第八章材料的變形與斷裂(3)

1、第十節(jié) 冷變形金屬的回復階段 由于加工硬化現(xiàn)象，使冷變形金屬進一步塑性變形變得更加困難，甚至難以進行下去，能否消除加工硬化使金屬的塑性加工能夠順利進行下去？生產(chǎn)實踐表明，對冷變形金屬進行退火處理，可以消除加工硬化現(xiàn)象，使冷變形金屬性能恢復到形變前的狀態(tài)，為什么？一、冷變形金屬在加熱過程中的組織變化冷變形黃銅在加熱過程中組織形貌的變化 冷變形金屬在加熱過程中組織形貌變化階段示意圖 為什么組織會發(fā)生變化？冷變形金屬中晶體缺陷密度增加，能量升高（有儲存能存在），從熱力學上看組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，它有自發(fā)向穩(wěn)定狀態(tài)恢復（變形前）轉(zhuǎn)變的傾向，通過加熱和保溫，可使這種轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)實。儲存能是冷變形金屬發(fā)生組織

2、變化的驅(qū)動力。 為什么必須要加熱才能轉(zhuǎn)變？二、回復階段組織與性能的變化 Recovery定義：再結(jié)晶開始前發(fā)生的過程叫回復，為再結(jié)晶做好必要的組織準備。組織形貌：光學顯微鏡下觀察看不到任何變化。但內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻會發(fā)生一系列的變化。 性能：1 宏觀內(nèi)應力大部分消除，第三類內(nèi)應力變化很小，第二類內(nèi)應力部分消除。2 電阻率降低。3不同金屬材料的硬度變化程度不同，Cu無明顯變化，F(xiàn)e有一定程度的下降，密排六方晶體結(jié)構(gòu)的金屬如Zn、Cd明顯下降。三、回復動力學回復動力學是研究回復溫度、時間對冷變形金屬性能回復速度的影響，通常是用等溫退火法進行研究，做出回復動力學曲線，見圖834。此圖有以下幾個特點：（1）回

3、復溫度一定時，隨著回復時間延長，回復程度逐漸增加（1R逐漸下降），但超過一定時間后，（1R）趨于定值，再延長時間對回復程度貢獻不大。（2）在相同時間不同溫度下回復，達到的回復程度不同。（3）在不同溫度下回復達到同一回復程度所需要的回復時間不同，溫度越高，所需時間越短。 這些特點表明，回復過程具有熱激活的特點，溫度越高，過程進行的越快。微觀上看，回復階段主要是空位的遷移和位錯的重排，它們都是典型的熱激活過程，可以按化學動力學來處理，由一級反應方程可推出式（820）。四、回復機制溫度不同，回復過程中金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化也不同。1 中、低溫時 主要是點缺陷的遷移和消失，點缺陷密度下降，導致電阻率下降。

4、位錯密度變化不大。2 高溫時 通過位錯的攀移和反應（異號位錯相消），同號位錯沿垂直于滑移面的方向排列成穩(wěn)定的位錯墻，將晶粒分割成一個個亞晶，這一過程稱為多邊化，這些位錯墻就成為小角度的亞晶界。異號位錯通過攀移相消刃型位錯攀移到新滑移面回復階段位錯通過攀移形成穩(wěn)定排列位錯墻和多邊化第十一節(jié) 冷變形金屬的再結(jié)晶 冷變形金屬重新加熱時，組織與性能最顯著的變化是在再結(jié)晶階段發(fā)生的。通過再結(jié)晶，拉長的條狀晶粒變成新的等軸晶粒，力學性能發(fā)生急劇變化，加工硬化現(xiàn)象消除，金屬性能恢復到形變前的狀態(tài)。生產(chǎn)中可利用這一現(xiàn)象，在對金屬進行冷變形加工過程中，進行再結(jié)晶退火來消除加工硬化，使冷變形加工能夠順利進行下去，

