《回复和再结晶》PPT课件.ppt

5.3 5.3 回复和再结晶回复和再结晶金属金属经过一定程度冷塑性一定程度冷塑性变形后，形后，组织和性和性能都能都发生了明生了明显的的变化，由于各种缺陷及内化，由于各种缺陷及内应力力的的产生，生，导致金属晶体在致金属晶体在热力学上力学上处于不于不稳定状定状态，有自，有自发向向稳定定态转化的化的趋势。通。通过适当的加适当的加热和保温和保温过程，程，这种种趋势就会成就会成为现实。这种种变化的表化的表现就是一系列就是一系列组织、性能的、性能的变化。根据其化。根据其显微微组织及性能的及性能的变化情况，可将化情况，可将这种种变化分化分为三个三个阶段：回复、再段：回复、再结晶和晶粒晶和晶粒长大。大。1.冷冷变形金属在加形金属在加热时的的组织和性能和性能变化化 2.回复回复 3.再再结晶晶 4.晶粒晶粒长大大5.再再结晶晶织构与退火构与退火孪晶晶 5.3.1 5.3.1 冷变形金属在加热时的组织冷变形金属在加热时的组织和性能变化和性能变化1.显微微组织变化化回复（回复（recovery):recovery):是指新的无畸变晶粒出现前所产生的是指新的无畸变晶粒出现前所产生的亚结构和性能变化的阶段，在金相显微镜中无明亚结构和性能变化的阶段，在金相显微镜中无明显变化；显变化；再结晶：再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代再结晶：再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；变形晶粒的过程；晶粒长大晶粒长大 ：指再结晶结束后晶粒的长大过程。：指再结晶结束后晶粒的长大过程。这一过程如下图所示这一过程如下图所示加热时冷变形金属显微组织发生变化加热时冷变形金属显微组织发生变化性能变化性能变化 冷冷变形形金金属属在在退退火火过程程中中的的性性能能和和能能量量变化化如如下下图所示：所示：1.力学性能力学性能 (1)硬硬度度（hardness）和和强度度（strength）:回复回复阶段段,变化不大化不大,再再结晶下降晶下降较大大 (2)塑塑性性:回回复复阶段段,变化化不不大大;再再结晶晶阶段段上上升升；粗化后下降。粗化后下降。2.物理性能物理性能 (1)电阻阻（resistance）:回回复复阶段段，电阻阻率率明明显下降。下降。(2)密密度度（density）:回回复复阶段段变化化不不大大，再再结晶晶阶段上升。段上升。3.内内应力力:回回复复阶段段基基本本消消除除完完毕宏宏观应力力,而而微微观应力消除需再力消除需再结晶后才能完成晶后才能完成4.亚晶粒尺寸：回复前期晶粒尺寸：回复前期变化不大，后期化不大，后期显著增大；著增大；5.储存能存能释放（放（releaseofstoredenergy）5.3.2 5.3.2 回复回复（一）回复（一）回复动力学力学 在在回回复复阶段段，材材料料性性能能的的变化化是是随随温温度度和和时间的的变化化而而变化化的的，下下图所所示示是是相相同同变形形程程度度多多晶晶体体铁在在不不同同温温度度下下的的回回复复动力力学学曲曲线。图中中纵坐坐标为余余应变硬硬化化率率(1R)。R为屈服屈服应力回复率，力回复率，其其中中s、r和和0分分别代代表表变形形前前、变形形后后以以及及回回复复后后的的屈屈服服应力力。显然然屈屈服服应力力回回复复程程度度R愈愈大大，则剩剩余余应变硬化率硬化率(1R)越小。越小。回复回复过程是一个程是一个驰豫豫过程，具有以下特点：程，具有以下特点：n回复回复过程在加程在加热后立刻开始，没有孕育期；后立刻开始，没有孕育期；n回复开始的速率很大，随着回复开始的速率很大，随着时间的延的延长，逐，逐渐降低，直至降低，直至趋于零；于零；n加加热温度越高，最温度越高，最终回复程度也越高；回复程度也越高；n变形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加快回复速率。快回复速率。回复特征通常可用一回复特征通常可用一级反反应方程来表达，即：方程来表达，即：（1）式中式中t为恒温下的加恒温下的加热时间，x为冷冷变形形导致的性能增量致的性能增量经加加热后的后的残留分数，残留分数，c为与材料和温度有关的比例常数，与材料和温度有关的比例常数，c值与温度的关系具有与温度的关系具有典型的典型的热激活激活过程的特点：程的特点：（2）式中式中Q为激活能，激活能，R为气体常数气体常数(8.3110-3J/kgmolK)，c0为比比例常数，例常数，T为绝对温度。