第七章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶-3

1、1第七章第七章 金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶第一節(jié)第一節(jié) 形變金屬與合金在退火過程中的變化形變金屬與合金在退火過程中的變化第二節(jié)第二節(jié) 回復(fù)回復(fù)第三節(jié)第三節(jié) 再結(jié)晶再結(jié)晶第四節(jié)第四節(jié) 晶粒長大晶粒長大第五節(jié)第五節(jié) 金屬的熱加工金屬的熱加工2塑性變形功塑性變形功形變金屬在退火過程中發(fā)生的現(xiàn)象形變金屬在退火過程中發(fā)生的現(xiàn)象熱能（大部分）熱能（大部分）畸變能畸變能彈性應(yīng)變能（彈性應(yīng)變能（3-12%）儲存能（小部分）儲存能（小部分）空位能空位能位錯能（位錯能（80-90%）塑性變形后的金屬塑性變形后的金屬材料的自由能升高材料的自由能升高在熱力學(xué)上處在熱力學(xué)上處于不穩(wěn)定狀態(tài)于不穩(wěn)定狀

2、態(tài)有自發(fā)恢復(fù)到變形前有自發(fā)恢復(fù)到變形前低自由能狀態(tài)的趨勢低自由能狀態(tài)的趨勢常溫下原子活動能力小常溫下原子活動能力小不能發(fā)生明顯的變化不能發(fā)生明顯的變化提高溫度就能實提高溫度就能實現(xiàn)恢復(fù)低能狀態(tài)現(xiàn)恢復(fù)低能狀態(tài)退火退火回復(fù)回復(fù)再結(jié)晶再結(jié)晶晶粒長大晶粒長大金屬發(fā)生塑性變形時，外力所做的功，大部分轉(zhuǎn)化為金屬發(fā)生塑性變形時，外力所做的功，大部分轉(zhuǎn)化為熱能熱能，小部分（變形功的小部分（變形功的10）保留在金屬內(nèi)部，變?yōu)闅埩魬?yīng)力。）保留在金屬內(nèi)部，變?yōu)闅埩魬?yīng)力。3黃銅黃銅形變金屬在退火過程中發(fā)生的現(xiàn)象形變金屬在退火過程中發(fā)生的現(xiàn)象 47-1 形變金屬在退火過程中的變化形變金屬在退火過程中的變化5保持纖維狀或

3、扁平狀，顯微組織上幾乎不變化保持纖維狀或扁平狀，顯微組織上幾乎不變化7-1 形變金屬在退火過程中的變化形變金屬在退火過程中的變化在變形的晶粒內(nèi)部開始出現(xiàn)新的小晶粒；隨時間的延長新晶粒不斷出現(xiàn)并長大，直到完全改組為新的、無畸變的細等軸晶粒。新晶?；ハ嗤淌抽L大，得到穩(wěn)定的尺寸。 黃銅黃銅黃銅退火過程中各個階段的金相照片黃銅退火過程中各個階段的金相照片冷變形量為冷變形量為38的組織的組織580C保溫保溫3秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫4秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫15分后的組織分后的組織700C保溫保溫10分后的組織分后的組織7再結(jié)晶再結(jié)晶再結(jié)晶再

4、結(jié)晶再結(jié)晶再結(jié)晶123圖圖7-2 退火過程中的能量釋放退火過程中的能量釋放1- 純金屬純金屬 2- 不純金屬不純金屬 3- 合金合金能量的釋放能量的釋放溫度溫度7-1 形變金屬在退火過程中的變化形變金屬在退火過程中的變化內(nèi)應(yīng)力得以松弛；儲存能的釋放內(nèi)應(yīng)力得以松弛；儲存能的釋放原子活動能力提高，遷移至平衡位置原子活動能力提高，遷移至平衡位置第一批再結(jié)晶第一批再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)的溫度晶粒出現(xiàn)的溫度幾乎全部被消除幾乎全部被消除存在于冷變形金屬內(nèi)存在于冷變形金屬內(nèi)部的一小部分變形功部的一小部分變形功剩余內(nèi)應(yīng)力可完全被消除剩余內(nèi)應(yīng)力可完全被消除第第一類（宏觀）內(nèi)應(yīng)力一類（宏觀）內(nèi)應(yīng)力第二類（微觀）內(nèi)應(yīng)力、第