5、該過程進行的驅(qū)動力來自冷變形金屬的儲存能儲存能。 Recrystalliaztion： 冷變形金屬加熱至一定溫度下（1/2 Tm ）保溫，在變形金屬基體上形成無畸變的晶核（通常是形成可移動的大角度晶界），再通過這些晶界的遷移（晶核長大），最終以無畸變的等軸晶粒取代變形晶粒，晶體缺陷密度大大下降，力學性能恢復到變形前的狀態(tài)，這一過程稱為再結(jié)晶。 再結(jié)晶只是晶粒形貌發(fā)生了變化，但晶體結(jié)構(gòu)沒有變化，所以再結(jié)晶不是相變，雖然它也是由形核、長大所構(gòu)成。 再結(jié)晶與回復的不同之處在于機械性能能完全恢復到冷變形前的狀態(tài)，加工硬化得以消除。生產(chǎn)中利用這一點來消除加工硬化，使塑性加工能夠順利進行下去，這種工藝稱為

6、再結(jié)晶退火。一、再結(jié)晶形核 最初有人試圖用相變形核的方法來處理再結(jié)晶形核，但求出的臨界晶核尺寸遠大于實驗觀察，實際上再結(jié)晶不是固態(tài)相變，所以用相變形核的方法來處理再結(jié)晶是不妥的。 再結(jié)晶形核是個很復雜的過程，由于試驗條件的不同（不同的金屬材料、不同的形變量、不同的處理溫度等），所觀察到的結(jié)果也不盡相同。根據(jù)已有的試驗結(jié)果，提出了以下再結(jié)晶形核機制：（1）亞晶聚合機制 回復階段形成的亞晶在再結(jié)晶階段會不斷相互聚合形成新亞晶，這個新亞晶與周圍晶粒的位向差不斷增大，其晶界也逐漸轉(zhuǎn)變成大角晶界，大角晶界一旦形成就標志著再結(jié)晶形核的完成，因為大角晶界的界面能遠高于小角晶界，易于遷移。（2）弓出機制 冷變

7、形金屬中，由于相鄰晶粒變形程度不同，位錯密度也不同，在適當?shù)臏囟认拢Ы缇蜁蛭诲e密度高的一側(cè)突然移動（弓出），被這段晶界掃過的扇形小區(qū)域中的位錯密度急劇下降，儲存能全部釋放，成為無應變區(qū)域，該區(qū)域就成為再結(jié)晶晶核。 再結(jié)晶過程不是相變，所謂再結(jié)晶形核只是在形變晶粒上先形成無應變的小晶核，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，通過這些無應變的小晶核向應變晶粒內(nèi)長大，完成再結(jié)晶。這種長大是通過晶界遷移實現(xiàn)的，從界面能來看，大角晶界能遠高于小角度晶界能，更容易遷移，所以也可以認為，大角晶界的形成就標志著再結(jié)晶晶核形成的完成。二、再結(jié)晶動力學2003 Brooks/Cole, a division of Thoms

8、on Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Sigmoidal curve showing the rate of transfor-mation of iron at a constant temperature. The incubation time t0 and the time for the 50% transformation are also shown.The effect of temperature on recrystallization of cold-work

9、ed copper.曲線特點：1 具有S型特征，有孕育期；2 再結(jié)晶速度dx/dt，隨再結(jié)晶時間而變，開始時很慢，隨后逐漸加快，在x50時最大，然后又逐漸減慢。3 形變量一定，溫度不同，再結(jié)晶時間不同；4 溫度一定，形變量不同，再結(jié)晶時間不同，形變量增加，再結(jié)晶時間減??；用金相法測定再結(jié)晶動力學曲線。見圖839和圖840。4 動力學曲線可用Avrami方程描述，溫度一定時： x 1 exp (BtK) 溫度越高，再結(jié)晶速度就越快，因而再結(jié)晶也是一熱激活過程。再結(jié)晶速度可用Ahhenius公式描述： v Aexp (Q/RT) 在同一變形量下，在一定溫度范圍內(nèi)都能完成再結(jié)晶，但所用時間不同，溫度