将式（温度。将式（2）代入方程（）代入方程（1）中并）中并积分，以分，以x0表表示开始示开始时性能增量的残留分数，性能增量的残留分数，则得：得：在不同温度下如以回复到相同程度作比在不同温度下如以回复到相同程度作比较，即上，即上式左式左边为常数，常数，这样对两两边同同时取取对数：数：于是，通于是，通过作作图所得到的直所得到的直线关系，由其斜率即可求关系，由其斜率即可求出回复出回复过程的激活能程的激活能Q。铁的回复的回复实验表明，短表明，短时间回复回复时，其激活能与空位，其激活能与空位迁移澈活能相近，迁移澈活能相近，长时间回复回复时，其激活能与，其激活能与铁的自的自扩散散激活能相近。因此激活能相近。因此对于冷于冷变形金属的回复不能用形金属的回复不能用单一机制一机制描述。描述。(二二)回复机制回复机制n（1）低温回复）低温回复n此此时因温度因温度较低，原子活低，原子活动能力有限，一般局限于点能力有限，一般局限于点缺陷的运缺陷的运动，通，通过空位迁移至晶界、位空位迁移至晶界、位错或与或与间隙原子隙原子结合而消失，使冷合而消失，使冷变形形过程中形成的程中形成的过饱和空位和空位浓度下降。度下降。对点缺陷敏感的点缺陷敏感的电阻率此阻率此时会会发生明生明显下降。下降。n（2）中温回复）中温回复n此此时因温度升高，原子活因温度升高，原子活动能力也增能力也增强，除点缺陷运，除点缺陷运动外，位外，位错也被激活，在内也被激活，在内应力作用下开始滑移，部分异力作用下开始滑移，部分异号位号位错发生抵消，因此位生抵消，因此位错密度略有降低。密度略有降低。n（3）高温回复）高温回复n变形金属在形金属在较高温（高温（0.3Tm）下，）下，变形金属的回复形金属的回复机制主要与位机制主要与位错的攀移运的攀移运动有关。有关。这时同一滑移面上的同同一滑移面上的同号刃型位号刃型位错在本身在本身弹性性应力力场作用下，作用下，还可能可能发生攀移运生攀移运动，最，最终通通过滑移和攀移使得滑移和攀移使得这些位些位错从同一滑移面从同一滑移面变为在不同滑移面上在不同滑移面上竖直排列的位直排列的位错墙以降低以降低总畸畸变能。能。多多边化化过程程的的驱动力力主主要要来来自自应变能能的的下下降，降，产生的条件生的条件:(1)塑性塑性变形使晶体点形使晶体点阵发生弯曲。生弯曲。(2)在滑移面上有塞在滑移面上有塞积的同号刃型位的同号刃型位错。(3)需需加加热到到较高高温温度度使使刃刃型型位位错能能产生生攀攀移移运运动。多多边化前后刃型位化前后刃型位错的排列情况下的排列情况下图所示：所示：5.3.3 5.3.3 再结晶再结晶再再结晶是指晶是指经冷冷变形金属加形金属加热到一定温度到一定温度时，通，通过形成新的等形成新的等轴晶粒并逐步取代晶粒并逐步取代变形晶形晶粒的粒的过程。与前述回复程。与前述回复过程的主要区程的主要区别是再是再结晶是一个光学晶是一个光学显微微组织完全改完全改变的的过程，随着程，随着保温保温时间的延的延长，新等，新等轴晶数量及尺寸不断增晶数量及尺寸不断增加，直至原加，直至原变形晶粒全部消失形晶粒全部消失为止，再止，再结晶晶过程就程就结束了。束了。(一一)再再结晶晶过程程再再结晶晶过程是形核和程是形核和长大大,但无晶格但无晶格类型型变化。化。1.形核形核实验表表明明，再再结晶晶通通常常在在变形形金金属属中中能能量量较高高的的局局部部区区域域优先先形形成成无无畸畸变的的再再结晶晶晶晶核核，其其形形核核机机制制有：有：(1)晶界弓出形核晶界弓出形核(凸出形核机制凸出形核机制)对于于变形形度度较小小（20%）的的金金属属，再再结晶晶核核多多以以这种方式。其形核种方式。其形核过程如下程如下图所示：所示：n假假设弓出形核核心弓出形核核心为球冠型，球冠半径球冠型，球冠半径为L，晶界界面能，晶界界面能为，冷，冷变形金属中形金属中单位体位体积储存能存能为Es，若界面由，若界面由I推推进至至II，其，其扫过的面的面积为dV，界面的面，界面的面积为dA，若，若dV体体积内全部内全部储存能都被存能都被释放，放，n则此过程中的自由能变化为：n若晶界为球面，设其半径为若晶界为球面，设其半径为r，则，则n 显然若晶界弓出段两端然若晶界弓出段两端a、b固定，且固定，且值恒定，恒定，则开始开始阶段随段随ab弓出弯曲，弓出弯曲，r逐逐渐减小、减小、G值增大。增大。当当r达到最小达到最小值(rab/2L)时，G将达到最大将达到最大值。