材料科学基础回复与再结晶ppt课件.pptx

第九章 回复与再结晶第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 一一 回复与再结晶回复与再结晶 回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。 再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。除的过程。第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 二二 显微组织变化（示意图）显微组织变化（示意图） 回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化； 再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。的等轴晶粒。 晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。尺寸。第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 二二 显微组织变化（示意图）显微组织变化（示意图） Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 三三 性能变化性能变化 1 1 力学性能（示意图）力学性能（示意图） 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。 再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降, ,塑性继续提高，塑性继续提高， 粗化严重时下降。粗化严重时下降。 2 2 物理性能物理性能 密度密度: :在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高； 电阻：电阻在回复阶段可明显下降。电阻：电阻在回复阶段可明显下降。第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 三三 性能变化性能变化 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 四四 储存能变化（示意图）储存能变化（示意图） 1 1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（1010）变形功。）变形功。 弹性应变能（弹性应变能（3 31212） 2 2 存在形式存在形式 位错（位错（80809090） 驱动力驱动力 点缺陷点缺陷 3 3 储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。置，储存能得以释放。回回复复再再结结晶晶第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 五五 内应力变化内应力变化 回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力；除第二、三类内应力； 再结晶阶段：内应力可完全消除。再结晶阶段：内应力可完全消除。第二节 回复 一一 回复动力学（示意图）回复动力学（示意图）1 1 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系加工硬化残留率与退火温度和时间的关系 ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT)x x0 0 原始加工硬化残留率；原始加工硬化残留率；x x退火时加工硬化残留率；退火时加工硬化残留率；c c0 0比例常数；比例常数；t t加热时间；加热时间；T T加热温度。加热温度。第二节 回复 一一 回复动力学回复动力学（示意图）（示意图） 2 2 动力学曲线特点动力学曲线特点 （1 1）没有孕育期；）没有孕育期； （2 2）开始变化快，随后变慢；）开始变化快，随后变慢； （3 3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。）长时间处理后，性能趋于一平衡值。第二节 回复 二二 回复机理回复机理 1 1 低温回复（低温回复（0.10.10.3Tm0.3Tm） 移至晶界、位错处移至晶界、位错处点缺陷运动点缺陷运动 空位间隙原子空位间隙原子 消失消失 缺陷密度降低缺陷密度降低 空位聚集（空位群、对）空位聚集（空位群、对）第二节 回复 二二 回复机理回复机理 2 2 中温回复中温回复 （0.30.30.5Tm0.5Tm） 异号位错相遇而抵销异号位错相遇而抵销位错滑移位错滑移 位错密度降低位错密度降低 位错缠结重新排列位错缠结重新排列第二节 回复 二二 回复机理回复机理 3 3 高温回复（高温回复（0.5Tm0.5Tm）位错攀移位错攀移（滑移）（滑移） 位错垂直排列（亚晶界）位错垂直排列（亚晶界） 多边化（亚晶粒）多边化（亚晶粒） 弹性畸变能降低。弹性畸变能降低。第二节 回复 二二 回复机理回复机理 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第二节 回复 三三 回复退火的应用回复退火的应用 1 1回复机制与性能的关系回复机制与性能的关系 内应力降低内应力降低: :弹性应变基本消除弹性应变基本消除; ; 硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较细；硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较细； 电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低。电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低。 2 2去应力退火去应力退火 降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。裂，提高耐蚀性。