材料科學基礎-第十章

第十章回復、再結晶和金屬熱加工10/15/20231IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)冷變形金屬在退火時的一般變化冷金屬在退火時包含如下的一些變化：顯微組織的變化性能的變化力學性能的變化物理性能的變化儲存能的釋放10/15/20232IntroductiontoMaterialScience顯微組織的變化回復階段 顯微組織幾乎不發(fā)生任何變化，晶粒仍然保持為冷變形狀態(tài)的纖維狀形態(tài)；再結晶階段 變形態(tài)的晶粒通過形核和長大過程，完全改變稱為新的等軸晶粒。當?shù)容S晶粒邊界互相接觸，變形晶粒完全消失時，再結晶階段結束。（再結晶過程雖然也是形核與長大的過程，但完全是同一相的組織形態(tài)發(fā)生轉變『纖維狀等軸狀』，而不是相的轉變。）晶粒長大階段 再結晶完成后的晶粒粗化階段。10/15/20233IntroductiontoMaterialScience力學性能的變化回復階段 位錯密度降低較少，硬度和強度降低不多。即在回復階段，冷變形強化效果仍然能大部分被保留。再結晶階段 位錯密度大大減小，強度、硬度顯著降低，塑性提高，冷變形強化效果消失，金屬軟化。10/15/20234IntroductiontoMaterialScience物理性能電阻率 再回復階段顯著降低（因為點缺陷濃度顯著降低）密度 再回復階段有所升高（因為空位濃度降低）；在再結晶階段顯著增大（因為位錯密度顯著減?。?nèi)應力回復階段：消除大部分宏觀內(nèi)應力和一部分微觀內(nèi)應力；再結晶階段：消除全部的內(nèi)應力；10/15/20235IntroductiontoMaterialScience儲存能的釋放變形儲存能是回復、再結晶的驅動力；儲存能使金屬處于高能的亞穩(wěn)態(tài)，退火階段組織和性能的變化過程即是儲存能的釋放過程?；貜碗A段：儲存能的釋放較少再結晶階段：大部分的儲存能得到釋放10/15/20236IntroductiontoMaterialScience第二節(jié)回復回復： 經(jīng)冷塑性變形的金屬加熱時，其光學顯微組織未發(fā)生改變前的晶體缺陷運動過程。特點： 點缺陷及位錯分布和數(shù)量不斷改變，儲存能得到了一定的釋放，為再結晶做好了準備。10/15/20237IntroductiontoMaterialScience回復機制與過程回復機制 空位和位錯通過熱激活改變了它們的組態(tài)分布和數(shù)量的過程。分類 根據(jù)加熱溫度的高低可分為：低溫回復中溫回復高溫回復10/15/20238IntroductiontoMaterialScience低溫回復定義 在低溫范圍內(nèi)（1.0~0.3Tm)內(nèi)加熱時，發(fā)生低溫回復；機制 主要是空位的運動（溫度較低，原子活動能力有限，僅能發(fā)生點缺陷的運動）10/15/20239IntroductiontoMaterialScience中溫回復定義 在較高溫度范圍（0.3~0.5Tm)內(nèi)加熱時，發(fā)生中溫回復；機制 位錯再度滑移和交滑移；10/15/202310IntroductiontoMaterialScience高溫回復定義 在更高溫度（≥0.5Tm)加熱時，發(fā)生高溫回復；機制 溫度足夠高時，發(fā)生包括攀移在內(nèi)的位錯運動和多邊化，主要機制是多變化。