第八章 回复与再结晶(精品).ppt

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1、第八章 回复与再结晶材料学院材料学院 武建军武建军 教授教授n外力使金属变形时，外力对金属作功。这些能量大部分转化为热量散失到环境中；有一部分能量（2 10%）保存到变形金属中-形变储存能，金属处于不稳定状态。n金属塑性变形后，其组织性能发生了很大变化，为了恢复性能，需要加热-退火。n加热时，不稳定状态的金属将发生一系列转变，逐步向平衡状态转变。8.1冷变形金属在加热时的组织与性能变化 n(1)组织变化n分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。n回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；n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。n晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对

2、稳定的形状和尺寸。n没有发生相变。(2)变形储存能量的释放n能量存在形式：位错（8090）、弹性应变能（312）和点缺陷n储存能的释放：原子迁移至平衡位置，储存能得以释放。(3)变形金属加热时的性能变化n1 力学性能n回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。n再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。n晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，n 粗化严重时下降。n2 物理性能n密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；n电阻：电阻在回复阶段可明显下降。8.2 回复（1）回复的特征n回复过程中，宏观内应力消除；回复过程中，宏观内应力消除；n强度、硬度基本不变强度、硬度基本不

3、变位错密度基本不位错密度基本不变；变；n显微组织不变显微组织不变大角度晶界没有移动大角度晶界没有移动n回复退火的应用-去应力退火n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（2）回复机理）回复机理n回复实质是晶体中点缺陷和位错移动，回复实质是晶体中点缺陷和位错移动，主要是主要是空位的扩散空位的扩散，从而改变缺陷分布，从而改变缺陷分布和缺陷数量的过程。和缺陷数量的过程。n回复的驱动力：形变储存能回复的驱动力：形变储存能n具体回复机制与温度有关。具体回复机制与温度有关。低温回复低温回复n温度0.10.3Tmn点缺陷（主要是空位）运动使点缺陷密度降低，如n移至自由表面、晶界移至自由

4、表面、晶界n空位间隙原子对消空位间隙原子对消n空位与位错发生作用而消失，如位错攀移空位与位错发生作用而消失，如位错攀移n空位聚集崩塌成为位错环空位聚集崩塌成为位错环n电阻率明显变化中温回复中温回复n温度0.30.5Tm n位错进行滑移和交滑移，位错密度略有降低n异号位错相遇而抵消n位错重新排列、缠结程度降低n亚晶粒规整化高温回复高温回复n温度0.5Tmn原子活动能力强，G降低。位错可以攀移、滑移和交滑移，位错垂直排列形成多边化亚晶粒-多边化。n多变化可以降低弹性畸变能，消除宏观、微观应力。n亚晶略有长大。（3）回复动力学回复动力学n回复是晶体缺陷减少的过程，可用一级反应方程表达n屈服强度的回复

5、动力学与以上公式相符n没有孕育期；没有孕育期；n开始变化快，随后变慢；开始变化快，随后变慢；n长长时时间间处处理理后后，性性能能趋趋于一平衡值。于一平衡值。n实验证明，Q与空位的扩散激活能十分接近，说明回复过程主要是由空位扩散实现的。8.3 再结晶n再结晶是低位错密度、等轴晶粒取代高缺陷密度、拉长晶粒的过程。n再结晶是形核长大过程,但不是相变n再结晶的驱动力也是形变储存能（位错能量）n再结晶彻底改变变形组织，消除加工硬化等冷变形影响。8.3.1再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大n(1)形核n再结晶形核就是形成小块低缺陷的区域；是依靠可动性较大界面的突发式移动实现的。n界面的移动性取决于两个因

6、素n界面两侧晶体的位向差大小界面两侧晶体的位向差大小；n界面两侧形变储存能差别大小界面两侧形变储存能差别大小n界面两侧差别较大，界面的可动性较高，容易形核。n大角度晶界；大角度晶界；n亚晶界。亚晶界。形核时能量变化n设界面两侧1，2两(亚)晶粒中，2位错密度较高，1中位错密度较低；n驱动力-两侧单位体积储存能差ES;n阻力-新增界面能n总自由焓变化形核机制n 亚晶长大形核机制（变形量较大时）n 亚晶合并形核n 亚晶界移动形核（吞并其它亚晶或变形部分）n 晶界凸出形核（变形量较小时）n 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向（2）长大n驱动力：界面两侧的畸变能差n方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新晶粒相

7、互接触。n无畸变晶粒长大是形变储存能释放的过程，自发过程。n再结晶不是相变过程。8.3.2再结晶动力学再结晶动力学n开始时再结晶速度很小，在体积分数为0.5时最大，然后减慢再结晶温度再结晶温度n再结晶温度并非定值，与成分、原始组织、变形量、加热条件等有关。n规定：经严重冷变形（变形量70%）的金属或合金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数95%）最低温度为材料的再结晶温度。n 高纯金属：T再(0.250.35)Tm。n2 经验公式 工业纯金属：T再(0.350.45)Tm。n 合金：T再(0.40.9)Tm。n 注：再结晶退火温度一般比上述温度高100200。8.3.3 影响再结晶的因素