5、二類（微觀）內(nèi)應(yīng)力、第三類內(nèi)應(yīng)力（點陣畸變）第三類內(nèi)應(yīng)力（點陣畸變）部分消除部分消除8回復(fù)階段：回復(fù)階段：硬度略有下降，硬度略有下降，塑性有所提高塑性有所提高位錯密度減少有限位錯密度減少有限再結(jié)晶階段：再結(jié)晶階段：強度硬度顯著降低強度硬度顯著降低 塑性大大提高塑性大大提高位錯密度顯著下降位錯密度顯著下降7-1 形變金屬在退火過程中的變化形變金屬在退火過程中的變化冷塑性變形冷塑性變形加工硬化加工硬化退火退火軟化軟化97-2 回復(fù)回復(fù)退火的早期階段退火的早期階段 一、退火溫度和時間對回復(fù)過程的影響一、退火溫度和時間對回復(fù)過程的影響二、回復(fù)機制二、回復(fù)機制三、亞結(jié)構(gòu)的變化三、亞結(jié)構(gòu)的變化四、回復(fù)退火

6、的應(yīng)用四、回復(fù)退火的應(yīng)用冷塑性變形的金屬在加熱時，在光學(xué)顯微組織發(fā)生冷塑性變形的金屬在加熱時，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前（即再結(jié)晶晶粒形成前）所產(chǎn)生的某些亞結(jié)改變前（即再結(jié)晶晶粒形成前）所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程。構(gòu)和性能的變化過程。定義定義10一、退火溫度和時間對回復(fù)過程的影響一、退火溫度和時間對回復(fù)過程的影響圖圖7-4純鐵的屈服強度的回復(fù)動力學(xué)曲線純鐵的屈服強度的回復(fù)動力學(xué)曲線7-2 回回 復(fù)復(fù)溫度越高，回復(fù)的程度越大溫度越高，回復(fù)的程度越大時間越長，回復(fù)的程度越大時間越長，回復(fù)的程度越大對應(yīng)每一個溫度，存在一個回復(fù)程度的極限值，對應(yīng)每一個溫度，存在一個回復(fù)程度的極限值，溫度越高，極

7、限值越高溫度越高，極限值越高，到達極限值的時間越短到達極限值的時間越短初期變化較大，隨后減慢初期變化較大，隨后減慢到達極限值后，回復(fù)停止到達極限值后，回復(fù)停止11再結(jié)晶再結(jié)晶再結(jié)晶再結(jié)晶再結(jié)晶再結(jié)晶12圖圖7-2 退火過程中的能量釋放退火過程中的能量釋放1- 純金屬純金屬 2-合金合金能量的釋放能量的釋放溫度溫度一、退火溫度和時間對回復(fù)過程的影響一、退火溫度和時間對回復(fù)過程的影響7-2 回回 復(fù)復(fù)回復(fù)：原子遷移擴散過程回復(fù)：原子遷移擴散過程,晶體缺陷數(shù)量的減少晶體缺陷數(shù)量的減少;儲存能下降。儲存能下降。純金屬純金屬和和合金合金在回復(fù)階段在回復(fù)階段儲存能的釋放程度不同。儲存能的釋放程度不同。合金

