金属学及热处理回复再结晶.pptx

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1、授课内容0-0-绪论 1-1-金属的晶体结构 2-2-纯金属的结晶 3-3-二元合金相图 4-4-铁碳合金 5-5-金属及合金的塑性变形 6-6-金属及合金的回复再结晶 7-7-扩散 8-8-钢的热处理原理9-9-钢的热处理工艺第1页/共63页 金属及合金经塑性变形后，强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这对于某些应用是重要的，但却给进一步的冷成形加工(例如深冲)带来困难，常常需要将金属加热进行退火处理，以使其性能向塑性变形前的状态转化；塑性、韧性提高，强度、硬度下降。本章的目的是讨论塑性变形后的金属与合金在加热时，其组织结构发生转变的过程，主要包括回复、再结晶和晶粒长大，了解这些过程的发生和发展

2、的规律。6-6-回复与再结晶第2页/共63页6-6-回复与再结晶6.1 形变金属与合金在退火过程中的变化 金属与合金在塑性变形时所消耗的功，大部分转变成热而散发掉，只有一小部分能量以弹性应变和增加金属中晶体缺陷(空位和位错等)的形式储存起来。形变温度越低，形变量越大，则储存能越高。其中弹性应变能只占储存能的一小部分，约为3-12。晶体缺陷所储存的能量又叫畸变能，空位和位错是其中最重要的两种。这两种比较，空位能所占的比例小，而位错能所占比例大（约占总储存能的8090）。第3页/共63页 总起来看，储存能的总值还是比较小的。但是，由于储存能的存在，使塑性变形后的金属材料的自由能升高，在热力学上处于

3、亚稳状态，具有向形变前的稳定状态转化的趋势。但在常温下，原子的活动能力小，使形变金属的亚稳状态可维持相当长的时间。如果温度升高，原子有了足够高的活动能力，形变金属就能由亚稳状态向稳定状态转变，从而引起一系列的组织和性能变化。由此可见，储存能是这一转变过程的驱动力。6-6-回复与再结晶第4页/共63页将金属材料加热到某一规定温度，保温一定时间，而后缓慢冷至室温的一种热处理工艺。6-6-回复与再结晶使金属材料内部的组织结构发生变化，使热力学的稳定性得以提高，从而获得所要求的各种性能。退火过程是由回复、再结晶及晶粒长大三个阶段综合组成的，三者又往往重叠交织在一起。退火退火定义：定义：目的：目的：阶段

4、：阶段：第5页/共63页一战时，深冲成型的黄铜弹壳，放置一段时间后自动发生晶间开裂(称为季裂)。经研究，这是由于冷加工残余内应力和外界的腐蚀性气氛的联合作用而造成的应力腐蚀开裂。要解决这一问题，只需要在深加工之后于260C进行去应力退火，消除弹壳中残留的第一类内应力，这一问题即迎刃而解。实例：实例：第6页/共63页 将塑性变形后的金属材料加热到0.5Tm温度附近，进行保温，随着时间的延长，金属的组织将发生一系列的变化，这种变化可以分为三个阶段。第一阶段从显微组织上几乎看不出任何变化，晶粒仍保持伸长的纤维状称之为回复阶段；第二阶段在变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒，随着时间的延长，新晶粒不断出现

5、并长大，这个过程一直进行到塑性变形后的纤维状晶粒完全改组为新的等轴晶粒为止，称之为再结晶阶段；第三阶段，新的晶粒逐步相互吞并而长大，直到晶粒长大到一个较为稳定的尺寸，称之为晶粒长大阶段。一、显微组织的变化6-6-回复与再结晶第7页/共63页6-6-回复与再结晶第8页/共63页二、储存能及内应力的变化 加热过程中，由于原子具备了足够的活动能力，偏离平衡位置的能量较高的原子，将向能量较低的平衡位置迁移，使内应力得以松弛，储存能也将逐渐释放出来。储存能释放曲线有三种型式，其共同特点是每一曲线都出现一个高峰（对应于第一批再结晶晶粒出现的温度）。在此温度之前，只发生回复，不发生再结晶。回复阶段，大部或全