此后，若此后，若继续弓出，由于弓出，由于r的增大而的增大而 G减小，于是，减小，于是，晶界将自晶界将自发地向前推移。因此，一般段地向前推移。因此，一般段长为2L的晶的晶界，其弓出形核的能量条件界，其弓出形核的能量条件为 G rc便便会会借借助助于于界界面面向向高高畸畸变区区域域长大大。以以亚晶晶迁迁移移机机制制形形成成的的晶晶核核，一一旦旦形形成成大大角角度度晶晶界界就就可可迅迅速速移移动,扫除除其其遇遇到到的的位位错,留留下下无无应变的的晶晶体体。晶晶界界迁迁移移的的驱动力力为新新、旧旧晶晶粒粒之之间的的自自由由能能差差。迁迁移移方方向向总是是背背向向曲曲率率中中心心，向向着着畸畸变区区推推进，直直到到完全形成无畸完全形成无畸变晶粒。晶粒。(二二)再再结晶晶动力学力学再再结晶晶动力力学学：取取决决于于形形核核率率N和和长大大速速率率G的的大大小小。纵纵坐坐标标表表示示已已再再结结晶晶晶晶粒粒分分数数，横横坐坐标标表表示示保保温温时时间。间。结晶晶动力学曲力学曲线表示表示TRt关系曲关系曲线,其特点：其特点：(1)恒温恒温动力学曲力学曲线呈呈“S”形形(2)有一孕育期有一孕育期 (3)等等温温下下,再再结晶晶速速度度呈呈现“慢慢、快快、慢慢”的的特特点点n等温再等温再结晶晶动力学曲力学曲线可用阿弗拉密可用阿弗拉密Avrami方程描述：方程描述：n式式中中xR为再再结晶晶的的体体积分分数数，B为随随温温度度升升高高而而增增大大的的系数，系数，k也是一个常数，两也是一个常数，两边取自然取自然对数，可得数，可得 n作 图，其直线的斜率就是k，截距就是lgB。等温的温度等温的温度对再再结晶速率的影响可用阿累尼晶速率的影响可用阿累尼乌斯方程表示：斯方程表示：vAexp（Q/RT)而再而再结晶速率和晶速率和产生某一体生某一体积分数再分数再结晶量成反比故：晶量成反比故：1/tA exp（Q/RT)两两边取取对数可得：数可得：ln1/tln A-Q/R*1/T可以作可以作lnt1/T图求出再求出再结晶激活能晶激活能同同样，两个不同温度下，两个不同温度下，产生同生同样程度的再程度的再结晶晶时，可得：，可得：t1/t2=exp(-Q/R)(1/T2-1/T1)(三三)再再结晶温度晶温度再再结晶温度：冷晶温度：冷变形金属开始形金属开始进行再行再结晶最低温度。晶最低温度。测定方法：金相法：定方法：金相法：显微微镜中出中出现第一第一颗新晶粒温度新晶粒温度硬度法：硬度下降硬度法：硬度下降50%时的温度的温度 一一般般工工业上上所所说的的再再结晶晶温温度度是是指指经较大大冷冷变形形量量（70%）的的金金属属，在在1h完完成成再再结晶晶体体积分分数数95%所所对应的温度。的温度。实际生生产上确定方法：上确定方法：一般一般TR=（0.350.40）Tm一些金属的再结晶温度一些金属的再结晶温度影响再影响再结晶的因素晶的因素1.变形形程程度度：变形形度度增增大大、开开始始TR下下降降，等等温温退退火火再再结晶速度越快，而大到一定程度，晶速度越快，而大到一定程度，TR趋于于稳定。定。2.原原始始晶晶粒粒尺尺寸寸：其其它它条条件件相相同同时，金金属属原原始始晶晶粒粒细小小，则变形形抗抗力力大大，形形变储存存能能高高，则TR越越低低，同同时形核率和形核率和长大速度均增加，有利于再大速度均增加，有利于再结晶。晶。3.微量溶微量溶质原子：其作用一方面以固溶状原子：其作用一方面以固溶状态存在于金存在于金属中，会属中，会产生固溶生固溶强化作用，有利于再化作用，有利于再结晶；另一晶；另一方面溶方面溶质原子偏聚于位原子偏聚于位错和晶界和晶界处，起阻碍作用。，起阻碍作用。总体上起阻碍作用，使体上起阻碍作用，使TR提高。提高。4.第第二二相相粒粒子子：其其作作用用是是两两方方面面的的,这主主要要取取决决于于分分散散相相粒粒子子大大小小与与分分布布。第第二二相相粒粒子子尺尺寸寸较大大,间距距较宽（1微微米米），促促进再再结晶晶。第第二二相相粒粒子尺寸子尺寸较小且又密集分布小且又密集分布时阻碍再阻碍再结晶形成。晶形成。5.退退火火工工艺参参数数：加加热速速度度过于于缓慢慢或或极极快快时，TR上上升升；当当变形形程程度度和和保保温温时间一一定定，退退火火温温度度越越高高，再再结晶晶速速度度快快；在在一一定定范范围内内延延长保保温温时间，TR降低。降低。(四四)再再结晶后晶粒大小晶后晶粒大小再再结晶晶晶晶粒粒的的平平均均直直径径d与与形形核核率率u及及长大大速速度度I之之间的的关系如下：关系如下：影响再影响再结晶后晶粒大小的因素：晶后晶粒大小的因素：1.