8、在回復(fù)階段釋放儲存合金在回復(fù)階段釋放儲存能的能的70%，大大降低隨后，大大降低隨后的再結(jié)晶的驅(qū)動力。的再結(jié)晶的驅(qū)動力。合金元素及雜質(zhì)能夠顯著合金元素及雜質(zhì)能夠顯著推遲金屬的再結(jié)晶過程。推遲金屬的再結(jié)晶過程。第一批再結(jié)晶第一批再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)的溫度晶粒出現(xiàn)的溫度12低溫回復(fù)低溫回復(fù)：主要涉及空位的運動，使空位密度大大下降。7-2 回回 復(fù)復(fù)回復(fù)的微觀行為：是空位和位錯在退火過程回復(fù)的微觀行為：是空位和位錯在退火過程中發(fā)生運動，從而改變其數(shù)量和組態(tài)的過程中發(fā)生運動，從而改變其數(shù)量和組態(tài)的過程力學(xué)性能對空位不敏感，其值不出現(xiàn)變化力學(xué)性能對空位不敏感，其值不出現(xiàn)變化 位錯密度下降，位錯纏結(jié)重新排列使亞晶

9、規(guī)整化位錯密度下降，位錯纏結(jié)重新排列使亞晶規(guī)整化多邊化：多邊化： 冷變形金屬加熱時，原來處在滑移面上的冷變形金屬加熱時，原來處在滑移面上的位錯，通過滑移和攀移，形成與滑移面垂位錯，通過滑移和攀移，形成與滑移面垂直的亞晶界的過程。直的亞晶界的過程。驅(qū)動力：儲存能的降低驅(qū)動力：儲存能的降低13 多邊化：多邊化： 冷變形金屬加熱時，原來處在滑移面上的冷變形金屬加熱時，原來處在滑移面上的位錯，通過滑移和攀移，形成與滑移面垂位錯，通過滑移和攀移，形成與滑移面垂直的亞晶界的過程。直的亞晶界的過程。14?多邊化多邊化使應(yīng)變能降低使應(yīng)變能降低7-2 回回 復(fù)復(fù)上下相鄰的同號刃型位錯之間的區(qū)域內(nèi)上下相鄰的同號刃

10、型位錯之間的區(qū)域內(nèi)上面位錯的拉應(yīng)變場正好與下面位錯的上面位錯的拉應(yīng)變場正好與下面位錯的壓應(yīng)變場相疊加，互相部分抵消壓應(yīng)變場相疊加，互相部分抵消冷變形使平行的同號位錯在滑移面上塞積冷變形使平行的同號位錯在滑移面上塞積它們的應(yīng)變能是相加的，致使它們的應(yīng)變能是相加的，致使晶格彎曲晶格彎曲高溫回復(fù)過程中，多邊化高溫回復(fù)過程中，多邊化降低系統(tǒng)的應(yīng)變能降低系統(tǒng)的應(yīng)變能157-3 再再 結(jié)結(jié) 晶晶一、再結(jié)晶晶核的形成與長大一、再結(jié)晶晶核的形成與長大二、再結(jié)晶溫度及其影響因素二、再結(jié)晶溫度及其影響因素三、再結(jié)晶晶粒長大的控制三、再結(jié)晶晶粒長大的控制16定義定義： 冷塑性變形后的金屬加熱到一定溫度后，在原來的變

11、形組織中產(chǎn)生無畸變的新晶粒，而且性能恢復(fù)到變形以前的完全軟化狀態(tài)的過程。7-3 再再 結(jié)結(jié) 晶晶冷變形時所產(chǎn)生的儲存能的降低冷變形時所產(chǎn)生的儲存能的降低17& 注意：再結(jié)晶和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的異同點&再結(jié)晶無晶格類型的變化；&同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有晶格類型的變化；固態(tài)相變7-3 再再 結(jié)結(jié) 晶晶18（一）（一）形核形核（1 1）亞晶合并形核（圖7-10a）亞晶合并形核機制亞晶合并形核機制1.亞晶長大形核機制（變形度較大時）亞晶長大形核機制（變形度較大時）ABC合并成為一個大的亞晶粒，成為再結(jié)晶晶核合并成為一個大的亞晶粒，成為再結(jié)晶晶核相鄰亞晶界上的位錯運動相鄰亞晶界上的位錯運動轉(zhuǎn)移