6、部第一类内应力可消除，第二类或第三类内应力只能消除一部分，经再结晶之后，因塑性变形而造成的内应力可以完全被消除。6-6-回复与再结晶第9页/共63页三、机械性能的变化金属与合金因塑性变形所引起的硬度和强度的增加与位错密度的增加有关，由此可以推知，在回复阶段，位错密度的减少有限,只有在再结晶阶段，位错密度才会显著下降。6-6-回复与再结晶第10页/共63页 回复是指冷塑性变形的金属加热时，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。冷塑性变形金属在退火处理时，回复通常指其组织和性能变化的早期阶段，此时的硬度和强度等机械性能变化很小，但电阻率有明显变化。6.

7、2 回复 所谓回复，即在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化。回复阶段一般加热温度在0.4Tm以下。6-6-回复与再结晶第11页/共63页一、回复过程的特征6-6-回复与再结晶第12页/共63页二、回复机理低温阶段：低温阶段：点缺陷的迁移和减少，表现为：点缺陷的迁移和减少，表现为：1.1.空位与间隙原子的相遇而互相中和；空位与间隙原子的相遇而互相中和；2.2.空位或间隙原子运动到刃位错处消失，也可以聚集成空位对、空位或间隙原子运动到刃位错处消失，也可以聚集成空位对、空位群；空位群；3.3.点缺陷运动到界面处消失。点缺陷运动到界面处消失。回复是点缺陷和位错在退

8、火过程中发生运动，从而改变了它们的组态和数量的过程。电阻率对点缺陷比较敏感，所以它的数值有较显著的下降，而机械性能对点缺陷的变化不敏感，所以这时机械性能不出现变化。6-6-回复与再结晶第13页/共63页中温阶段中温阶段：位错的运动，表现为：位错的运动，表现为：1.1.异号位错互相吸引而抵消；异号位错互相吸引而抵消；2.2.缠结中的位错重新组合；缠结中的位错重新组合；3.3.亚晶粒的长大。亚晶粒的长大。高温阶段高温阶段：当温度大于：当温度大于0.5Tm0.5Tm后，位错可以获得足够的后，位错可以获得足够的能量自身除滑移外还可产生攀移，除异号位错中和外，能量自身除滑移外还可产生攀移，除异号位错中和

9、外，还有位错的组合和重新排列，例如排列成墙明显降低还有位错的组合和重新排列，例如排列成墙明显降低弹性应变能，变形的晶体发生多边化，甚至形成亚晶弹性应变能，变形的晶体发生多边化，甚至形成亚晶粒。粒。6-6-回复与再结晶第14页/共63页6-6-回复与再结晶第15页/共63页多边形化多边形化是金属回复过程中的一种普遍现象，只要塑性变形造成晶格畸变，退火时就有多边形化发生。冷变形后，晶体中的同号刃型位错在滑移面上塞积而导致晶格弯曲，退火过程中通过位错的滑移和攀移，会使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亚晶界，这就是多边形化。这一过程就好像原来呈连续弯曲的晶体经退火处理后被位错墙分割成了几

10、个亚晶粒一样，亚晶粒内的弹性畸变变大为减小。显然，这是一个能量降低的过程，弹性畸变能的降低就是多边形化(或多边化)的驱动力。6-6-回复与再结晶第16页/共63页剩余加工硬化分数1-R 三、回复动力学6-6-回复与再结晶第17页/共63页 回复过程是热激活过程，转变的速度决定于原子回复过程是热激活过程，转变的速度决定于原子的活动能力，即决定于转变的温度。的活动能力，即决定于转变的温度。设材料的某一可测量物理性能指标数值为设材料的某一可测量物理性能指标数值为P,(PP,(P可可能指电阻率或其他能指电阻率或其他)，变形前为，变形前为P P0 0，变形后为，变形后为P Pd d，可以，可以证明发生回