变形形程程度度的的影影响响 变形形度度很很小小时，晶晶粒粒尺尺寸寸为原原始始晶晶粒尺寸；粒尺寸；临界界变形形度度c时，晶晶粒粒特特别粗粗大大，一一般般金金属属c=28%;当当变形度大于形度大于c时，随，随变形度增加，晶粒逐形度增加，晶粒逐渐细化。化。2.退退火火温温度度：对刚完完成成再再结晶晶时的的晶晶粒粒尺尺寸寸影影响响较小小，若若T升升高高，再再结晶晶速速度度快快，c值变小。小。3.原原始始晶晶粒粒尺尺寸寸 当当变形形度度一一定定时，原原始始晶晶粒越粒越细，D越小。越小。4.微微量量溶溶质原原子子和和杂质元元素素 一一般般都都能能起起细化化再再结晶晶粒的作用。晶晶粒的作用。（六）六）再再结晶全晶全图再再结晶全晶全图：再再结晶全晶全图是表示是表示变形程度、退火温度及再形程度、退火温度及再结晶后晶粒大小关系的立体晶后晶粒大小关系的立体图形。形。5.3.4.5.3.4.晶粒长大晶粒长大再再结晶晶结束束后后，材材料料的的晶晶粒粒一一般般比比较细小小(等等轴晶晶)，若若继续升升温温或或延延长保保温温时间，晶晶粒粒会会继续长大大。晶晶粒粒长大大是是一一个个自自发过程程。晶晶粒粒长大的大的驱动力来自力来自总的界面能的降低。的界面能的降低。根据再根据再结晶后晶粒晶后晶粒长大特点，分大特点，分为:（1）正常晶粒）正常晶粒长大大:均匀均匀长大大 （2）异异常常晶晶粒粒长大大:不不均均匀匀长大大，又又称称二二次次再再结晶；把通常晶；把通常说的再的再结晶称晶称为一次再一次再结晶。晶。（一）晶粒正常（一）晶粒正常长大大1.晶晶粒粒长大大的的方方式式：长大大是是通通过大大晶晶粒粒吞吞食食小小晶晶粒粒，晶界向曲率中心的方向移晶界向曲率中心的方向移动进行的。行的。2.驱动力力：来来源源于于晶晶界界迁迁移移后后体体系系总的的自自由由能能的的降降低低，即即总的的界界面面能能的的降降低低。也也即即晶晶界界凸凸侧晶晶粒粒不不断断长大大,凹凹侧晶粒不断晶粒不断缩小。小。3.晶粒大小晶粒大小:平均晶粒直径与保温平均晶粒直径与保温时间关系关系:Dt=ct1/2式中表明在恒温下式中表明在恒温下发生正常晶粒生正常晶粒长大大时，平均，平均晶粒直径随保温晶粒直径随保温时间的平方根而增大。当金属中存的平方根而增大。当金属中存在阻碍晶界迁移的因素在阻碍晶界迁移的因素(如如杂质)时,t的指数的指数项小于小于1/2。4.影响因素影响因素 (1)温度温度 T 升高，晶粒升高，晶粒长大速度也越快，越易粗化。大速度也越快，越易粗化。(2)分散相微粒分散相微粒 当当合合金金中中存存在在第第二二相相微微粒粒时,粒粒子子对晶晶界界的的阻阻碍碍作作用用使使晶晶粒粒长大大速速度度降降低低。正正常常长大大停停止止时晶晶粒粒平平均均 尺尺 寸寸 称称 为 极极 限限 平平 均均 晶晶 粒粒 尺尺 寸寸，其其 值 为 式式:Dlim=4r/3 极极限限平平均均晶晶粒粒尺尺寸寸决决定定于于分分散散相相粒粒子子的的尺尺寸寸及及所所占占的的体体积分分数数。当当一一定定、r越越小小时,极极限限平平均均晶粒尺寸越小。晶粒尺寸越小。利利用用分分散散微微粒粒阻阻碍碍高高温温下下晶晶粒粒的的长大大，已已广广泛泛应用于金属材料和非金属材料中，如：用于金属材料和非金属材料中，如：钢中中加加入入V、Ti、Nb等等,可可形形成成TiN、TiC、VC、NbC、VN、NbN等等粒粒子子有有效效阻阻碍高温下碍高温下钢的晶粒的晶粒长大；大；在在陶陶瓷瓷烧结中中也也常常利利用用分分散散相相微微粒粒防防止止晶粒粗化。晶粒粗化。（3）晶粒）晶粒间位向差位向差 一一般般小小角角度度晶晶界界或或具具有有孪晶晶结构构的的晶晶界界迁迁移移速速度度很很小小；大大角角度度晶晶界界迁迁移移速速度度一一般般较快。快。（4）杂质与微量元素与微量元素阻碍晶界的迁移。阻碍晶界的迁移。(二二)晶粒异常晶粒异常长大大晶粒异常晶粒异常长大大(二次再二次再结晶、不晶、不连续晶粒晶粒长大大)：1.驱动力：来自力：来自总界面的降低。界面的降低。2.长大大方方式式：少少数数晶晶粒粒突突发性性地地迅迅速速地地粗粗化化，使使晶晶粒粒间的尺寸差的尺寸差别显著增大。不需重新形核。著增大。不需重新形核。3.条条件件：组织中中存存在在使使大大多多数数晶晶粒粒边界界比比较稳定定或或被被钉扎而只有少数晶粒扎而只有少数晶粒边界易迁移的因素。界易迁移的因素。这些因素些因素为：（1）再再结晶晶后后组织中中有有细小小弥弥散散的的第第二二相相粒粒子子，起起钉扎作用。