12、到周圍的晶界或亞晶界上，使原來的轉(zhuǎn)移到周圍的晶界或亞晶界上，使原來的亞晶界消失亞晶界消失通過原子擴散和位置的調(diào)整通過原子擴散和位置的調(diào)整使兩個或更多的亞晶粒的使兩個或更多的亞晶粒的取向變?yōu)橐恢氯∠蜃優(yōu)橐恢?9亞晶界移動形核機制亞晶界移動形核機制(2) (2) 亞晶界移動形核（圖7-10b）（一）形核（一）形核再結(jié)晶晶核再結(jié)晶晶核1.亞晶長大形核機制（變形度較大時）亞晶長大形核機制（變形度較大時）位錯密度很高的亞晶界的移動位錯密度很高的亞晶界的移動吞并相鄰變形基體和亞晶吞并相鄰變形基體和亞晶亞晶長大形核機制的特點：消耗周圍的高能區(qū)亞晶長大形核機制的特點：消耗周圍的高能區(qū)變形度變形度高能區(qū)高能區(qū)2

13、02.2.晶界凸（弓）出形核機制（變形度較小（晶界凸（弓）出形核機制（變形度較?。?0%臨界變形度臨界變形度臨界變形度：臨界變形度：對應(yīng)于得到特別粗大晶粒的變形度對應(yīng)于得到特別粗大晶粒的變形度臨界變形度臨界變形度 晶粒尺寸為原始晶粒尺寸晶粒尺寸為原始晶粒尺寸晶粒特別粗大晶粒特別粗大=臨界變形度臨界變形度隨變形度增加，晶粒逐漸細化隨變形度增加，晶粒逐漸細化變形度變形度253. 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸當(dāng)變形度一定時，原始晶粒越細，當(dāng)變形度一定時，原始晶粒越細，d越小。越小。4.合金元素及雜質(zhì)合金元素及雜質(zhì)一般都能起細化再結(jié)晶晶粒的作用。一般都能起細化再結(jié)晶晶粒的作用。2. 再結(jié)晶退火溫度再結(jié)晶退

14、火溫度T升高，回復(fù)的程度越大，儲存能少，使晶粒粗化。升高，回復(fù)的程度越大，儲存能少，使晶粒粗化。自學(xué)267-4 晶粒長大晶粒長大一、晶粒的正常長大一、晶粒的正常長大二、晶粒的反常長大二、晶粒的反常長大三、再結(jié)晶退火后的組織三、再結(jié)晶退火后的組織再結(jié)晶結(jié)束后，若繼續(xù)升溫或延長保溫時間，晶粒之間互相吞并而長大過程。長大特征長大特征27晶粒細，晶界多，界面能高； 晶粒粗，晶界少，界面能低。由細到粗（晶粒長大），高能向低能，自發(fā)過程。驅(qū)動力與驅(qū)動力與界面能成正比，與界面能成正比，與曲率半徑成反比曲率半徑成反比7-4 晶粒長大晶粒長大總的界面能的降低總的界面能的降低曲率半徑曲率半徑曲率角度曲率角度/弧度

15、弧度dsdkddsk1晶界的界面能越大，曲率半徑越?。ɑ蚯试酱螅┚Ы绲慕缑婺茉酱螅拾霃皆叫。ɑ蚯试酱螅?驅(qū)動力越大驅(qū)動力越大28再結(jié)晶晶核長大時晶界的移動方向背離曲率中心再結(jié)晶晶核長大時晶界的移動方向背離曲率中心亞晶合并形核機制亞晶合并形核機制亞晶界移動形核機制亞晶界移動形核機制晶界晶界凸凸形核機制形核機制晶界的移動方向：晶界的移動方向：朝向曲率中心方向朝向曲率中心方向晶粒正常長大的規(guī)律晶粒正常長大的規(guī)律彎曲晶界趨向于平直，降低表面能彎曲晶界趨向于平直，降低表面能29?晶粒穩(wěn)定形狀的兩個必要條件晶粒穩(wěn)定形狀的兩個必要條件 ?1）所有晶界都是直線?2）晶界間夾角為120二維坐標(biāo)中，晶粒邊