多變化 冷變形后在滑移面上塞積的同號刃型位錯通過攀移和滑移，使同號刃型位錯沿垂直于滑移面的方向排列成小角度亞晶界（位錯墻）的過程。多邊化的驅動力 多邊化的驅動力是應變能的降低。10/15/202311IntroductiontoMaterialScience第三節(jié)再結晶再結晶 冷變形金屬加熱到回復溫度之上后，在原變形組織中產(chǎn)生新的無畸變再結晶形核，并通過逐漸長大形成等軸晶粒，從而取代全部變形組織，該過程稱為再結晶。特點 變形金屬發(fā)生再結晶時，力學性能發(fā)生顯著變化，金屬恢復到軟化狀態(tài)，變形儲能得到充分釋放，新的無畸變等軸晶完全取代了原畸變晶粒，但是晶體結構不變。因此，再結晶不是相變。10/15/202312IntroductiontoMaterialScience再結晶的形核方式再結晶的形核方式主要有以下三種：亞晶合并亞晶遷移晶界弓出形核（凸出形核）10/15/202313IntroductiontoMaterialScience亞晶合并定義 兩亞晶之間的亞晶界消失，使相鄰的兩晶粒合并而生長；產(chǎn)生條件 冷變形較大或層錯能高的金屬，容易以亞晶合并的方式形成再結晶核心；10/15/202314IntroductiontoMaterialScience亞晶遷移定義 通過亞晶界的遷移，吞并相鄰的形變基體和亞晶而生長；產(chǎn)生條件冷變形量很大或層錯能低的金屬中容易亞晶遷移；10/15/202315IntroductiontoMaterialScience晶界弓出形核（凸出形核）定義 冷變形量較小的金屬，一般是利用變形晶粒的現(xiàn)成大角度晶界的遷移形成再結晶核心，稱為晶界弓出或凸出形核機制；產(chǎn)生條件 設界面能為，晶界兩側晶粒單位體積儲存能差為，弓出晶界從位置I遷移到位置II必須滿足條件，即并非任意一段大角度晶界都能弓出形成再結晶晶核，必須當晶界兩側晶粒中的單位體積儲存能之差大到一定程度后才能發(fā)生弓出形核過程。10/15/202316IntroductiontoMaterialScience再結晶晶核的長大晶核的長大過程 再結晶晶核的長大是通過晶界遷移實現(xiàn)的，晶界背離其曲率中心，向周圍變形基體中遷移。界面遷移的驅動力是儲存能，隨著晶核的長大，儲存能不斷釋放。再結晶過程動力學 再結晶過程的快慢與再結晶形核率（N）和晶核長大速率（G）有關。凡是能影響N和G的因素都會影響再結晶的快慢。10/15/202317IntroductiontoMaterialScience再結晶溫度理論再結晶溫度實際再結晶溫度影響再結晶溫度的因素10/15/202318IntroductiontoMaterialScience理論再結晶溫度定義 冷變形金屬中能夠發(fā)生再結晶形核及長大的最低溫度。測試方法金相法 以顯微鏡中觀察到第一個新的無畸變新晶粒生成或晶界遷移出現(xiàn)鋸齒狀邊緣的退火溫度，確定為再結晶的開始溫度。硬度法 將變形金屬硬度與退火溫度關系曲線上硬度開始明顯降低的為溫度，確定為再結晶開始溫度。10/15/202319IntroductiontoMaterialScience實際再結晶溫度定義 規(guī)定：經(jīng)較大冷變形（變形量>70%)的金屬，再1h退火時間內(nèi)能夠完成再結晶（或>95%體積分數(shù)的再結晶）的最低退火溫度，稱為實際再結晶溫度。一般所說的再結晶溫度常指的就是實際再結晶溫度。再結晶溫度與熔點的關系 對于工業(yè)純金屬，在較大冷變形量條件下，若完成再結晶的時間為0.5~1h，則再結晶溫度（T再）與熔點（Tm)的經(jīng)驗關系：