扎作用。（2）再再结后后形形成成再再结晶晶织构构，晶晶粒粒位位向向差差小小，晶晶界迁移率小。界迁移率小。（3）若若金金属属为薄薄板板，则在在一一定定的的加加热条条件件下下有有热蚀沟出沟出现钉扎位扎位错。（4）再再结晶晶后后产生生了了组织不不均均匀匀现象象，存存在在个个别尺寸很大的晶粒。尺寸很大的晶粒。5.3.5 5.3.5 再结晶退火后的组织再结晶退火后的组织1.再再结晶晶织构构在在塑塑性性变形形后后，由由于于晶晶面面的的转动等等原原因因，在在组织中中会会形形成成一一定定的的形形变织构构，在在随随后后的的再再结晶晶过程程中中，这种种织构构可可能能消消失失，也也可可能能仍仍然然存存在在，但但是是一一般般与与形形变织构构并并不不相相同同。若若在在再再结晶晶后后组织中中形形成成了了具具有有择优取取向向的的晶晶粒粒，称称为再再结晶晶织构。构。n再再结晶晶织构与原冷构与原冷变形形织构构间存在三种情况：存在三种情况：（1）与原有的）与原有的织构相一致构相一致（2）原有）原有织构消失而形成新的构消失而形成新的织构构（3）原有）原有织构消失不再形成新的构消失不再形成新的织构构n再再结晶晶织构理构理论：（1）定向形核理）定向形核理论（2）定向生）定向生长理理论(1)定向生定向生长理理论认为：尽管金属中存在着：尽管金属中存在着强烈的烈的变形形织构，但是其再构，但是其再结晶晶核的取向大都是无晶晶核的取向大都是无规则的，只有某些具有特殊位向的晶核才可能的，只有某些具有特殊位向的晶核才可能迅速向迅速向变形基体中形基体中长大，即形成了再大，即形成了再结晶晶织构。构。(2)定向形核理定向形核理论认为：当：当变形量形量较大的金属大的金属组织存在存在变形形织构构时，由于各，由于各亚晶的位向相近，而晶的位向相近，而使再使再结晶形核具有晶形核具有择优取向，并取向，并经长大形成与大形成与原有原有织构相一致的再构相一致的再结晶晶织构。构。2.退火退火孪晶晶在在滑滑移移受受阻阻的的情情况况下下，晶晶体体有有可可能能采采取取孪生生的的方方式式进行行塑塑性性变形形，形形成成所所谓的的形形变孪晶晶。在在再再结晶晶退退火火过程程中中，一一些些面面心心立立方方金金属属，如如铜合合金金、奥奥氏氏体体不不锈钢、镍基合金等基合金等经冷冷变形退火后，会出形退火后，会出现如如图所示的退火所示的退火孪晶。晶。典型的退火典型的退火孪晶形晶形态：A.晶界交角晶界交角处的退火的退火孪晶晶B.贯穿整个晶粒的完整退火穿整个晶粒的完整退火孪晶晶C.一端一端终止于晶内的不完整退火止于晶内的不完整退火孪晶晶n在面心立方金居中形成退火在面心立方金居中形成退火孪晶晶时，需在，需在111面上面上产生堆生堆垛层错，即密排面，即密排面111由正常堆由正常堆垛顺序序ABCABCABC改改变为ABCBACBACBABC，如，如图所示。其中，所示。其中，C和和A两面两面为共格共格孪晶界面，其晶界面，其间的晶的晶体体则构成一退火构成一退火孪晶晶带。n退火退火孪晶的形成机制：晶的形成机制：一般一般认为，退火，退火孪晶是在晶粒晶是在晶粒生生长过程中形成的，如程中形成的，如图所示，当晶粒通所示，当晶粒通过晶界迁移晶界迁移而生而生长时，若原子，若原子层在晶界角在晶界角(111)面上的堆面上的堆垛顺序偶序偶然然发生生错堆，堆，则出出现一共格的一共格的孪晶界面晶界面T(相当于相当于图中中的的C面面)。该孪晶界面在大角晶界不断迁移的晶界面在大角晶界不断迁移的长大大过程程中，若原子再次在中，若原子再次在(111)面上面上发生生错堆而恢复正常堆堆而恢复正常堆垛顺序，序，则又形成第二个共格又形成第二个共格孪晶界面晶界面T(相当上相当上图中的中的A面面)，即构成了一个退火，即构成了一个退火孪晶晶带。5.45.4热变形与动态回复、再结晶热变形与动态回复、再结晶金属的金属的热加工和冷加工加工和冷加工n冷加工冷加工-在再在再结晶温度以下的晶温度以下的变形加工形加工.n热加工加工在再在再结晶温度以上的晶温度以上的变形加工形加工.动态回复和回复和动态再再结晶晶若提高金属若提高金属变形的温度形的温度,使金属在使金属在热变形形的同的同时也也发生回复和再生回复和再结晶，晶，这种与金属种与金属变形同形同时发生的回复与再生的回复与再结晶称晶称为动态回复回复(dynamicrecovery)和和动态再再结晶晶(dynamicrecrystallization)。（一）（一）动态回复回复1.