回复与再结晶.ppt

第六章 金属及合金的回复与再结晶,2,第一节 形变金属与合金在退火过程中的变化,金属和合金经塑性变形后，内部组织结构与各项性能均发生相应变化，并产生大量晶体缺陷（位错、空位等），变形金属中还储存了相当数量的弹性畸变能，使其处于热力学不稳定的高自由能状态。因此，经塑性变形的材料具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势。当冷变形金属加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。,3,一、显微组织的变化,4,5,二、储存能及内应力的变化,加热过程中变形金属的性能变化,回复阶段释放的储存能较少，再结晶晶粒出现的温度对应于储能释放曲线的高峰。 在回复阶段，大部分或全部的宏观内应力可以消除，而微观内应力只有通过再结晶方可全部消除。,6,残余应力,金属在塑性变形过程中，外力所作的功大部分转化为热能，但尚有一小部分（约占总变形功的10）保留在金属内部，形成残余内应力和点阵畸变。 1. 宏观内应力（第一类内应力） 由于金属工件或材料各部分的不均匀变形所引起的，它是整个物体范围内处于平衡的力。 2. 微观内应力（第二类内应力） 由于晶粒或亚晶粒变形不均匀而引起的，它是在晶粒或亚晶粒范围内处于平衡的力。 3. 点阵畸变（第三类内应力） 由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。只在晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡，作用范围是几十至几百纳米。,7,由于杂质原子和合金元素阻碍再结晶的形核和长大，推迟再结晶过程，从而使不纯金属和合金中的储能在再结晶开始以前能通过回复而较多地释放出来。,A 纯金属 B 不纯金属 C 合 金,8,三、性能及其他指标的变化,加热过程中变形金属的性能变化,9,第二节 回 复,回复（recovery）是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 冷变形金属在回复阶段，金属的变形晶粒形态并未发生任何变化，但是金属的一些性能如内应力、密度、电阻率等则有明显的变化。这是由于在比晶粒更微观的结构层次上与这些性能相关的点阵缺陷密度和组态变化的结果。,10,一、退火温度和时间对回复过程的影响,回复过程是原子的迁移扩散过程。,11,二、回复机制,一般认为，回复是空位和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的数量和组态的过程。 回复阶段的加热温度不同，冷变形金属的回复机制各异。 1. 低温回复 低温回复主要与点缺陷（空位和间隙原子）的迁移有关。 点缺陷运动的结果，使点缺陷密度明显下降。,12,2. 中温回复 加热温度稍高时，会发生位错运动和重新分布。回复的机制主要与位错的滑移有关，同一滑移面上的异号位错可以相互吸引而抵消。 3. 高温回复 高温时，刃型位错可获得足够能量产生攀移，发生多边化（或多边形化）。 多边化：冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的位错通过攀移和滑移，形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。 多边化的驱动力：弹性应变能的降低。,13,14,三、亚结构的变化,15,四、回复退火的应用,回复退火在工程上称之为去应力退火，使冷加工的金属件在基本保持加工硬化状态的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力），以避免或减轻变形并改善工件的耐蚀性。,16,第三节 再 结 晶,冷变形后的金属加热到一定温度或保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，位错密度显著降低，性能也发生显著变化，并恢复到冷变形前的水平，这个过程称为再结晶（recrystallization）。 再结晶的驱动力：储存能的降低（与回复的驱动力相同）。,17,18,19,再结晶的特点 变形金属发生再结晶时，力学性能发生显著变化，金属恢复到软化状态；变形储存能得到充分释放；新的无畸变等轴晶完全取代了原畸变晶粒，但是再结晶前后晶格类型不变，因此再结晶不是相变。