10、高，時間短，表明再結(jié)晶溫度不是一個定值。為什么？ 為方便起見，通常在生產(chǎn)中規(guī)定，變形量很大(70%)的金屬保溫1h后，能夠完成再結(jié)晶所對應的最低溫度為再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度。大量實驗結(jié)果表明，再結(jié)晶溫度T再與熔點Tm（以絕對溫度表示）之間存在如下近似關(guān)系：T再 = (0.350.4)Tm 三、影響再結(jié)晶的因素1）形變量 形變量的大小直接影響形變后金屬中儲存能的大小，從而影響到再結(jié)晶的驅(qū)動力。實驗發(fā)現(xiàn)在給定溫度下存在一最小變形量，稱為臨界變形量（210）。形變量小于臨界變形量時，不能發(fā)生再結(jié)晶。形變量減小，再結(jié)晶溫度要提高，臨界變形量隨再結(jié)晶溫度提高而減小。 形變量等于臨界變形量時，儲存能剛好能夠

11、驅(qū)動再結(jié)晶形核發(fā)生，但形核率很低，再結(jié)晶后晶粒粗大。形變量超過臨界變形量時，隨形變量的增加，晶粒尺寸減小。2）溫度溫度提高可使再結(jié)晶速度加快，但對再結(jié)晶剛完成時的晶粒尺寸影響不大，因為溫度提高可同時使形核率和晶粒生長速度提高，且兩者比值無明顯變化，d C（u/I）ku 晶粒生長速度I 形核率 再結(jié)晶剛完成時晶粒尺寸的大小主要由形變量決定。 但如果再結(jié)晶完成后繼續(xù)保溫，則溫度對晶粒尺寸有明顯的影響。退火溫度、形變量對晶粒尺寸的影響見圖841。 純鐵的再結(jié)晶圖3）微量雜質(zhì)元素 實驗表明，金屬中加入微量元素會阻礙再結(jié)晶的進行，明顯提高再結(jié)晶溫度。主要原因是提高了界面遷移激活能，增加了界面遷移阻力，如

12、純Pb的界面遷移激活能是20.9kJ/mol，加入微量的Ag或Au后，界面遷移激活能增加到125.61kJ/mol，提高了5倍左右。結(jié)果是使再結(jié)晶后晶粒細化。4）第二相顆粒 它的影響較復雜，除了粒子自身尺寸的影響外，還與形變量有關(guān)，以下主要討論自身尺寸和間距的影響。 實驗表明，和形變量影響類似，第二相顆粒也存在一臨界尺寸和間距，大于它和小于它的影響截然不同。a）第二相顆粒尺寸、間距都小于臨界尺寸，抑制再結(jié)晶形核發(fā)生，原因有兩個： 阻礙位錯重排形成亞晶界并能抑制亞晶界的遷動，使按亞晶聚合機制形核方式受阻； 阻礙晶界遷動，使通過晶界弓出機制形核過程受阻。 這種抑制作用對再結(jié)晶晶粒尺寸的影響？ 最終

13、導致再結(jié)晶形核率大大下降，即降低了形核率，但是這種抑制作用會隨著形變量的增加而減小。很顯然這種抑制作用將會使再結(jié)晶后晶粒尺寸增大，特別是在形變量小時更明顯。b）第二相顆粒尺寸、間距都大于臨界尺寸，促進再結(jié)晶形核發(fā)生。 因為第二相顆粒的存在會使顆粒周圍基體變形加劇（應力集中），提高了這部分區(qū)域中的儲存能，有利于形核，細化晶粒。 第二相顆粒的臨界尺寸和間距的具體值于顆粒類型、金屬種類和形變量有關(guān)，一般來說，臨界尺寸為0.10.3m ，臨界間距1600一些金屬材料的再結(jié)晶溫度四、再結(jié)晶后的晶粒長大 冷變形金屬在再結(jié)晶剛完成時，一般得到細小的等軸晶粒組織。如果繼續(xù)提高加熱溫度或延長保溫時間，將引起晶粒