动态回复回复时的真的真实应力真力真实应变曲曲线为动态回复回复时的的se曲曲线,可将曲可将曲线分分为三段：三段：n 第第阶段段微微应变阶段段:应力力增增加加很很快快,但但应变量量不不大大(小小于于1%),加工硬化开始出加工硬化开始出现。n 第第阶段段均均匀匀变形形阶段段:金金属属材材料料开开始始均均匀匀塑塑性性变形形.。伴伴随随加加工工硬硬化化作作用用的的加加强,开开始始出出现动态回回复复并并逐逐渐加加强,其其造造成成的的软化逐化逐渐抵消加工硬化作用抵消加工硬化作用,使曲使曲线的斜率下降并的斜率下降并趋于水平。于水平。n 第第阶段段稳态流流变阶段段:由由变形形产生生的的加加工工硬硬化化与与动态回回复复产生生的的软化化达达到到动态平平衡衡,流流变应力力不不再再随随应变的的增增加加而而增增大大,曲曲线保保持持水水平平状状态。达达到到稳态流流变时应力力值与与变形形温温度度和和应变速速率率有有关关,增增高高变形形温温度度或或降降低低应变速速率率,都都将将使使稳态流流变应力降低。力降低。2.动态回复回复时的的组织变化化（1）位位错密密度度:第第阶段段,位位错密密度度由由退退火火态的的1010增增至至1010。第第阶段段位位错密密度度升升高高,但但因因动态回回复复的的出出现,位位错消消失失率率也也增增大大。第第阶段段，位位错的的增增殖殖率率和和消消失失率率达达到到平平衡衡，位位错密密度度维持持在在1010。（2）组织变化化：动态回回复复过程程随随变形形的的进行行金金属属中中的的晶晶粒粒延延伸伸成成纤维状状，而而通通过多多边化化或或位位错胞胞规整整化化形形成成大大量量的的亚晶晶组织始始终保保持持等等轴状状。亚晶晶的的尺尺寸寸及及相相互互间位位向向差差取取决决于于金金属属类型型、形形变温温度度和和应变速率。速率。亚晶平均直径晶平均直径d与与T、的关系如下：的关系如下：1/d=a+blogexp（Q/RT）a、b为常数常数n 动态回回复复所所获得得的的亚稳组织可可通通过热变形形后后的的迅迅速速冷冷却却而而保保留留下下来来，其其强度度远远高高于于再再结晶晶组织的的强度度。但但若若从从高高温温缓冷冷下下来来，则将将发生静生静态再再结晶。晶。n 动态回回复复组织已已成成功功地地应用用于于提提高高建建筑筑合合金金挤压型材的型材的强度方面。度方面。动态回复和动态再结晶示意图动态回复和动态再结晶示意图（二）（二）动态再再结晶晶1.动态再再结晶的晶的应力力 如如图为金金属属在在一一定定温温度度下下以以不不同同应变速速率率变形形并并发生生动态再再结晶晶时的的se曲曲线，曲，曲线分成三个分成三个阶段：段：n 第第一一阶段段加加工工硬硬化化阶段段：应力力随随应变上上升升很很快快，金金属属出出现加工硬化（加工硬化（0max时，动态再再结晶晶的的软化化作作用用超超过加加工工硬硬化化，应力力随随应变增增加而下降（加而下降（cs）。）。n 第第三三阶段段稳定定流流变阶段段：随随真真应变的的增增加加，加加工工硬硬化化和和动态再再结晶晶引引起起的的软化化趋于于平平衡衡，流流变应力力趋于于恒恒定定。但但当当以以低低速速率率进行行时，曲，曲线出出现波波动，其原因主要是位，其原因主要是位错密度密度变化慢引起。化慢引起。2.动态再再结晶晶组织n动态再再结晶在晶在应变速率速率较低低时通晶界弓出形核，在通晶界弓出形核，在应变速率速率较高高时以以亚晶合并晶合并长大方式形核。大方式形核。n 其其长大是通大是通过新形成的大角度晶界及随后移新形成的大角度晶界及随后移动的方的方式式进行。行。n 其特点：反复形核、有限其特点：反复形核、有限长大。大。动态再再结晶的晶粒晶的晶粒为等等轴晶粒晶粒组织，晶粒，晶粒较为细小，其尺寸取决于小，其尺寸取决于应变速率和速率和变形温度。由于具有形温度。由于具有较高的位高的位错密度和位密度和位错缠结存在，存在，这种种组织比静比静态再再结晶晶组织具有具有较高的高的强度度和硬度。和硬度。5.4.2 5.4.2 热加工对组织和性能的影响热加工对组织和性能的影响n改善改善铸态组织，减少缺陷，减少缺陷热变形可形可焊合合铸态组织中的气孔和疏松等缺陷，增加中的气孔和疏松等缺陷，增加组织致密性，井通致密性，井通过反反复的形复的形变和再和再结晶破碎粗大的晶破碎粗大的铸态组织，减小偏析，减小偏析，改善材料的机械性能；改善材料的机械性能；n形成流形成流线和和带状状组织使材料性能各向异性。使材料性能各向异性。热加工加工后，材料中的偏析、后，材料中的偏析、夹杂物、第二相、晶界等将沿金物、第二相、晶界等将沿金属属变形方向呈断形方向呈断续、链状状(脆性脆性夹杂)和和带状状(塑性塑性夹杂)延伸，形成流延伸，形成流动状的状的纤维组织，称，称为流流线。