2h第三节 再结晶 一一 再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大 1 1 形核形核 亚晶长大形核机制亚晶长大形核机制 （变形量较大时）（变形量较大时） 亚晶合并形核亚晶合并形核 亚晶界移动亚晶界移动( (长大长大) )形核形核( (吞并其它亚晶或变形部分吞并其它亚晶或变形部分) ) 凸出形核凸出形核 晶核伸向小位错胞晶粒晶核伸向小位错胞晶粒( (畸变能较高区域畸变能较高区域) )内内. .第三节 再结晶 一一 再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大1 1 形核形核 第三节 再结晶 一一 再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大 晶界凸出形核（变形量较小时晶界凸出形核（变形量较小时,20%,70%）的金属或合）的金属或合 金，在金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数内能够完成再结晶的（再结晶体积分数95%） 最低温度。最低温度。 高纯金属：高纯金属：T再再(0.250.35)Tm。2 经验公式经验公式 工业纯金属：工业纯金属：T再再(0.350.45)Tm。 合金：合金：T再再(0.40.9)Tm。 注：再结晶退火温度一般比上述温度高注：再结晶退火温度一般比上述温度高100200。第三节 再结晶 三三 再结晶温度再结晶温度 3 影响因素影响因素 变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低；变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低； 纯度越高，再结晶温度越低；纯度越高，再结晶温度越低； 加热速度太低或太高，再结晶温度提高。加热速度太低或太高，再结晶温度提高。第三节 再结晶 四四 影响再结晶的因素影响再结晶的因素1 1 退火温度。温度越高，再结晶速度越大。退火温度。温度越高，再结晶速度越大。2 2 变形量。变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温变形量。变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温 度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。3 3 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。4 4 微量溶质元素。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。微量溶质元素。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。5 5 第二分散相。间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核第二分散相。间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核 心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁 移，阻碍再结晶。移，阻碍再结晶。第三节 再结晶 五五 再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小变形量关系图）再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小变形量关系图） 再结晶晶粒的平均直径再结晶晶粒的平均直径d=kG/N1/4第三节 再结晶 五五 再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小变形量关系图）再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小变形量关系图）1 1 变形量（图）。存在临界变形量，生产中应避免临界变变形量（图）。存在临界变形量，生产中应避免临界变 形量。形量。2 2 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多，原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多， 使晶粒细化。使晶粒细化。3 3 合金元素和杂质。增加储存能，阻碍晶界移动，有利于合金元素和杂质。增加储存能，阻碍晶界移动，有利于 晶粒细化。晶粒细化。4 4 温度。变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶温度。变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶 粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大。粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大。第三节 再结晶 六六 再结晶的应用再结晶的应用 恢复变形能力恢复变形能力 改善显微组织改善显微组织 再结晶退火再结晶退火 消除各向异性消除各向异性 提高组织稳定性提高组织稳定性 再结晶温度：再结晶温度：T再再100200。 4h第四节 晶粒长大晶粒长大 驱驱 动动 力：力：界面能差界面能差. . 长大方式：长大方式： 正常长大；正常长大； 异常长大（二次再结晶）异常长大（二次再结晶）. .第四节 晶粒长大晶粒长大一一 晶粒的正常长大晶粒的正常长大 1 1 正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。 2 2 驱动力：界面能差。界面能越大，曲率半径越小，驱驱动力：界面能差。界面能越大，曲率半径越小，驱 动力越大。动力越大。 ( (长大方向是指向曲率中心长大方向是指向曲率中心, ,而再结晶晶核的长大方向相反而再结晶晶核的长大方向相反.).) 第四节 晶粒长大晶粒长大一一 晶粒的正常长大晶粒的正常长大 晶界趋于平直晶界趋于平直; ; 3 3 晶粒的稳定形状晶粒的稳定形状 晶界夹角趋于晶界夹角趋于120;120; 二维坐标中晶粒边数趋于二维坐标中晶粒边数趋于6.6.