14、進一步長大， 再結(jié)晶完成后形成的等軸細晶粒在高溫下保溫會繼續(xù)長大，它是通過晶界遷移的方式進行的，有兩種長大形式：正常長大和反常長大。 晶粒長大驅(qū)動力： 再結(jié)晶完成后，冷變形金屬基體中的儲存能已經(jīng)完全釋放，晶粒長大的驅(qū)動力來自哪里？晶界具有界面能，是一種熱力學不穩(wěn)定的缺陷，在單位界面能不變的條件下，它有自發(fā)減小總面積以降低總界面能的趨勢。在金屬總體積不變的情況下，晶粒長大可使晶界總面積減小，從而導致總界面能下降。 因而界面能下降是晶粒長大，晶界遷移的驅(qū)動力，這和再結(jié)晶驅(qū)動力完全不同。 晶界遷移方向：由Tompson公式，曲率半徑R的彎曲晶界將受到一個指向曲率中心的附加力F的作用，它是由界面能b引

15、起的，F(xiàn) 2b/R， 在該力的作用下，晶界將沿晶界法線向曲率中心移動。 晶界何時停止移動？ R 時，F(xiàn)0，即界面平直時。1晶粒正常長大定義：隨溫度升高或保溫時間的延長，晶粒均勻連續(xù)的長大。這時，能夠長大的晶粒數(shù)量較多，分布也較均勻，長大速度可用以下經(jīng)驗式描述： Dt Do KtnK Ko exp(-Q/kT)討論：（1）晶粒長大方式 晶粒長大時不可能所有晶粒都長大，必然有部分晶粒溶解消失，以提供其它晶粒長大所需要的物質(zhì)。可以證明，晶粒長大是以大晶粒吞食小晶粒的方式長大。（2）微量雜質(zhì)元素對晶粒長大的影響 阻礙晶粒長大。因為雜質(zhì)元素常偏聚在晶界上，形成內(nèi)吸附現(xiàn)象，使界面能降低，導致晶粒長大驅(qū)動力

16、降低，另外內(nèi)吸附會增大晶界遷移阻力。（3）第二相顆粒對晶粒長大的影響。 實驗發(fā)現(xiàn)，有些金屬材料在一定溫度范圍內(nèi)保溫，晶粒長大到一定尺寸后會停止長大，除了雜質(zhì)元素的影響外，第二相顆粒對晶界遷移的阻礙是主要原因。第二相顆粒對單位面積晶界遷移的最大阻力為：f 第二相顆粒體積分數(shù)，r 第二相顆粒半徑b 界面能討論：1）第二相顆粒對晶界遷移的阻力與尺寸和數(shù)量有關(guān)，與 r 成反比，與f 成正比。2）晶界遷移驅(qū)動力： F 2b/R，設各晶粒曲率半徑R 等于晶粒平均直徑D： F 2b/D當F Fmax時，晶粒停止長大，此時的D稱為極限晶粒平均直徑Dlim， Dlim 4r/3f3）課堂思考題：(1)未形變的金