,20,一、再结晶晶核的形成与长大 （一）形 核 1. 亚晶长大形核机制 一般在大的变形度下发生。可能有两种方式： （1）亚晶合并形核（适于高层错能金属） （2）亚晶界移动形核（适于低层错能金属） 两种方式都是通过消耗周围的高能量区长大成为再结晶晶核。因此，随着变形度的增大，会产生更多的高能量区，从而有利于再结晶晶核的形成。,层错能：产生单位面积层错所需的能量。,21,22,2. 晶界凸出形核机制 对于变形程度较小（约小于40%）的金属，其再结晶晶核常以晶界凸出方式形成，即应变诱导晶界移动或称为晶界弓出形核机制。,晶界凸出形核,23,再结晶退火时，晶界中的某一段向亚晶粒细小、位错密度高的一侧弓出。,24,（二）长 大 再结晶晶核形成之后，它就借界面的移动而向周围畸变区域长大。 界面迁移的驱动力是无畸变的新晶粒与周围畸变的母体（即旧晶粒）之间的应变能差。 界面移动的方向总是背离界面曲率中心，向着畸变区域推进。直到全部形成无畸变的等轴晶粒为止，再结晶即告完成。,25,二、再结晶温度及其影响因素 再结晶温度：经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成再结晶（95%转变量）的温度。 再结晶不是相变，没有一个恒定的转变温度。因此再结晶温度不是一个物理常数，而是随条件的不同（如变形程度、材料纯度、退火时间等），可以在一个较宽的范围内变化。 金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在经验关系： T再 Tm (K) 对于工业纯金属，值为 0.350.4； 对于高纯金属，值为 0.250.35 甚至更低。,26,影响再结晶温度的因素,1. 变形程度 随着冷变形程度的增加，储能也增多，再结晶的驱动力越大，再结晶温度越低。但当变形量增大到一定程度后，再结晶温度基本上稳定不变了。 在给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量（临界变形度）。低于此变形度，不发生再结晶。 2. 原始晶粒尺寸 在其他条件相同的情况下，原始晶粒越细小，冷变形时加工硬化率大，储能高，再结晶温度则较低。此外，晶界往往是再结晶形核的有利区域，故再结晶形核率和长大速率均增加，再结晶温度也被降低。,27,3. 微量溶质原子 微量溶质原子的存在能显著提高再结晶温度。,28,4. 第二相 弥散的第二相能提高再结晶温度。弥散度愈大，效果愈好。如果第二相数量不多而且弥散度不大时，有可能使再结晶温度降低。 5. 加热速度与保温时间 加热速度过于缓慢时，再结晶温度上升。但是，极快的加热速度也会因在各温度下停留时间过短而来不及形核与长大，也会致使再结晶温度升高。 在一定范围内延长保温时间会降低再结晶温度。,在烧结铝中加入5%的Al2O3，可使再结晶温度提高到500。,29,三、再结晶晶粒大小的控制,再结晶晶粒的平均直径d可用下式表达：,式中，,为形核率；G为长大线速度；K为比例常数。,由上式可知，再结晶后的晶粒大小决定于,的比值。,30,影响再结晶晶粒大小的因素,（一）变形度,当变形量很小时，晶粒尺寸即为变形前原始晶粒的尺寸。 当变形量增大到某一数值（一般金属在2%10%范围内）时，再结晶后的晶粒特别粗大。通常把对应于得到特别粗大晶粒的变形度称为临界变形度。,31,当变形度超过临界变形度后，则变形度越大，晶粒越细小。 当变形度达到一定程度后，再结晶晶粒大小基本保持不变。,32,33,（二）再结晶退火温度,当变形程度和保温时间一定时，提高再结晶退火温度，不仅使再结晶后的晶粒变得更粗大，而且还减小临界变形度的具体值。,34,（三）原始晶粒尺寸,当变形度一定时，原始晶粒越细，金属中晶界面积越大，形成再结晶晶核的部位也越多，造成形核率增大，则再结晶后的晶粒也越细。,35,溶于基体中的合金元素及杂质，一方面增加变形金属的储存能，另一方面阻碍晶界的运动，一般均起细化晶粒的作用。,（四）合金元素及杂质,36,第四节 晶 粒 长 大,再结晶刚结束时，再结晶组织为细小的等轴晶粒。若继续提高加热温度或延长保温时间，则再结晶晶粒将通过晶界的迁移使一部分晶粒尺寸增大，而另一部分晶粒尺寸减小直至消失，这一现象称之为晶粒长大。 正常长大：晶粒均匀连续地长大。 反常长大（二次再结晶）：晶粒不均匀不连续地长大。