第5章 材料的形變和再結(jié)晶5

1、曾榮昌曾榮昌第五章第五章 材料的形變和再結(jié)晶材料的形變和再結(jié)晶(5)Chapter 5 Deformation and re-crystallization of materials回復(fù)和再結(jié)晶回復(fù)和再結(jié)晶(I)(I)本節(jié)主要內(nèi)容 冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化 回復(fù)回復(fù) 再結(jié)晶再結(jié)晶 晶粒長大晶粒長大 再結(jié)晶退火后的組織再結(jié)晶退火后的組織重要概念 回復(fù)回復(fù) 多邊化多邊化 再結(jié)晶再結(jié)晶 晶粒長大晶粒長大 二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶 再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu) 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度 弓出形核弓出形核 臨界變形量臨界變形量 回復(fù)激活能回復(fù)激活能 再結(jié)晶激活能再結(jié)晶激活能

2、退火孿晶退火孿晶黃銅彈殼的季裂(Season cracking)l 20世紀(jì)初，英軍在印度貯存的黃銅彈殼，每當(dāng)雨季就頻繁發(fā)生大量裂縫，當(dāng)時稱之為季裂。l 經(jīng)冷變形后的金屬冷變形后的金屬內(nèi)有拉伸應(yīng)力存在又處于特定環(huán)境中所發(fā)生的斷裂。l 它是含鋅量超過15%的黃銅具有的一種特殊腐蝕現(xiàn)象。圖片來源：/wiki/Season_crackingl 金屬經(jīng)過塑性變形后，不僅內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)與性能均發(fā)生相應(yīng)的變化，而且由于空位、位錯等結(jié)構(gòu)缺陷密度的增加，以及畸變能的升高，將使其處于熱力學(xué)不穩(wěn)定的高自由能狀態(tài)。l 經(jīng)過塑性變形的材料具有自發(fā)恢復(fù)到變形前低自由能的趨勢。l

3、 冷變形金屬加熱時會發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程。l 了解這些過程對于改善和控制金屬的組織和性能具有重要意義。5.3 回復(fù)（Recovery）l 概念：冷變形金屬材料經(jīng)重新加熱進(jìn)行退火時組織性能變化的早期階段，即：新的無畸變晶粒出現(xiàn)之前新的無畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和性能變化的階段。5.3.1顯微組織的變化 回復(fù)：晶粒的形狀和大小回復(fù)：晶粒的形狀和大小無可見變化；無可見變化； 再結(jié)晶：形變組織完全改再結(jié)晶：形變組織完全改組為新的、無畸變的細(xì)等組為新的、無畸變的細(xì)等軸晶粒；形核長大軸晶粒；形核長大 晶粒長大：晶粒長大： 小晶粒小晶粒大晶粒大晶粒 驅(qū)動力：晶界表面能的降驅(qū)動力：晶界表面能的

4、降低低熱擠壓鎂合金熱擠壓鎂合金AM60AM60顯微組織顯微組織5.3.2 性能和能量的變化強(qiáng)度和硬度強(qiáng)度和硬度電阻電阻內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力亞晶粒尺寸亞晶粒尺寸密度密度儲能釋放儲能釋放）力學(xué)性能回復(fù)：硬度、強(qiáng)度略有下降，塑性略有提高；回復(fù)：硬度、強(qiáng)度略有下降，塑性略有提高；再結(jié)晶：強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高；再結(jié)晶：強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高；晶粒長大：強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降，塑性繼續(xù)提高，晶粒長大：強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降，塑性繼續(xù)提高，粗化嚴(yán)重時下降。粗化嚴(yán)重時下降。）物理性能密度：在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急密度：在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急劇升高；劇升高；電阻率：電阻在回復(fù)階段可明