第四节 晶粒长大晶粒长大一一 晶粒的正常长大晶粒的正常长大4 4 影响晶粒长大的因素影响晶粒长大的因素(1)(1)温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。(2)(2)分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。一分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。一 般有晶粒稳定尺寸般有晶粒稳定尺寸d和第二相质点半径和第二相质点半径r、体积分数、体积分数 的的 关系：关系：d=4r/3 (3)(3)杂质与合金元素。杂质与合金元素。“气团作气团作”钉扎晶界钉扎晶界, ,不利于晶界移动。不利于晶界移动。 (4)(4)晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界，晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界， 因而前者的移动速率低于后者。因而前者的移动速率低于后者。第四节 晶粒长大晶粒长大二二 晶粒的异常长大晶粒的异常长大1 1 异常长大异常长大: :少数再结晶晶粒的急剧长大现象。少数再结晶晶粒的急剧长大现象。( (二次再结晶二次再结晶）2 2 基本条件基本条件: :正常晶粒长大过程被正常晶粒长大过程被( (第二分散相微粒、织构）第二分散相微粒、织构） 强烈阻碍。强烈阻碍。3 3 驱动力：界面能变化。（不是重新形核）驱动力：界面能变化。（不是重新形核）第四节 晶粒长大晶粒长大二二 晶粒的异常长大晶粒的异常长大 钉扎晶界的第二相溶于基体钉扎晶界的第二相溶于基体. .4 4 机制机制 再结晶织构中位向一致晶粒的合并再结晶织构中位向一致晶粒的合并. . 大晶粒吞并小晶粒大晶粒吞并小晶粒. . 各向异性各向异性 织构明显织构明显 优化磁导率优化磁导率 5 对组织和性能的影响对组织和性能的影响 晶粒大小不均晶粒大小不均 性能不均性能不均 降低强度和塑韧性降低强度和塑韧性 晶粒粗大晶粒粗大 提高表面粗糙度提高表面粗糙度第四节 晶粒长大晶粒长大三三 再结晶退火的组织再结晶退火的组织1 1 再结晶图。退火温度、变形量与晶粒大小的关系图。再结晶图。退火温度、变形量与晶粒大小的关系图。2 2 再结晶织构再结晶织构: :再结晶退火后形成的织构。退火可将形变织再结晶退火后形成的织构。退火可将形变织 构消除，也可形成新织构。构消除，也可形成新织构。 择优形核（沿袭形变织构）择优形核（沿袭形变织构） 择优生长（特殊位向的再结晶晶核快速长大）择优生长（特殊位向的再结晶晶核快速长大）3 3 退火孪晶退火孪晶: :再结晶退火后出现的孪晶。是由于再结晶过程再结晶退火后出现的孪晶。是由于再结晶过程 中因晶界迁移出现层错形成的。中因晶界迁移出现层错形成的。第五节 金属的热变形金属的热变形一一 动态回复与动态再结晶动态回复与动态再结晶 1 1 动态回复：在塑变过程中发生的回复。（静态动态回复：在塑变过程中发生的回复。（静态) 2 2 动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。 （静态（静态) 特点特点 反复形核，有限长大，晶粒较细。反复形核，有限长大，晶粒较细。 包含亚晶粒，位错密度较高包含亚晶粒，位错密度较高,强度硬度高。强度硬度高。 应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、 快的冷却速度可获得细小晶粒。快的冷却速度可获得细小晶粒。第五节 金属的热变形金属的热变形二二 金属的热加工金属的热加工1 加工的分类加工的分类 冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。发生加工硬化。冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。发生加工硬化。热加工：在再结晶温度以上的加工过程。（硬化、回复、热加工：在再结晶温度以上的加工过程。（硬化、回复、 再结晶。）再结晶。） 2 热加工温度：热加工温度：T再再T热加工热加工T固固100200。第五节 金属的热变形金属的热变形二二 金属的热加工金属的热加工3 热加工后的组织与性能热加工后的组织与性能 （1）改善铸锭组织。气泡焊合、破碎碳化物、细化晶粒、）改善铸锭组织。气泡焊合、破碎碳化物、细化晶粒、 降低偏析。提高强度、塑性、韧性。降低偏析。提高强度、塑性、韧性。 （2）形成纤维组织（流线）。）形成纤维组织（流线）。 组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。 性能：各向异性。沿流线方向塑性和韧性提高明显。性能：各向异性。沿流线方向塑性和韧性提高明显。第五节 金属的热变形金属的热变形二二 金属的热加工金属的热加工3 热加工后的组织与性能热加工后的组织与性能 （3）形成带状组织）形成带状组织 形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响：各向异性。类似于流线组织。影响：各向异性。类似于流线组织。 消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高 温扩散退火或正火。温扩散退火或正火。第五节 金属的热变形金属的热变形二二 金属的热加工金属的热加工4 热加工的优点热加工的优点 （1）可持续大变形量加工。）可持续大变形量加工。 （2）动力消耗小。）动力消耗小。 （3）提高材料质量和性能）提高材料质量和性能第五节 金属的热变形金属的热变形三三 超塑性超塑性1 超塑性：某些材料在特定变形条件下呈现的特别大的超塑性：某些材料在特定变形条件下呈现的特别大的 延伸率。延伸率。2条件：晶粒细小、温度范围（条件：晶粒细小、温度范围（0.50.65Tm）、应变速率小）、应变速率小 （10.01%/s）。）。3 本质：多数观点认为是由晶界的滑动和晶粒的转动所致。本质：多数观点认为是由晶界的滑动和晶粒的转动所致。4 应用：复杂零件的精密成形；难于热变形材料的加工。应用：复杂零件的精密成形；难于热变形材料的加工。 6h