,37,一、晶粒的正常长大 晶体中有许多晶粒获得长大条件，晶粒的长大是连续地、均匀地进行，晶粒长大过程中晶粒的尺寸是比较均匀的，晶粒平均尺寸的增大也是连续的。 （一）晶粒长大的驱动力 晶粒长大的驱动力是总的界面能的降低，即晶粒长大前后总的界面能差。 细晶粒长大成为粗晶粒是使金属自由能下降的自发过程。晶界的界面能越大，曲率半径越小（或曲率越大），则晶界移动的驱动力越大。,38,晶粒长大时，弯曲的晶界总是趋向于平直化，即向晶界的曲率中心方向移动以减少界面积。这与再结晶时晶界移动的方向正好相反。,39,因晶界为大角度晶界，其晶界能为常数，故 12 = 13 = 23 因此三个相邻晶粒晶界相交点力学平衡条件为： 12 = 13 = 23 = 120 所有三晶界相交而相互间夹角不是120的将通过晶界迁移趋向120。,（二）晶粒的稳定形状,40,41,晶粒稳定形状的两个必备条件（缺一不可）： （1）所有的晶界均为直线； （2）晶界间的夹角均为120。,42,六边形晶粒满足晶界夹角应为120的力学平衡要求并可保持晶界平直，故最为稳定。 边数小于6的晶粒为满足120晶间夹角要求而具有外凸的晶界，而外凸的晶界将向曲率中心迁移使晶粒缩小。 边数大于6的晶粒为满足120晶间夹角要求则具有内凹的晶界，内凹晶界迁移的结果使晶粒长大。,43,44,晶粒正常长大的一般规律：晶界迁移总是朝向晶界的曲率中心方向；随着晶界迁移，小晶粒（晶粒边数小于6）逐渐被吞并到相邻的较大晶粒（晶粒边数大于6），晶界本身趋于平直化；三个晶粒的晶界交角趋于120，使晶界处于平衡状态。,45,晶粒长大是通过晶界迁移实现的，所有影响晶界迁移的因素都会影响晶粒长大。 1. 温 度 温度越高，晶粒长大速度越快。通常在一定温度下晶粒长大到一定尺寸后就不再长大，但升高温度后晶粒又会继续长大。 2. 杂质及合金元素 一般认为被吸附在晶界的溶质会降低晶界的界面能，从而降低界面移动的驱动力，使晶界不易移动，降低晶粒长大速度。,（三）影响晶粒长大的因素,46,3. 第二相质点 弥散分布的第二相质点阻碍晶界的移动，使晶粒长大受到抑制。 稳定晶粒尺寸d = 4r/3。式中，r为第二相质点半径，为第二相质点的体积分数。 第二相质点越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越细小。 4. 相邻晶粒的位向差 晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关。与大角度晶界相比，小角度晶界的界面能低，故界面移动的驱动力小，晶界移动速度低。所以大角度晶界的移动速度大于小角度晶界。,47,二、晶粒的反常长大,将再结晶完成后的金属继续加热至某一温度以上，或更长时间地保温，会有少数晶粒优先长大，成为特别粗大的晶粒，而其周围较细的晶粒则逐渐被吞食掉，整个金属由少数比再结晶后晶粒要大几十倍甚至几百倍的特大晶粒组成，又称为不连续晶粒长大或二次再结晶。,48,49,二次再结晶的驱动力来自界面能的降低，与正常长大的驱动力相同。 严格说来，二次再结晶是在特殊条件下的晶粒长大现象，并非是再结晶。 发生晶粒反常长大的基本条件是晶粒的正常长大过程被弥散的夹杂物、第二相粒子或织构等强烈地阻碍。,50,二次再结晶导致晶粒粗大，降低材料的强度、塑性和韧性，对产品的性能非常有害。因此，在制订材料的再结晶退火工艺时，一般应避免发生二次再结晶。,51,三、再结晶退火后的组织,再结晶退火是将冷变形金属加热到规定温度，并保温一定时间，然后缓慢冷却到室温的一种热处理工艺。其目的是降低硬度，提高塑性，恢复并改善材料的性能。 （一）再结晶图 通常将再结晶后晶粒大小、变形程度和退火温度之间的关系（保温时间一定）绘制成立体图形，称为“再结晶图”。,52,53,（二）再结晶织构和退火孪晶,1. 再结晶织构 当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而彼此趋于一致，这一现象称为晶粒的择优取向。由于金属塑性变形使晶粒具有择优取向的组织称为形变织构。 具有形变织构的金属经再结晶后的新晶粒若仍具有择优取向，则称之为再结晶织构或退火织构。再结晶织构可能和原来的形变织构一致，但更经常和原来的形变织构完全不同。,54,变形度越大，退火温度越高，所产生的织构越显著。 