16、數(shù)為二維坐標(biāo)中，晶粒邊數(shù)為6，夾角，夾角為為120 的晶粒處于平衡狀態(tài)。的晶粒處于平衡狀態(tài)。邊數(shù)少于邊數(shù)少于6的晶粒，將逐步縮小的晶粒，將逐步縮小邊數(shù)大于邊數(shù)大于6的晶粒，將逐漸長大的晶粒，將逐漸長大晶粒的穩(wěn)定形狀晶粒的穩(wěn)定形狀二維晶粒的穩(wěn)定形狀30(a) 10min (b) 20min(c) 30min (d) 60min噴射沉積噴射沉積7075+3.0%Al2O3鋁合金在鋁合金在600保溫不同時間的組織保溫不同時間的組織31 （1 1）溫度溫度 （2 2）雜質(zhì)與合金元素）雜質(zhì)與合金元素 （3 3）第二相質(zhì)點）第二相質(zhì)點 （4 4）相鄰晶粒的位向差）相鄰晶粒的位向差 晶界的界面能與相鄰晶粒的

17、位向差有關(guān)，晶界的界面能與相鄰晶粒的位向差有關(guān)， 小角度晶界小角度晶界界面能低，界面移動的驅(qū)動力小，晶界移動速度界面能低，界面移動的驅(qū)動力小，晶界移動速度低低 大角度晶界大角度晶界界面能高界面能高，界面移動的驅(qū)動力界面移動的驅(qū)動力大，大，晶界移動速度晶界移動速度高高7-4 晶粒長大晶粒長大327-4 晶粒長大晶粒長大特殊條件下的晶粒長大過程特殊條件下的晶粒長大過程晶粒異常長大過程示意圖晶粒異常長大過程示意圖337-5 金屬的熱加工金屬的熱加工一、金屬的熱加工與冷加工一、金屬的熱加工與冷加工二、動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶二、動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶三、熱加工后的組織與性能三、熱加工后的組織與性能34?熱加

18、工：在再結(jié)晶溫度以上熱加工：在再結(jié)晶溫度以上的的加工過程加工過程?冷加工：在再結(jié)晶溫度以下冷加工：在再結(jié)晶溫度以下的的加工過程加工過程 鎢的最低再結(jié)晶溫度約為鎢的最低再結(jié)晶溫度約為12001200，所以鎢即使在稍低，所以鎢即使在稍低于于12001200的高溫下塑性變形仍屬于冷加工；的高溫下塑性變形仍屬于冷加工； 錫的最低再結(jié)晶溫度約為錫的最低再結(jié)晶溫度約為-7-7，所以錫即使在室溫下，所以錫即使在室溫下塑性變形也屬于熱加工。塑性變形也屬于熱加工。冷塑性變形冷塑性變形（冷加工）（冷加工）加工硬化加工硬化退火時發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶退火時發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶（軟化）（軟化）硬化、軟化兩個硬化、軟化兩個過程同

19、時存在過程同時存在35靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶：靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶：靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生的靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶回復(fù)和再結(jié)晶（1 1）形變形變中斷或終止中斷或終止后的后的保溫過程保溫過程中發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶。中發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶。（2 2）形變中斷或終止后的形變中斷或終止后的冷卻過程冷卻過程中發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶中發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶。（利用加工余熱進行退火；冷加工以后發(fā)生的（利用加工余熱進行退火；冷加工以后發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶回復(fù)和再結(jié)晶）動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶：加工過程中發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶；動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶：加工過程中發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶； 與變形同時進行的回復(fù)和再結(jié)晶與變形同時進行的回復(fù)和再結(jié)晶 （熱加工過程中進行的回復(fù)與再結(jié)晶）（熱加工過程中進行的回復(fù)與再結(jié)晶）P209圖圖7-26動、靜態(tài)再結(jié)晶的示意圖動、靜態(tài)再結(jié)晶的示意圖361 真應(yīng)變真應(yīng)變真應(yīng)力真應(yīng)力圖圖7-27 在熱加工溫度發(fā)生動態(tài)在熱加工溫度發(fā)生動態(tài)回復(fù)回復(fù)時的真應(yīng)力時的真應(yīng)力真應(yīng)變