通常，沿。通常，沿流流线方向比垂直流方向比垂直流线方向具有方向具有较高的机械性能。高的机械性能。n另外，在共析另外，在共析钢中，中，热加工可使加工可使铁索体和珠光体沿索体和珠光体沿变形方向呈形方向呈带状或状或层状分布，称状分布，称为带状状组织。有。有时，在在层、带间还伴随着伴随着夹杂或偏析元素的流或偏析元素的流线，使材料，使材料表表现出出较强的各向异性，横向的塑、的各向异性，横向的塑、韧性性显著降低，著降低，切削性能也切削性能也变坏；坏；n晶粒大小的控制。晶粒大小的控制。热加工加工时动态再再结晶的晶晶的晶粒大小主要取决于粒大小主要取决于变形形时的流的流变应力，力，应力越力越大，晶粒越大，晶粒越细小。因此要想在小。因此要想在热加工后加工后获得得细小的晶粒必小的晶粒必须控制控制变形量、形量、变形的形的终止温度和止温度和随后的冷却速度，同随后的冷却速度，同时添加微量的合金元素抑添加微量的合金元素抑制制热加工后的静加工后的静态再再结晶也是很好的方法。晶也是很好的方法。热加工后的加工后的细晶材料具有晶材料具有较高的高的强韧性。性。蠕变 早期，人早期，人们对金属材料金属材料强度的度的认识不足，不足，设计金金属构件属构件时仅以短以短时强度作度作为设计依据。不少构件，即依据。不少构件，即使使用使使用应力低于力低于弹性极限，使用一段性极限，使用一段时间后仍然会后仍然会发生因塑性受形而失效或因破断而失效的生因塑性受形而失效或因破断而失效的现象。随着科象。随着科学技学技术的的发展，金属材料的使用温度逐步提高，展，金属材料的使用温度逐步提高，这种种矛盾越来越突出。矛盾越来越突出。这就使人就使人们进一步一步认识到材料到材料强度度与使用期限之与使用期限之问尚有密切的尚有密切的联系，从而相系，从而相继开拓了蠕开拓了蠕变、蠕、蠕变断裂、松弛、疲断裂、松弛、疲劳、断裂力学等、断裂力学等长时强度研度研究究领域。蠕域。蠕变则是其中研究最早、内容是其中研究最早、内容较丰富而成果丰富而成果较显著的一个著的一个领域，成域，成为其他几个研究其他几个研究领域的基域的基础。在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变形的现象称为金属的蠕变。引起蠕变的这一应力称蠕变应力。在这种持续应力作用下，蠕变变形逐渐增加，最终可以导致断裂，这种断裂称蠕变断裂。1.蠕变曲线 在恒定温度下，一个受在恒定温度下，一个受单向恒定向恒定载荷荷(拉或拉或压)作用作用的的试样，其，其变形形与与时间t的关系可用如的关系可用如图所示的典型所示的典型的蠕的蠕变曲曲线表示，斜率表示蠕表示，斜率表示蠕变速率，曲速率，曲线可分下列可分下列几个几个阶段：段：n第第I阶段：减速蠕段：减速蠕变阶段段(图中中ab段段)，在加，在加载的瞬的瞬间产生了的生了的弹性性变形形e0，以后随加，以后随加载时间的延的延续变形形连续进行，但行，但变形速率不断降低；形速率不断降低；n第第II阶段：恒定蠕段：恒定蠕变阶段，如段，如图中曲中曲线bc段，此段，此阶段蠕段蠕变变形速率随加形速率随加载时间的延的延续而保持恒定，且而保持恒定，且为最小蠕最小蠕变速率；速率；n第第III阶段：曲段：曲线上从上从c点到点到d点断裂点断裂为止，也称加止，也称加速蠕速蠕变阶段，随蠕段，随蠕变过程的程的进行，蠕行，蠕变速率速率显著增加，著增加，直至最直至最终产生蠕生蠕变断裂。断裂。2.蠕变机制 蠕变主要形变机理有3种：（1）位）位错蠕蠕变：高温蠕：高温蠕变时滑移的特点是随温度的滑移的特点是随温度的升高和升高和变形速率的降低，滑移形速率的降低，滑移带变粗和粗和间距增大，距增大，以致在滑移以致在滑移带间距超距超过晶粒尺度晶粒尺度时，晶内不，晶内不显示示滑移滑移带，而只，而只显示出晶界的粗化。此外，高温示出晶界的粗化。此外，高温变形形时滑移系增多，更利于滑移系增多，更利于产生多滑移和交滑移；生多滑移和交滑移；（2）扩散蠕散蠕变：当温度很高和：当温度很高和应力很低力很低时，蠕，蠕变是是靠空位的移靠空位的移动造成的；造成的；（3）晶界滑）晶界滑动蠕蠕变：在高温蠕：在高温蠕变条件下，晶界上的条件下，晶界上的原子易于原子易于扩散，受力后易于散，受力后易于产生滑生滑动，故促，故促进蠕蠕变进行。行。超塑性n材料在一定条件下材料在一定条件下进行行热变形，可形，可获得延伸率达得延伸率达到到500%2000%的均匀塑性的均匀塑性变形，且不形，且不发生生缩颈现象，材料的象，材料的这种特性，称种特性，称为超塑性。