5、顯下降。電阻率：電阻在回復(fù)階段可明顯下降。都與點缺陷濃度降低有關(guān)都與點缺陷濃度降低有關(guān)、內(nèi)應(yīng)力變化 回復(fù)階段：回復(fù)階段： 大部分或全部消除第一類內(nèi)應(yīng)力，部分消除大部分或全部消除第一類內(nèi)應(yīng)力，部分消除第二、三類內(nèi)應(yīng)力；第二、三類內(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。、儲能的釋放）儲存能：存在于冷變形金屬內(nèi)部的一小部分（）儲存能：存在于冷變形金屬內(nèi)部的一小部分（-10-10）變）變形功。形功。）存在形式）存在形式）儲存能的釋放）儲存能的釋放 原子活動能力提高，遷移至平衡位置，儲存能得以釋原子活動能力提高，遷移至平衡位置，儲存能得以釋放。放。、亞晶粒尺寸的變化回復(fù)前

6、期變化不大，回復(fù)后期亞晶粒尺寸顯著增大?；貜?fù)前期變化不大，回復(fù)后期亞晶粒尺寸顯著增大。5.3.3 回復(fù)動力學(xué)縱坐標(biāo)為剩余應(yīng)變硬化分?jǐn)?shù)1-R，R為屈服強(qiáng)度回復(fù)率=（m-r)/(m-0)m，r和0-變形后 、回復(fù)后和 完全退火后的屈服強(qiáng)度（1-R）越小，R越大，則回復(fù)程度越大。5.3.4 回復(fù)的動力學(xué)特點 回復(fù)是一個弛豫過程。 其特點為： 沒有孕育期； 在一定溫度下，初期的回復(fù)率很大，隨后即逐漸變慢，直到趨近于零。 每一溫度的回復(fù)程度有一極限值，退火溫度越高，這個極限值也越高，達(dá)到此極限值所需的時間則越短；1.預(yù)變形量越大，起始的回復(fù)速率也越快，晶粒尺寸減少也有利于回復(fù)過程的加快?；貜?fù)動力學(xué) 回復(fù)

7、特征可用一級反應(yīng)方程來表達(dá)： （5.17） 式中，x-冷變形導(dǎo)致的性能增量經(jīng)加熱后的殘留分?jǐn)?shù)，t 恒溫下的加熱時間， c-材料和溫度有關(guān)的比例常數(shù)。c值具有典型的熱激活過程的特點，可由阿累尼烏斯公式來描述： （5.18） 式中，Q-激活能，R-氣體常數(shù)，T-熱力學(xué)溫度，C0-比例常數(shù)dxcxdt 0QRTcc e 式（5.18）代入式（5.17）并積分，x0表示開始時性能增量的殘留分?jǐn)?shù)，則得 在不同溫度下，如以回復(fù)到相同程度作比較，此時上式左邊為一常數(shù)，取對數(shù)，可得 如作lnt-1/T圖，如為直線，則可由斜率求得激活能Q Q。000QxtRTxdxc edtdt 00lnQRTxc texln

8、QtART例題 鐵的回復(fù)激活能為88.9KJ/mol,如果將經(jīng)冷變形的鐵在400下進(jìn)行回復(fù)處理，使殘留加工硬化為60%需160min，問在450 下回復(fù)處理至同樣效果需要多長時間？ 根據(jù)公式 那么lnQtART2111()21QR TTtet8890011()8.31723 673216053.3minte回復(fù)機(jī)制 低溫回復(fù)低溫回復(fù)回復(fù)主要與點缺陷的遷移有關(guān)?；貜?fù)主要與點缺陷的遷移有關(guān)。冷變形產(chǎn)生了大量點缺陷冷變形產(chǎn)生了大量點缺陷- -空位和間隙原子空位和間隙原子點缺陷所需的熱激活較低，因而在較低溫度下可進(jìn)行。點缺陷所需的熱激活較低，因而在較低溫度下可進(jìn)行。點缺陷可遷移至晶界或表面消失方式：