11、复过程后的性能和时间的关系为：证明发生回复过程后的性能和时间的关系为：其中其中A A为与材料类型结构有关的常数，为与材料类型结构有关的常数，Q Q为激活能，为激活能，R R为为气体常数，气体常数，T T发生回复的温度，发生回复的温度，t t为回复进行的时间。为回复进行的时间。6-6-回复与再结晶第18页/共63页 因此在不同的温度下，回复到相同的程度因此在不同的温度下，回复到相同的程度所用的时间的为：所用的时间的为：即即ln(t)ln(t)和和1/T1/T成线形关系。一方面可以由此测成线形关系。一方面可以由此测量计算它的激活能；另一方面说明热激活过程量计算它的激活能；另一方面说明热激活过程中时

12、间和温度的等效关系。实际上任何材料变中时间和温度的等效关系。实际上任何材料变形后都在慢慢的发生回复，平时在室温下未见形后都在慢慢的发生回复，平时在室温下未见到性能变化的仅因为变化的速度很慢。到性能变化的仅因为变化的速度很慢。6-6-回复与再结晶第19页/共63页6-6-回复与再结晶第20页/共63页定义：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称为再结晶。6.3 再结晶再结晶的驱动力与回复一样，也是预先冷变形所产生的储存能，随着储存能的释放，应变能也逐渐降低。新的无畸变的等轴晶粒的形成及长大，使之在热

13、力学上变得更为稳定。6-6-回复与再结晶再结晶与重结晶(即同素异晶转变)的共同点，是两者都经历了形核与长大两个阶段；两者的区别是，再结晶前后各晶粒的晶格类型不变，成分不变，而重结晶则发生了晶格类型的变化。第21页/共63页塑性变形后的金属材料在加热到较高温度时(一般大于0.4Tm)，可以发生晶粒的重组。同结晶过程类似，先在材料中形成新的无畸变的小晶粒，这些小晶粒消耗周围发生过变形的晶体而不断长大，同时也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替变形过的晶体。再结晶过程也是一形核和长大过程。6-6-回复与再结晶第22页/共63页再结晶的转变不是相变冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长冷塑性变

14、形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大来进行，但再结晶过程不是相变。原因有：大来进行，但再结晶过程不是相变。原因有：1.1.变化前后的晶粒变化前后的晶粒成分相同成分相同，晶体结构并未发生变化，因，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于同一个相。此它们是属于同一个相。2.2.再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没有确再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没有确定的定的转变温度转变温度。3.3.再结晶过程是再结晶过程是不可逆不可逆的，相变过程在外界条件变化后可的，相变过程在外界条件变化后可以发生可逆变化。以发生可逆变化。4.4.发生再结晶的热力学发生再结晶的热力学驱动力驱动力是冷塑性变形晶

15、体的畸变能，是冷塑性变形晶体的畸变能，也称为储存能。也称为储存能。6-6-回复与再结晶第23页/共63页一、再结晶晶核的形成与长大再结晶的形核存在着很多不同的看法。最初有人用经典的结晶形核理论来处理再结晶的形核问题，但计算得到的临界晶核半径过大，与实验结果不符。大量的实验结果表明，再结晶晶核总是在塑性变形引起的最大畸变处形成，并且回复阶段发生的多边形化是为再结晶形核所作的必要准备。随着高倍率透射电镜技术的发展，人们根据对不同冷变形度的不同金属材料发生再结晶时的实验观察，提出了不同的再结晶形核机制。6-6-回复与再结晶第24页/共63页亚晶长大形核机制亚晶长大形核一般在大的变形度下发生。在回复阶

16、段，塑性变形所形成的胞状组织经多边形化后转变为亚晶，其中有些亚晶粒会逐渐长大，发展成为再结晶的晶核。大量的实验观察证明，这种亚晶长大成为再结晶晶核的方式可能有两种，一为亚晶合并形核，即相邻亚晶粒的某些边界上的位错通过攀移和滑移，转移到周围的晶界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，然后通过原子扩散和位置的调整，使两个或更多个亚晶粒的取向变为一致，合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。6-6-回复与再结晶第25页/共63页亚晶长大形核的另一种形式为亚晶界移动形核，它是依靠某些局部位错密度很高的亚晶界的移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核的。总之，无论哪种形核机制，再结晶的晶核核总之，

