)定.因此,峰值應(yīng)變模型是應(yīng)變速率和溫度的函數(shù),隨著變形溫度的升高,應(yīng)變速率的降低,應(yīng)力也隨之下降.峰值應(yīng)變隨著溫度的降低應(yīng)變速率的升高而顯著增加,臨界應(yīng)變數(shù)學(xué)模型采用如下公式 ：“ 二%/二藥一1exp Qi /AT式中,e

12、 C為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界應(yīng)變；e p為峰值應(yīng)變；QI為材料熱變形激活能； e為應(yīng)變速率,R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度;a 1、a2、ml為材料常數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定.6.2 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)模型為預(yù)防傳統(tǒng)觀測(cè)金相試樣組織時(shí)人為因素的干擾,本文按下式確定動(dòng)態(tài)再結(jié)晶量：式中,Xd rex動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)；T wh加工硬化-動(dòng)態(tài)回復(fù)階段的應(yīng)力；r s加工硬化-動(dòng)態(tài)回復(fù)到達(dá)平衡時(shí)的飽和應(yīng)力 ；bss加工硬化-動(dòng)態(tài)再結(jié)晶到達(dá)平 衡時(shí)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力；-加工硬化-動(dòng)態(tài)再結(jié)晶階段的應(yīng)力.6.3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒模型為建立動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒模型,分別取不同的變形溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變量進(jìn)行壓縮,變形后立 即淬火制成金相試樣,測(cè)定動(dòng)態(tài)再結(jié)晶終了的晶粒尺寸.在穩(wěn)定變形階段,獨(dú)立于原始晶粒尺寸d0的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸可描述為.二周際*叫磔QJRT式中,dd rex為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸;Q4為激活能;? e為應(yīng)變速率,e為應(yīng)變,h4、ml、a4為 材料常數(shù),由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到.七、未來(lái)的開展趨勢(shì)金屬成形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是一種重要的冶金現(xiàn)象,它在很大程度上決定了最終的微觀組織和力學(xué)性能,因此,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的研究應(yīng)朝以下幾點(diǎn)開展.