9、空位與位錯的交互作用；空位與位錯的交互作用； 空位與間隙原子的重新結(jié)合；空位與間隙原子的重新結(jié)合； 空位聚合形成空位對空位聚合形成空位對/ /空位群空位群/ /空位片空位片- -坍塌成位錯環(huán)坍塌成位錯環(huán)中溫回復(fù) 發(fā)生位錯運動和重新分布發(fā)生位錯運動和重新分布 主要與位錯的滑移有關(guān)：主要與位錯的滑移有關(guān)： 同一滑移面上的異號位錯可以相互吸引而抵消；同一滑移面上的異號位錯可以相互吸引而抵消；1.1.位錯偶極子的兩條位錯線相消。位錯偶極子的兩條位錯線相消。高溫回復(fù) 高溫（高溫（0.3Tm）時，刃型位錯可獲得足夠的能量產(chǎn)）時，刃型位錯可獲得足夠的能量產(chǎn)生攀移（生攀移（climb）。）。 攀移產(chǎn)生攀移產(chǎn)生

10、2種重要的結(jié)果：種重要的結(jié)果： 刃型位錯垂直排列成墻：刃型位錯垂直排列成墻：使滑移面上不規(guī)則排列的位使滑移面上不規(guī)則排列的位錯重新分布，顯著降低位錯的彈性畸變能。錯重新分布，顯著降低位錯的彈性畸變能。 形成多邊化結(jié)構(gòu)形成多邊化結(jié)構(gòu)（polygonization） ：沿垂直于滑移沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向差的位錯墻面方向排列并具有一定取向差的位錯墻小角度亞晶小角度亞晶界，以及由此產(chǎn)生的亞晶。界，以及由此產(chǎn)生的亞晶。1. 驅(qū)動力：應(yīng)變能的降低。驅(qū)動力：應(yīng)變能的降低。多邊化產(chǎn)生的條件塑性變形使晶體點陣發(fā)生彎曲；塑性變形使晶體點陣發(fā)生彎曲；在滑移面上有塞積的同號刃型位錯；在滑移面上有塞積的同

11、號刃型位錯；須加熱到較高溫度，使刃位錯產(chǎn)生攀移運動。須加熱到較高溫度，使刃位錯產(chǎn)生攀移運動。攀移同號刃型同號刃型位錯位錯鎂合金的塑形變形 200錐面滑移錐面滑移使冷加工的金屬件在基本上保持加工硬化狀態(tài)的條件下使冷加工的金屬件在基本上保持加工硬化狀態(tài)的條件下降低其內(nèi)應(yīng)力（主要為第一內(nèi)應(yīng)力）；降低其內(nèi)應(yīng)力（主要為第一內(nèi)應(yīng)力）；減輕工件的翹曲和變形；減輕工件的翹曲和變形；降低電阻率；降低電阻率；提高材料的耐蝕性；提高材料的耐蝕性；改善其塑性和韌性；改善其塑性和韌性；提高工件使用時的安全性。提高工件使用時的安全性。3 3、回復(fù)退火（去應(yīng)力退火）、回復(fù)退火（去應(yīng)力退火）三、再結(jié)晶三、再結(jié)晶概念：冷變形后

12、的金屬加熱到一定溫度之后，在原變形組織概念：冷變形后的金屬加熱到一定溫度之后，在原變形組織中重新產(chǎn)生了中重新產(chǎn)生了無畸變的新晶粒無畸變的新晶粒，而性能也發(fā)生了明顯的變化，而性能也發(fā)生了明顯的變化并恢復(fù)到變形前的情況。并恢復(fù)到變形前的情況。驅(qū)動力：變形金屬經(jīng)回復(fù)后未被釋放的儲存能驅(qū)動力：變形金屬經(jīng)回復(fù)后未被釋放的儲存能再結(jié)晶過程再結(jié)晶過程形核形核+ +長大長大 經(jīng)過經(jīng)過冷塑性變形冷塑性變形后的金屬材料在后的金屬材料在加熱到較高溫度加熱到較高溫度時時( (一般大于一般大于0.4Tm)0.4Tm)，可以發(fā)生晶粒的重新改組。，可以發(fā)生晶粒的重新改組。 同結(jié)晶過程類似，首先在材料中形成新的同結(jié)晶過程類似