T再≈（0.35~0.40)Tm(K)

（注：此式不適用于合金和高純（純度>99.99%）金屬。）10/15/202320IntroductiontoMaterialScience影響再結晶溫度的因素影響再結晶溫度的因素包括：變形程度雜質及合金元素第二相粒子原始晶粒的大小形變溫度加熱時間加熱速度10/15/202321IntroductiontoMaterialScience再結晶后晶粒的大小再結晶后晶粒尺寸d與和之間存在下列關系：影響因素變形程度退火溫度與保溫時間加熱溫度原始晶粒大小合金元素及第二相式中，α——常數(shù)該式表明，降低，則d降低。所以能夠使值發(fā)生變化的因素都可能引起再結晶晶粒的變化。10/15/202322IntroductiontoMaterialScience變形程度當冷變形量

<

c時，儲存能很小，不足以引起再結晶，晶粒仍保持原來大小r0。當

=

c時，僅有個別地點的晶界達到晶界弓出形核的能量條件（

Es>2

/l），極低，再結晶完成后晶粒極為粗大。

>

c后，隨著

，儲存能

，

，再結晶晶粒隨之變細。當

>

0時，再結晶晶粒要細與原始晶粒。適當?shù)睦渥冃渭釉俳Y晶是細化晶粒的有效方法之一。10/15/202323IntroductiontoMaterialScience退火溫度與保溫時間當變形程度和保溫時間都一定時，退火溫度越高，則得到的晶粒越粗大。如果在不同溫度退火控制不同的保溫時間，使之剛好完成再結晶后就停止退火，則所獲得的晶粒大小差別不大。10/15/202324IntroductiontoMaterialScience加熱溫度如果退火時加熱速度很慢，則變形金屬在升溫過程中發(fā)生回復，儲存能降低，降低，故晶粒粗化；反之，若提高加熱速度則可獲得細的再結晶晶粒。10/15/202325IntroductiontoMaterialScience原始晶粒大小原始晶粒越細，再結晶后的晶粒大小越細小；10/15/202326IntroductiontoMaterialScience合金元素及第二相微量的溶質或雜質固溶在純金屬中，產(chǎn)生一定的固溶強化效果，提高變形抗力，提高儲存能，提高；同時微量溶質或雜質會降低界面能動性，從而降低晶核長大速度（）合金元素和第二相有利于再結晶晶粒的細化，固溶體合金再結晶后的晶粒比相應純金屬的細小。10/15/202327IntroductiontoMaterialScience第四節(jié)再結晶后晶粒大小正常長大 大多數(shù)晶粒長大速率相差不多，幾乎同時長大（均勻長大）；異常長大（二次再結晶） 少數(shù)晶粒突發(fā)性的、不均勻地長大（非均勻長大）；說明： 一些晶粒地長大必然伴隨著一些晶粒的縮小，即長大與縮小同時存在。所以晶粒長大也是由于一些晶?？s小和消失的結果，并非指所有的晶粒都在長大。10/15/202328IntroductiontoMaterialScience正常長大主要內(nèi)容：正常長大時晶界的移動晶粒長大的驅動力晶粒的穩(wěn)定形狀及晶粒長大過程影響晶粒正常長大的因素10/15/202329IntroductiontoMaterialScience正常長大時晶界的移動一般規(guī)律 大晶粒吞食掉小晶粒，晶界向其曲率中心移動。這種晶界移動方向與再結晶晶核生長時界面的移動方向相反。原因 晶粒長大的驅動力與再結晶驅動力不同10/15/202330IntroductiontoMaterialScience晶粒長大的驅動力驅動力 總的來說，晶粒長大的驅動力為：界面能的降低。晶粒長大在熱力學上是一自發(fā)過程。實現(xiàn)方式 晶粒長大是通過晶界遷移實現(xiàn)的。引起晶界遷移的驅動力是界面能的降低和界面曲率的減少。

P=2

/γ其中

P——界面兩側的壓力差（晶粒長大時晶界遷移的驅動力）；

σ——界面張力（界面能）；

γ——球形界面的曲率半徑。10/15/202331IntroductiontoMaterialScience晶粒的穩(wěn)定形狀及晶粒長大過程從界面遷移的驅動力考慮 由△p＝2σ/γ知，當界面為平直狀時，γ

，使△p0，即界面遷移的驅動力消失，晶界變得穩(wěn)定；從界面張力平衡考慮 晶界的遷移還受到三晶界處平衡時，三晶交匯處界面張力T1、T2、T3與其對應的界面夾角θ1、θ2、θ3之間滿足關系式：因為T1＝T2＝T3，所以必有θ1＝θ2＝θ3＝120°10/15/202332IntroductiontoMaterialScience影響晶粒正常長大的因素晶粒長大是通過晶界遷移實現(xiàn)的，所以凡是影響晶界移動的因素，都會影