17、无论哪种形核机制，再结晶的晶核核心都是在原有晶粒的边界或变形较大的地方心都是在原有晶粒的边界或变形较大的地方先产生。先产生。6-6-回复与再结晶第26页/共63页晶界突出形核机制晶界凸出形核又称为晶界弓出形核，当金属材料的变形度较小(约小于40)时，再结晶晶核常以这种方式形成。由于变形度小，所以金属的变形很不均匀，有的晶粒变形度大，位错密度也大，有的晶粒变形度小，位错密度也小。回复退火后，它们的亚晶粒大小也不同。当再结晶退火时，在显微镜下可以直接观察到，晶界中的某一段就会向亚晶粒细小位错密度高的一侧弓出，被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体，这就是再结晶晶核。6-6-回复与再结

18、晶第27页/共63页 金属在变形时是不均匀的，若晶界两边一个晶粒金属在变形时是不均匀的，若晶界两边一个晶粒的位错密度高，另一个位错密度低，在加热时晶界会的位错密度高，另一个位错密度低，在加热时晶界会向位错密度高的一侧突然移动，从位错高的一侧的原向位错密度高的一侧突然移动，从位错高的一侧的原子转移到位错低的一侧，新的排列应为无畸变区，这子转移到位错低的一侧，新的排列应为无畸变区，这个区域就是再结晶核心。个区域就是再结晶核心。和结晶形核方式类和结晶形核方式类似，晶界弯曲后，一方似，晶界弯曲后，一方面界的弯曲面因面积增面界的弯曲面因面积增加会加会增加界面能增加界面能，另一，另一方面形核区中原变形区方

19、面形核区中原变形区间有间有应变能释放应变能释放。6-6-回复与再结晶第28页/共63页 晶界弓晶界弓出形核这种出形核这种现象在铜、现象在铜、镍、银、铝镍、银、铝及铝及铝-铜合金铜合金中曾直接观中曾直接观察到。察到。6-6-回复与再结晶第29页/共63页再结晶晶核的长大当再结晶晶核形成之后，它就可以自发、稳定地生长。晶核在生长时，其界面总是向畸变区域推进。界面移动的驱动力是无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差。界面移动的方向总是背向其曲率中心的方向。当旧的畸变晶粒完全消失，全部被新的无畸变的再结晶晶粒所取代时，再结晶过程完成，此时的晶粒大小即为再结晶初始晶粒。6-6-回复与再结晶第30页/共63页

20、二、再结晶温度及其影响因素再结晶温度包括开始再结晶温度和完成再结晶温度。开始再结晶温度指变形晶粒中出现第一个新晶粒或观察到因突出晶核、晶界出现锯齿状边缘的温度。完成再结晶温度指冷变形金属接近全部（95%）发生再结晶、形成等轴新晶粒尚未长大的温度。金属的开始再结晶温度与其熔点之间存在以下经验关系（包奇瓦尔经验公式）：T再dT熔 式中的T再和T熔均以热力学温度表示，d为一系数。对工业纯金属来说，经大变形并通过一小时退火的d值为0.350.4，对于高纯金属，d为0.250.35甚至更低。6-6-回复与再结晶第31页/共63页影响因素金属的预先变形度。金属的预先变形度越大，金属中的储存能越多，再结晶的

21、驱动力越大，故金属的再结晶温度越低，但当变形度增加到一定数值后，再结晶温度趋于一稳定值；但当变形度小到一定程度时，则再结晶温度将趋向于金属的熔点，即不会有再结晶过程的发生。原始晶粒大小。原始晶粒细小，晶界增多，提供更多的有利于生核的区域。此外，细晶粒金属有更大的变形抗力，相同变形度下，变形储能高，再结晶驱动力大，因此，细晶粒容易发生再结晶，使再结晶温度降低。6-6-回复与再结晶第32页/共63页加热速度和加热时间。若加热速度十分缓慢，则变形金属在加热过程中有足够的时间进行回复，使储存能减少，从而减少再结晶的驱动力，使再结晶温度升高。但极快的加热速度也使再结晶温度升高，因为再结晶的形核和长大都需