13、，首先在材料中形成新的無畸變無畸變的的小晶粒。小晶粒。 這些小晶粒消耗周圍發(fā)生過變形的晶體而不斷長大，這些小晶粒消耗周圍發(fā)生過變形的晶體而不斷長大，同時也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替同時也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替變形過的晶體。變形過的晶體。 思考：思考：再結(jié)晶過程是不是相變過程再結(jié)晶過程是不是相變過程? ?“再結(jié)晶的轉(zhuǎn)變不是相變再結(jié)晶的轉(zhuǎn)變不是相變”原因：原因：變化前后的變化前后的晶粒成分相同，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化晶粒成分相同，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，因此它們是屬于因此它們是屬于同一個相同一個相；再結(jié)晶不像相變那樣，有轉(zhuǎn)變的臨界溫度點，即再結(jié)晶不像相變那樣，有轉(zhuǎn)變的臨界溫

14、度點，即沒有沒有確定的轉(zhuǎn)變溫度確定的轉(zhuǎn)變溫度。再結(jié)晶過程是再結(jié)晶過程是不可逆的不可逆的，相變過程在外界條件變化后，相變過程在外界條件變化后可以發(fā)生可逆變化?？梢园l(fā)生可逆變化。發(fā)生再結(jié)晶的熱力學(xué)驅(qū)動力是冷塑性變形晶體的發(fā)生再結(jié)晶的熱力學(xué)驅(qū)動力是冷塑性變形晶體的畸變畸變能能，也稱為儲存能。，也稱為儲存能。1 1）再結(jié)晶時，晶核是如何產(chǎn)生的？）再結(jié)晶時，晶核是如何產(chǎn)生的？l再結(jié)晶晶核是現(xiàn)存于局部高能量區(qū)域內(nèi)的，以多邊化形再結(jié)晶晶核是現(xiàn)存于局部高能量區(qū)域內(nèi)的，以多邊化形成的亞晶為基礎(chǔ)形核。成的亞晶為基礎(chǔ)形核。l再結(jié)晶形核機(jī)制有：再結(jié)晶形核機(jī)制有：（1）晶界弓出形核）晶界弓出形核（2）亞晶形核）亞晶形核

15、（1 1）晶界弓出形核）晶界弓出形核 概念：變形度較小概念：變形度較小( (一般一般20%)95%轉(zhuǎn)變量）所對應(yīng)的溫度定義為再結(jié)晶溫度。3、再結(jié)晶溫度2）影響再結(jié)晶溫度的因素再結(jié)晶溫度不是一個物理常數(shù)，與材料、冷變形程度/原始晶粒度等因素相關(guān)。變形程度的影響：變形度儲能再結(jié)晶驅(qū)動力再結(jié)晶溫度注意：在給定溫度下需要一個最小變形量（臨界變形度），低于此變形度，不發(fā)生再結(jié)晶。 經(jīng)驗公式：T再T熔 為0.350.40（工業(yè)純金屬） 0.250.35（高純金屬） 0.400.90（合金）原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸變形抗力變形抗力儲能儲能再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度微量溶質(zhì)原子存在微量溶質(zhì)

16、原子存在再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度溶質(zhì)原溶質(zhì)原子與位錯及晶界間存在交互作用，對位子與位錯及晶界間存在交互作用，對位錯的滑移和攀移和晶界的遷移起著阻礙錯的滑移和攀移和晶界的遷移起著阻礙作用。作用。第二相粒子第二相粒子: :取決于基體上分取決于基體上分散相粒子的大小及分布。散相粒子的大小及分布。第二相粒子尺寸大，且間距較第二相粒子尺寸大，且間距較寬，促進(jìn)再結(jié)晶；寬，促進(jìn)再結(jié)晶；第二相粒子尺寸小，且較密集，第二相粒子尺寸小，且較密集，阻礙再結(jié)晶進(jìn)行。阻礙再結(jié)晶進(jìn)行。再結(jié)晶退火工藝參數(shù)：加熱再結(jié)晶退火工藝參數(shù)：加熱速度、加熱溫度、保溫時間速度、加熱溫度、保溫時間4、再結(jié)晶后的晶粒大小 晶粒尺寸 形核率， 長