17、屬加熱時會發(fā)生晶粒長大嗎？(2)第二相顆粒對再結(jié)晶的抑制和對晶粒長大的抑制有什么區(qū)別？（a）阻礙對象不同，再結(jié)晶時，主要是通過抑制亞晶界遷移和晶界弓出，阻礙再結(jié)晶形核，從而達到抑制再結(jié)晶。晶粒長大時，主要是通過抑制大角晶界的遷移，從而達到抑制晶粒長大。（b）達到阻礙作用的第二相顆粒尺寸不同 對再結(jié)晶來說，存在一第二相顆粒臨界尺寸和間距，只有小于此臨界值，才能產(chǎn)生抑制作用，超過此值時，反而會加速再結(jié)晶。 對晶粒長大來說，沒有臨界值的限制。試驗表明，第二相顆粒尺寸達到5m時，仍然能夠阻礙晶界遷移，但抑制作用隨顆粒尺寸減小和數(shù)量增多而增加。（c）生產(chǎn)應用目的不同 抑制再結(jié)晶的原理可指導高溫合金的生產(chǎn)

18、和研制。這類合金要求有良好的高溫強度。 抑制晶粒長大原理主要用于需熱加工（軋、鍛、焊、熱處理），但是在室溫下使用的合金。希望這類合金在熱加工過程中晶粒保持細小，不要過分長大，以免影響室溫下的機械性能。主要是鋼鐵材料，熱加工后能獲得細晶粒的鋼材。4) 生產(chǎn)應用 利用第二相顆粒在高溫下阻礙晶粒長大這一原理來抑制金屬在加熱過程中的晶粒長大。如在鋼中加入少量的Al、Ti、V、Nb等合金元素，在鋼中生成細小的氮化物、碳化物顆粒（AlN、TiN、TiC、VC、NbC），使鋼在奧氏體化后獲得細晶粒組織。第二相顆粒尺寸越小，含量越高，晶粒尺寸越小。2 二次再結(jié)晶（異常晶粒長大） 再結(jié)晶完成后，一般情況下晶粒是

19、按正常方式長大，但在某些特殊情況下，會出現(xiàn)少數(shù)晶粒瘋狂長大，直徑可達毫米級，有時憑肉眼就能看到的現(xiàn)象，這些迅速生長的晶粒將周圍的小晶粒全部吞噬掉，最后得到晶粒十分粗大的組織。這時晶粒尺寸和保溫時間不再服從以下關(guān)系： Dt Do Ktn 這種現(xiàn)象稱為異常晶粒長大，也叫不連續(xù)晶粒長大或二次再結(jié)晶，是一種十分有害的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：1）再結(jié)晶織構(gòu) 強烈冷變形后的金屬中存在形變織構(gòu)，具有這種組織的金屬再結(jié)晶后仍然具有織構(gòu)，稱為再結(jié)晶織構(gòu)。織構(gòu)是一種具有擇優(yōu)取向的組織，大部分晶粒間位向差很小，是小角晶界，界面能低不易遷移。只有少數(shù)晶粒間是大角晶界，容易遷移。因而再結(jié)晶完成后，只有少數(shù)晶粒能夠長大。2) 正

20、常晶粒長大受阻 第二相顆粒和雜質(zhì)元素對晶界產(chǎn)生釘扎，阻礙晶界遷移。 通過大晶粒吞食小晶粒的方式長大，強者橫強。證明：考慮兩半徑不同的球形粒子組成的封閉體系。 r2 r1r2r1 晶粒正常長大方式的討論長大前： 總體積： 總面積： 長大后，粒子半徑變化為dr，兩粒子總面積為：長大后，兩粒子總表面積變化為： 長大過程中，粒子總體積保持不變，兩粒子的體積變化分別為： A0，體系總表面能下降，過程將自發(fā)進行，要滿足這一條件，必有dr10，即大粒子長大，小粒子收縮。否則將會有A0，過程不能自發(fā)進行。 把這一結(jié)論推廣至多晶體長大，這時存在一平均晶粒尺寸D，d D的晶粒長大，d 0.3Tm，絕對溫度K），外