超塑性。1.产生超塑性的条件：生超塑性的条件：n材料具有等材料具有等轴细小的小的组织，晶粒直径，晶粒直径小于小于10m，而且在超塑性，而且在超塑性变形形过程中晶粒程中晶粒不不显著著长大；大；n超塑性超塑性变形温度范形温度范围在在(0.50.65)Tm范范围内内进行。行。n低低应变速率，一般在速率，一般在10-210-4s-1范范围内，以保内，以保证晶界晶界扩散散过程程顺利利进行。行。2.超塑性的特征超塑性的特征在高温下，材料的流在高温下，材料的流变应力不力不仅是是应变和温度和温度T的函数，而且的函数，而且对应变速率也很速率也很敏感。存在以下关系：敏感。存在以下关系：(，T)=KmK为常数，常数，m为应变速率敏感指数，速率敏感指数，金属要具金属要具备超塑性，超塑性，m一般在一般在0.3以上；以上；在超塑性材料中在超塑性材料中获得微晶是关得微晶是关键的。的。n3.超塑性的本质 关于超塑性的本关于超塑性的本质，多数，多数观点点认为系由晶界系由晶界转动与晶粒与晶粒转动所致。如下所致。如下图所示：所示：超塑性超塑性组织结构构变化具有以下特征：化具有以下特征：（1）超塑性）超塑性变形形时，没有晶内滑移也没有位，没有晶内滑移也没有位错密度增高；密度增高；（2）由于超塑性）由于超塑性变形在高温下形在高温下长时间进行，因此晶粒会行，因此晶粒会长大；大；（3）尽管）尽管变形量很大，但晶粒形状始形量很大，但晶粒形状始终保持等保持等轴；（4）原来两相呈）原来两相呈带状分布的合金，超塑性状分布的合金，超塑性变形后形后变为均均匀分布；匀分布；（5）利用冷）利用冷变形和再形和再结晶方法制取超晶方法制取超细晶粒合金，如果晶粒合金，如果合金有合金有织构，构，则在超塑性在超塑性变形后消失。形后消失。4.超塑性的应用高变形能力的应用高变形能力的应用q真空成型或气压成型真空成型或气压成型q可可以以在在密密封封模模具具内内挤挤压压或或锻锻造造，可可以以得得到到相相当当高高的的加加工工精精度度，并并能能大大幅幅度度降降低低加加工工压压力力、减少加工工序减少加工工序q尤其适于极薄板和极薄管的制造，也非常适用尤其适于极薄板和极薄管的制造，也非常适用于加工具有极微小凹凸表面的制品。于加工具有极微小凹凸表面的制品。减振能力的应用减振能力的应用q合金在超塑性温度下具有使振动迅速衰减的性合金在超塑性温度下具有使振动迅速衰减的性质，因此可将超塑性合金直接制成零件以满质，因此可将超塑性合金直接制成零件以满足不同温度下的减振需要。足不同温度下的减振需要。5.5陶瓷材料的变形特点 由于陶瓷材料具有离子键或共价键的键合结构，因此陶瓷材料表现出高的熔点，也表现出高的弹性模量。实验证明，熔点与弹性模量常常保持一致关系，甚至正比关系，这是由于熔点和弹性模量都是原子间结合力的大小所决定的。陶瓷材料的脆性还与其制备工艺有关，烧结陶瓷难免存在孔隙，可以导致裂纹以及应力集中，关于陶瓷还要注意：n（1）非晶陶瓷和陶瓷不同，会产生弹性变形n（2）变形温度对陶瓷的力学行为产生明显影响n（3）改善陶瓷脆性：降低晶粒尺寸、增韧5.6 5.6 高聚物的塑性变形高聚物的塑性变形 高高分分子子受受力力时也也有有弹性性和和塑塑性性变形形性性为，其其总应变t为：t=e+p 高高分分子子具具有有粘粘弹性性，p塑塑性性变形形是是靠靠粘粘性性流流动而而不不是是靠靠滑滑移移产生生的的，塑塑性性变形形的的难易易程程度与材料的粘度有关，粘度高度与材料的粘度有关，粘度高变形不易。形不易。与与金金属属相相比比，高高聚聚物物的的力力学学性性能能对温温度度和和时间的依的依赖性要性要强的多。的多。典型高分子材料的应力应变曲线如下：n很多高分子材料在塑性变形时，会出现均匀形变的不稳定性，典型的是细颈的形成。本章内容提要本章内容提要 实际上，理想的弹性体是不存在的，多数工程材料发生弹性变形时，可能出现加载线与卸载线的不重合，应变滞后与应力变化等弹性不完整性。弹性不完整性现象包括：包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等。当施加的应力超过弹性极限时，材料发生塑性变形，即产生不可逆的永久变形。通过塑性变形，不但可以使材料获得预期的外形尺寸而且可以使材料内部组织和性能发生变化。单晶体塑性变形的两个基本方式为滑移和孪生。滑移和孪生都是切应变，而且只有当外加切应力分两大与晶体的临界分切应力时才能开始。然而，滑移是