22、要时间，若加热速度太快，则在不同温度下的停留时间很短，使之来不及进行形核及长大,所以推迟到更高的温度下才会发生再结晶。金属的纯度。金属的纯度越高，其再结晶温度越低。这是因为杂质和合金元素溶入基体后，趋向于位错、晶界处偏聚，阻碍位错的运动和晶界的迁移，同时杂质及合金元素还阻碍原子的扩散，因此显著提高再结晶温度。6-6-回复与再结晶第33页/共63页三、再结晶后晶粒大小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。可见，再结晶后的晶粒大小决定于 比值。要细化晶粒，就必须使 比值减小。当晶粒为球形，K=1.3，晶粒为立方形，K=1.15。变形金属经再结晶退火后，显

23、微组织和机械性能都发生了变化。形变的伸长晶粒消失，全部转变为等轴的新晶粒，强度、硬度下降，塑性韧性上升。6-6-回复与再结晶第34页/共63页预先变形程度对再结晶后晶粒大小的影响当变形程度很小时，晶粒仍保持原状，这是由于变形度小，畸变能很小，不足以引起再结晶，所以晶粒大小没有变化。当变形度达到某一数值(一般金属均在210范围内)时，再结晶后的晶粒变得特别粗大。这是由于此时的变形度不大，比值很大，因此得到特别粗大的晶粒。当变形度超过此临界变形度后，则晶粒逐渐细化，变形度越大晶粒越细小。这是由于变形度增加，则储存能增加，从而导至 和G同时增加，但是由于 的增加率大于G的增加率，所以 比值减小，使再

24、结晶后的晶粒变细。当变形度达到一定程度后，再结晶晶粒大小基本保持不变。对于某些金属与合金，当变形度相当大时，再结晶晶粒又会出现重新粗化的现象，这是二次再结晶造成的，这种现象只在特殊条件下产生，不是普遍现象。6-6-回复与再结晶第35页/共63页原始晶粒尺寸对再结晶后晶粒大小的影响当变形度一定时，材料的原始晶粒度越细，则再结晶后的晶粒也越细。这是由于细晶粒金属存在着较多的晶界，而晶界又往往是再结晶形核的有利区域，所以原始细晶粒金属经再结晶退火后仍会得到细晶粒组织。6-6-回复与再结晶第36页/共63页退火温度对再结晶后晶粒大小的影响一般情况下，变形温度越高，回复的程度越大，结果使变形后的储存能减

25、小，使晶粒粗化。合金元素及杂质对再结晶后晶粒大小的影响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。6-6-回复与再结晶第37页/共63页6.4 晶粒长大 再结晶阶段刚刚结束时，得到的是无畸变的等轴的再结晶初始晶粒。随着加热温度的升高或保温时间的延长，晶粒之间就会互相吞并而长大，这一现象称之为晶粒长大或聚合再结晶。根据再结晶后晶粒长大过程的特征，可将晶粒长大分为两种类型：一种是随温度的升高或保温时间的延长晶粒均匀连续地长大称之为正常长大；另一种是晶粒不均匀不连续地长大，称为反常长大，或二次再结晶。6-6-回复与再结晶第38页/共63页一

26、、晶粒的正常长大再结晶刚刚完成时，一般得到的都是细小的等轴晶粒，当温度继续升高或者进一步延长保温时间时，晶粒仍然继续长大，其中某些晶粒缩小甚至消失，另一些晶粒则继续长大。再结晶完成之后，塑性变形引起的储存能已经释放完毕，那么此时晶粒长大的驱动力是什么呢？6-6-回复与再结晶第39页/共63页晶粒长大的驱动力u从整体来看，晶体长大的驱动力是晶粒长大前后总的界面能差。细晶粒的晶界多，界面能高；粗晶粒的晶界少，界面能低。所以细晶粒长大成为粗晶粒是使金属自由能下降的自发过程。u对于某一段晶界来说，它的驱动力与界面能和晶界的弯曲度(曲率)有关。u研究表明，在晶粒长大阶段，晶界移动的驱动力与其界面能成正比

