動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及其機(jī)制

1、 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及其機(jī)制 引言 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”則介于二者之間，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)相反的過程。 在金屬冷形變后的加熱過程中發(fā)生的，稱為靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶。若提高金屬變形的溫度,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

2、現(xiàn)象。這是在通常的熱加工時(shí)發(fā)生的過程。在發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶時(shí)，由形變造成的加工硬化與由動(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。 第一階段加工硬化階段：應(yīng)力隨應(yīng)變上升很快，金屬出現(xiàn)加工硬化（0<<c）。 第二階段動(dòng)態(tài)再結(jié)晶開始階段：應(yīng)變達(dá)到臨界值c，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶開始，其軟化作用隨應(yīng)變增加而上升的幅度逐漸降低，當(dāng)>max時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用超過加工硬化，應(yīng)力隨應(yīng)變增加而下降（c <s）。 第三階段穩(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。（s） 二、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的應(yīng)

3、力應(yīng)變曲線 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)， 對應(yīng)的應(yīng)變增大：而應(yīng)變速率一定時(shí)，溫度升高，曲線會(huì)向下向左移動(dòng)，最大應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變減小.3、 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)晶通過原晶界的弓出機(jī)制形核。與其對應(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

4、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)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，則通過亞晶聚集長大方式進(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)晶造成的軟化達(dá)到動(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

5、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,繼而形成無應(yīng)變的再結(jié)晶晶粒; 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表面能而轉(zhuǎn)動(dòng)相互合并。在這個(gè)過程中,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。McQueen等人認(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

6、)直接發(fā)展而來,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)示著其他動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制的存在。Chen等人認(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)散控制機(jī)制(如圖2) ,再結(jié)晶過程的完成都必須依靠空位遷移等擴(kuò)散過程來實(shí)現(xiàn)。這種擴(kuò)散控制機(jī)制太慢,不能在高速動(dòng)態(tài)變形的過程中形成大角度亞晶界完成再結(jié)晶過程,因此,這種大角度的亞晶界可能是通過其他途徑形成的。 后來許多學(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

7、件下,晶粒被拉長。如果再受到?jīng)_擊載荷的作用,被拉長的亞晶會(huì)逐漸破碎成微小的再結(jié)晶核心。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 說明了這種再結(jié)晶整個(gè)過程。這種再結(jié)晶模型的缺點(diǎn)是它只是一種粗略的、定性的過程說明,沒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)材料達(dá)到臨界分解剪切應(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

8、晶粗化而完成再結(jié)晶過程。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; 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)散控制的位錯(cuò)攀移和湮沒是這種機(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晶尺寸,只有靠亞晶的轉(zhuǎn)動(dòng)來滯留應(yīng)變。這樣,在晶粒內(nèi)

9、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)的過程中,由于亞晶墻上存在著大量的位錯(cuò),防止了在亞晶轉(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程中,位錯(cuò)通過攀移,亞晶界上的異號位錯(cuò)相互抵消,形成大角度晶界,再結(jié)晶過程完成。整個(gè)過程如圖4 所示。在此過程中,應(yīng)變速率和溫度的影響主要表現(xiàn)在他們對材料的流變應(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)1 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶要達(dá)到臨界變形量和在較高的變形溫度下才能發(fā)生；2 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；3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)再結(jié)晶時(shí)無需孕育期；4 動(dòng)態(tài)再結(jié)

10、晶所需的時(shí)間隨溫度升高而縮短。 5、 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)以亞晶合并長大方式形核，這是由于位錯(cuò)纏結(jié)形成較多的1再結(jié)晶后晶粒尺寸21靜態(tài)再結(jié)晶2動(dòng)態(tài)再結(jié)晶亞晶粒，使晶界被釘扎點(diǎn)間的距離縮小，可弓出段長度 太小，以致弓出形核難以實(shí)現(xiàn)。 其長大是通過新形成的大角度晶界及隨后移動(dòng)的方式進(jìn)行。流變應(yīng)力 特點(diǎn)：反復(fù)形核、有限長大，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)

11、變速率和變形溫度。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。 6、 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型的建立過程6.1臨界應(yīng)變模型 當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到發(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,對整個(gè)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型來說,臨界應(yīng)變模型的確定至關(guān)重要,建立臨界應(yīng)變模型關(guān)鍵是峰值應(yīng)變模型的確定。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: 式中,c 為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界應(yīng)變

12、;p 為峰值應(yīng)變; Q1 為材料熱變形激活能; Û 為應(yīng)變速率, R 為氣體常數(shù); T為絕對溫度; a1、a2、m1 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 為避免傳統(tǒng)觀測金相試樣組織時(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);wh 加工硬化- 動(dòng)態(tài)回復(fù)階段的應(yīng)力;s 加工硬化- 動(dòng)態(tài)回復(fù)達(dá)到平衡時(shí)的飽和應(yīng)力;ss 加工硬化- 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶達(dá)到平衡時(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: 式中, dd rex為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸; Q4 為激活能;Û 為應(yīng)變速率,為應(yīng)變, h4、m4、a4 為材料常數(shù), 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到。7、 未來的發(fā)展趨勢 金屬成形過程中的動(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)發(fā)展。 加強(qiáng)