当出现织构后，多晶体金属显示出各向异性，对材料的性能和加工工艺有很大的影响。,55,深冲工件上的“制耳”,56,2. 退火孪晶 具有镜面对称位向关系的两部分晶体称为孪晶，对称晶面称为孪晶面。,57,形成孪晶的主要方式有三种： （1）形变孪晶（机械孪晶）：通过机械变形产生的孪晶； （2）生长孪晶：包括晶体自气态（如气相沉积）、液态（液相凝固）或固体中长大时形成的孪晶； （3）退火孪晶（再结晶孪晶）：变形金属在其再结晶退火过程中形成的孪晶。,58,第五节 金属的热加工,一、金属的热加工与冷加工 热加工：在再结晶温度以上进行的加工过程。 冷加工：在再结晶温度以下进行的加工过程。 例如，低熔点金属（如Pb、Sn等）的再结晶温度低于室温，在室温下的加工实际上是热加工；高熔点金属，如W的再结晶温度约为1200，因此即使在1000变形时仍会造成加工硬化，属于冷加工。,59,在热加工过程中，在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。 动态回复、动态再结晶：在热加工过程中同时出现的回复与再结晶。 静态回复、静态再结晶：变形中断或终止后的保温过程中，或者在随后的冷却过程中所发生的回复与再结晶。,60,二、动态回复与动态再结晶,对于层错能较高的金属，如Al、-Fe、铁素体钢以及一些密排六方金属（Mg、Zn）等，交滑移容易进行，在热变形过程中动态回复是软化的主要方式，其应力应变曲线如左图所示。,（一）动态回复,61,第阶段：微应变阶段 第阶段：均匀变形阶段 第阶段：稳态流变阶段,达到稳态流变时应力值与变形温度、应变速率有关。升高变形温度或降低应变速率，都将使稳态流变应力降低。,62,动态回复的组织形态特点：在纤维状晶粒内有等轴状的亚晶粒。变形温度越低，应变速率越大，则形成的亚晶尺寸越小。 动态回复的组织比较稳定，如果在热变形后迅速冷却，亚晶组织便可以保留下来。 动态回复组织的强度远高于再结晶组织，因此可作为强化材料的一种途径。,63,对具有低层错能的材料，如Cu、Au、Ni、Ag、Pd及其合金、-Fe、奥氏体不锈钢和奥氏体合金以及高纯度的-Fe等，不易发生交滑移和动态回复。此时，动态再结晶成为动态软化的主要方式。 动态再结晶应力应变曲线的形状取决于应变速率。,（二）动态再结晶,64,第阶段：加工硬化阶段（0C） 第阶段：动态再结晶开始阶段（CS） 第阶段：稳态流变阶段（S）,动态再结晶的应力应变曲线受变形温度和应变速率的影响明显。变形温度上升或应变速率下降都将使应力应变曲线向下方移动。,65,动态再结晶的组织形态特点：在等轴晶内存在被缠结位错所分割的亚晶粒。动态再结晶的晶粒比静态再结晶的细小。 动态再结晶的晶粒大小决定于应变速率和变形温度。提高变形温度，降低应变速率，可得到较大的等轴晶粒。 如果将动态再结晶的组织迅速冷却下来，可以获得比静态再结晶组织高的强度和硬度。,66,三、热加工后的组织和性能 （一）改善铸锭组织 通过热加工可使铸锭中的组织缺陷得到明显改善，显著提高材料的质量和力学性能。 机械焊合气孔、疏松等，使金属材料的致密度增加。 破碎铸态组织中粗大的柱状晶和树枝晶，使晶粒细化。 某些合金钢中的大块初晶或共晶碳化物以及粗大的夹杂物等被打碎，并均匀分布。 可部分消除偏析，提高合金成分的均匀性。,67,（二）纤维组织 在热变形时，铸锭中的各种夹杂物和偏析等随着基体金属一起伸长和流动，在宏观试样上沿着变形方向分布，形成一条条细线，称为流线。由一条条流线勾画出来的组织，叫做纤维组织。 由于流线总是平行于主变形方向，因此由流线即可推断金属加工过程。,68,纤维组织的形成使金属的力学性能呈现各向异性。沿着流线方向比垂直于流线方向具有较高的力学性能。因此，在制造金属零件时应考虑流线与零件受力方向之间的关系。,69,（三）带状组织 多相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布，这种组织称为带状组织。 带状组织使金属材料的力学性能产生明显的各向异性。沿着带状组织方向比垂直于带状组织方向具有较高的力学性能。,70,71,（四）晶粒大小 热变形材料的力学性能在很大程度取决于其晶粒大小，细小的晶粒既提高强度又增加韧性。所以要控制好热加工中的变形温度、应变速率、变形量以及热加工后在高温下的停留时间和冷却速率等工艺参数，以得到细小均匀的晶粒组织，提高材料的性能。,72,End,