8、影响再结晶的因素n退火温度。温度越高，再结晶速度越大。n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。n原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。n微量溶质元素。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。n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，但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶。再结晶晶粒大小的控制再结晶晶粒大小的控制n影响再结晶的因素同样影响再结晶后晶影响再结晶的因素同样影响再结晶后晶粒的大小。粒的大小。n变形量。存在临界变形量，生产中应避免临界变形量。n原始晶粒尺寸

9、。晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多，使晶粒细化。n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。n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。再结晶图退火孪晶退火孪晶nFcc结构的金属或合金，如Cu、Ni及合金、奥氏体钢等，冷变形后退火时容易得到退火孪晶。再结晶织构再结晶织构n具有形变织构的金属在再结晶后往往仍具有织构-再结晶织构。n再结晶织构可能与变形织构相同，但是大多数不同。n形成原因n再结晶时择尤长大再结晶时择尤长大n再结晶时择尤形核再结晶时择尤形核再结晶的应用再结晶的应用n 恢复变形能力n 改善显微组织n 再结晶退火 消

10、除各向异性n 提高组织稳定性n再结晶温度：T再100200。8.4 8.4 晶粒长大晶粒长大n加热时，晶粒会逐渐长大，降低界面面积。n冷变形金属在再结晶完成后，继续加热也会发生晶粒长大。n晶粒长大是通过大角度界面的移动、大晶粒吃掉小晶粒方式进行的。n驱动力：界面能差；n长大方式：n 正常长大；n 异常长大（二次再结晶）8.4.1 晶界移动的驱动力n晶界移动的驱动力源于晶界移动后体系晶界移动的驱动力源于晶界移动后体系自由能的降低，自由能的降低，n一般是晶界能量降低；n个别情况是表面能降低；n对于大角度晶界，比界面能几乎为常数，对于大角度晶界，比界面能几乎为常数，界面张力指向曲率中心界面张力指向曲

11、率中心界面移动方向界面移动方向与再结晶时方向相反与再结晶时方向相反n设有双晶体设有双晶体，其中其中B晶粒呈晶粒呈球状存在于球状存在于A晶粒之内。晶粒之内。A、B晶粒间的晶界为曲率半径晶粒间的晶界为曲率半径为为R的球面。界面能的球面。界面能n单位面积界面受到的驱动力单位面积界面受到的驱动力n力的方向指向曲率中心，力的方向指向曲率中心，B晶粒将逐渐缩小直至消失晶粒将逐渐缩小直至消失。8.4.2晶粒的正常长大晶粒的正常长大n如果所有晶界具有相近的可动性，那么长大的晶粒数很多，晶粒的尺寸比较均匀，晶粒平均尺寸的增大也是连续的，这种晶粒长大称为正常晶粒长大或连续晶粒长大。影响晶粒长大的因素影响晶粒长大的

12、因素n（1）温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。n（2）分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。n（3）杂质与合金元素。降低界面能，不利于晶界移动。n（4）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。n（5）表面热蚀沟阻碍晶粒长大。8.4.3 晶粒的异常长大晶粒的异常长大n少数再结晶晶粒的急剧长大现象，晶粒尺寸差别显著增大，直至这些迅速长大的晶粒完全互相接触为止。也称二次再结晶、不连续晶粒长大。n发生条件：正常晶粒长大被阻止。晶粒长大的后果n各向异性明显n力学性能恶化，强度、韧性降低且不均匀n磁导率上升n提高表面粗糙度8.5 金属热加工8.5.1动态回复与

13、动态再结晶动态回复与动态再结晶n在加热过程中，冷变形金属发生的回复、在加热过程中，冷变形金属发生的回复、再结晶也称为静态回复、静态再结晶。再结晶也称为静态回复、静态再结晶。n如果变形温度较高，回复、再结晶可在如果变形温度较高，回复、再结晶可在变形后马上发生，称为动态回复、动态变形后马上发生，称为动态回复、动态再结晶。再结晶。n加工硬化与动态回复、动态再结晶软化加工硬化与动态回复、动态再结晶软化同时进行。同时进行。动态回复动态回复n动态回复：在塑变过程中发生的回复。n稳定阶段，位错增殖与消失速率相等n组织中包含亚晶粒，位错密度较高。n 影响和流变应力动态再结晶动态再结晶n动态再结晶：在塑变过程中

14、发生的再结晶。n 影响和流变应力n包含亚晶粒，位错密度较高。n反复形核，有限长大，晶粒较细。n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。8.5.2 金属的热加工金属的热加工(1)塑性加工的分类塑性加工的分类 n冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。发生加工硬化。n（温加工：只发生动态回复的变形；）n热加工：在再结晶温度以上的加工过程。（硬化、回复、再 结晶。）n热加工温度：T再T热 加 工100%)n条件：晶粒细小(恒10um)、温度范围（0.50.65Tm）、应变速率小（10-410-2/s）。n变形本质：由晶界的滑动和晶粒的转动所致。n利用超塑性可以一次形成复杂形状的精密零件，像吹玻璃。nEnd of the chapter