17、大速率1）變形度的影響變形度的影響：臨界變形度：再結(jié)晶后得到特別粗大晶粒的變形程度，一般金屬在210%。臨界變形量，變形量再結(jié)晶晶粒尺寸臨界變形度N.G臨界變形度2）退火溫度再結(jié)晶速度、晶粒臨界變形度四、晶粒長大 再結(jié)晶結(jié)束后，材料組織為細(xì)小等軸晶粒，若繼續(xù)提高加熱溫度或延長加熱時間，晶粒進(jìn)一步長大。驅(qū)動力：總的界面能的降低分類： 正常晶粒長大 異常晶粒長大1、晶粒的正常長大及其影響因素1）正常長大：再結(jié)晶后的晶粒均勻連續(xù)的長大。 晶粒界面的不同曲率是造成晶界遷移的直接原因。2）驅(qū)動力：界面能差。 界面能越大，曲率半徑越小，驅(qū)動力越大。 (長大方向是指向曲率中心,而再結(jié)晶晶核的長大方向相反)

18、晶界趨于平直;3）晶粒的穩(wěn)定形狀 晶界夾角趨于120; 二維坐標(biāo)中晶粒邊數(shù)趨于6.正常晶粒長大時，晶界的平均移動速率 晶界的平均遷移率； 晶界的平均驅(qū)動力； 晶界的平均曲率半徑； 單位面積的晶界能； 晶粒平均直徑的增大速度；v2bd Dvm pmRdtmpRbd Ddt 均勻的晶粒組織 因此上式可寫成 分離并積分，可得 若 則/ 2RD1d DKdtD220tDDK t0tDD1/2tDCt溫度：溫度越高，晶界易遷移，晶粒易粗化。2220mQRTettDD2220lg()lg2.3mQttRTDD4）影響晶粒長大的因素分散相粒子。阻礙晶界遷移，降低晶粒長大速率。一般有晶粒穩(wěn)定尺寸d和第二相質(zhì)點

19、半徑r、體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系：d=4r/3晶粒間的位向差。 當(dāng)晶界兩側(cè)的晶粒位相較為接近或具有孿晶位相時，晶界遷移速率很小。 若晶粒間具有大角度晶界的位相差，則由于晶界能和擴(kuò)散系數(shù)相應(yīng)增大，因而晶界的遷移速度也隨之加快。雜質(zhì)與合金元素。降低界面能，不利于晶界移動。柯氏氣團(tuán)阻礙晶界遷移4個數(shù)量級2、異常晶粒長大（二次再結(jié)晶） 概念：又稱不連續(xù)晶粒長大或二次再結(jié)晶，少數(shù)再結(jié)再結(jié)晶晶粒的急劇長大晶晶粒的急劇長大現(xiàn)象。 條件：正常晶粒長大過程被分散相微粒、織構(gòu)或表面的熱蝕溝等所強(qiáng)烈阻礙。 驅(qū)動力：界面能的降低，不是來自應(yīng)變能。2、異常晶粒長大（二次再結(jié)晶）： 當(dāng)細(xì)小的一次再結(jié)晶晶粒被繼續(xù)加熱時，上述阻礙晶粒正常長大的因素一旦消除時，少數(shù)特殊晶界迅速遷移，這些晶粒一旦長到超過它周圍的晶粒時，由于大晶粒的晶界總是凹向外側(cè)的，晶界總是向外遷移，直到長大到互相接觸為止，形核二次再結(jié)晶。 釘扎晶界的第二相溶于基體1）機(jī)制 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 熱擠壓鎂合金AZ61晶粒異常長大再結(jié)晶退火后的組織 再結(jié)晶退火的晶粒大小主要取決于預(yù)先變形度和退火溫度。 變形度越大，退火后的晶粒越?。?退火溫度高，晶粒越粗大。再結(jié)晶織構(gòu) 概念：具有變形織構(gòu)的金屬經(jīng)再結(jié)晶后的新晶粒仍具有擇優(yōu)取向。 再結(jié)晶織構(gòu)與原變形織構(gòu)之間存在三種情況： 與原有的織構(gòu)相一致； 原有織構(gòu)消失而代