21、加應力低于屈服極限時，就會隨著時間的延長逐漸發(fā)生緩慢的塑性變形直至斷裂的現(xiàn)象。 溫度低于0.3Tm時，金屬只有在外加應力大于屈服強度時才會發(fā)生塑性變形，變形方式為滑移和孿生，這時變形速度很快，基本上與時間無關(guān)。 蠕變是由位錯攀移引起的，和位錯滑動無關(guān)，它不僅與外加應力有關(guān)，還與應力作用時間有關(guān)。金屬的蠕變實驗和典型的蠕變曲線 AB段為第一階段，稱減速蠕變階段，這一階段開始蠕變速率增大，隨著時間的延長，蠕變速率逐漸減小。 BC段為第二階段，稱為恒速蠕變階段，這一階段蠕變速率幾乎保持不變。通常蠕變速率就是以這一階段的變形速率來表示。 CD段是第三階段，稱為加速蠕變階段，至D點產(chǎn)生蠕變斷裂。 對第二

22、階段的蠕變速率和溫度的實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，兩者存在指數(shù)關(guān)系：做圖， 由斜率求出蠕變激活能Q，它和自擴散激活能QD非常接近，證明蠕變與擴散密切相關(guān)。 金 屬Q(mào) （KJ/mol) QD （KJ/mol) Al 140 138 Cu 196 194 Fe 305? 239 Fe 299 270 Mg 117 134 Zn 88 90為什么蠕變過程無明顯的加工硬化？ 蠕變過程會產(chǎn)生高溫回復，位錯可以攀移的方式越過障礙，避免位錯塞積。蠕變性能指標 對于在較高溫度下（0.30.5Tm)使用的金屬零件（包括陶瓷），蠕變是一種有害現(xiàn)象，設計這類零件時，不能使用常溫下的力學性能指標。1 蠕變極限 ， 指在給定的溫

23、度（）和時間（h）下，使試樣產(chǎn)生一定的蠕變伸長量（）所需要的應力，如： 2 持久強度，表征材料在高溫和載荷長期作用下抵抗斷裂的能力，以試樣在給定的溫度（）下，經(jīng)過規(guī)定的時間（h）發(fā)生斷裂的應力來表示，如：三、金屬的超塑性superplasticity 通常情況下，金屬拉伸變形過程為：局部塑性變形加工硬化局部塑性變形停止塑性變形轉(zhuǎn)移到臨近區(qū)域加工硬化重復上述過程塑性變形擴展至整個試樣頸縮斷裂，所以通常金屬材料的延伸率在3080。 但有些合金在特定條件下可達到5001000，甚至能達到2000，這種性能稱為超塑性。1 產(chǎn)生超塑性的條件：(1)合金具有非常細小的等軸晶粒兩相組織，平均直徑通常小于10

24、m，最好小于5m。(2)變形溫度在合金的0.5 0.65Tm（熔點）。(3)應變速率控制在0.010.0001s-1范圍內(nèi)。2 金屬材料產(chǎn)生超塑性的內(nèi)在因素 并不是所有金屬材料都有超塑性，除了上述條件外，還要求它的應變速率敏感系數(shù)m值不小于0.3，最好在0.50.8之間。 m 的物理意義是在溫度和應變量一定時，金屬材料在拉伸時抵抗頸縮的能力，是評定金屬材料潛在超塑性的重要參數(shù)。 金屬材料塑性變形時，其流變應力除了與應變量有關(guān)外（拉伸曲線），還與溫度和應變速率有關(guān)，當溫度和應變量一定時，存在下列經(jīng)驗式： 一般情況下，金屬材料的m值很?。?.01 0.04），所以應變速率對流變應力影響很小，不會出現(xiàn)超塑性。 如果金屬材料的m值很大，意味著流變應力將隨應變速率提高迅速提高。試樣上一旦出現(xiàn)頸縮，頸縮區(qū)的應變速率較其它區(qū)域要提高約兩個數(shù)量級，該處的強度也會急劇升高，結(jié)果就會抑制頸縮的發(fā)展，使塑性變形轉(zhuǎn)移到未頸縮區(qū)域，均勻塑性變形就會一直順利進行下去，直