27、，而与晶界的曲率半径成反比即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。6-6-回复与再结晶第40页/共63页在足够高的温度下，原子具有足够大的扩散能力时，原子就由界面的凹侧晶粒向凸侧晶粒扩散，而界面则朝向曲率中心方向移动，结果使凸面一侧晶粒不断长大，而凹面一侧的晶粒不断缩小而消失，直到晶界变为平面，界面移动的驱动力为零时，才可能达到相对稳定状态。6-6-回复与再结晶第41页/共63页晶粒的稳定形状以正常长大方式长大的晶粒，当达到稳定状态时，晶粒究竟是什么形状呢?从整体界面能来考虑，那么，在同样体积条件下，球体的总界面能最小，因此球状晶粒最为稳定。但是，如果晶粒都变为球

28、状的话，那么一方面它无法填充金属所占据的整个空间，势必出现空隙，这是不允许的；另一方面由于球面弯曲，使晶界产生了移动的驱动力，势必使晶界发生移功。因此，晶粒的稳定形状不能是球形。6-6-回复与再结晶第42页/共63页二维晶粒稳定形状的两个必备条件：所有的晶界均为直线；晶界间的夹角均为120。单相合金晶粒稳定形状应满足两个条件：界面为平面；晶粒要填充满金属所占的整个空间，尽可能降低总的界面能。6-6-回复与再结晶第43页/共63页晶粒在正常长大时应遵循以下规律：u 首先，弯曲晶界趋向于平直，即晶界向其曲率中心方向移动，以减少表面积，降低表面能；u 其次，当三个晶粒的晶界夹角不等于120时，则晶界

29、总是向角度较锐的晶粒方向移动，力图使三个夹角都趋向于120;u 第三，在二维坐标中，晶粒边数少于6的晶粒(其晶界向外凸出)，必然逐步缩小，甚至消失。当晶粒的边数为6，晶界很平直，且夹角为120时，则晶界处于平衡状态，不再移动。而边数大于6的晶粒(其晶界向外凹)，则将逐渐长大。u 在实际情况下，虽然由于各种原因，晶粒不会长成这样规则的六边形，但是它仍然符合晶粒长大的一般规律。6-6-回复与再结晶第44页/共63页影响晶粒长大的因素晶粒长大是通过晶界迁移来实现的，所有影响晶界迁移的因素都会影响晶粒长大这些因素主要有：温度 由于晶界迁移的过程就是原子的扩散过程，所以温度越高，晶粒长大速度就越快。在一

30、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。杂质及合金元素 杂质及合金元素溶入基体后都能阻碍晶界运动，特别是晶界偏聚现象显著的元素，其作用更大。一般认为被吸附在晶界的溶质原子会降低晶界的界面能，从而降低了界面移动的驱动力，使晶界不易移动。6-6-回复与再结晶第45页/共63页时间 一定温度下,正常晶粒长大时的平均速度与保温时间的平方根成正比。当有阻碍界面移动的其他因素存在时，长大速度也会减小。第二相质点达到平衡时的稳定晶粒尺寸d与r、f有下述关系：d=4r/3f。可见，晶粒大小与第二相质点半径成正比，与第二相质点的体积分数成反比。也就是说，第二相质点越细小，数量越多，

31、则阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越细小。相邻晶粒的位向差 晶界的界面能与相邻晶粒间的位向差有关，小角度晶界的界面能小于大角晶界的界面能，而界面移动的驱动力又与界面能成正比，因此，小角度晶界的移动速度要小于大角晶界。6-6-回复与再结晶第46页/共63页二、晶粒的反常长大 在长大过程中，一般晶粒在正常缓慢长大时，如在长大过程中，一般晶粒在正常缓慢长大时，如果有少数晶粒处在特别优越的环境，这些大量吞食周果有少数晶粒处在特别优越的环境，这些大量吞食周围晶粒，迅速长大，这种现象称为晶粒的反常长大。围晶粒，迅速长大，这种现象称为晶粒的反常长大。这些优先长大的少数晶粒最后到互相接触，早期的这些优先长大的少数

32、晶粒最后到互相接触，早期的研究认为是形核和核心的生长过程，而称为研究认为是形核和核心的生长过程，而称为“二次再二次再结晶结晶”，但实质并不是靠重新产生新的晶核，而是在，但实质并不是靠重新产生新的晶核，而是在一次再结晶后的长大过程中，某些晶粒的环境特殊而一次再结晶后的长大过程中，某些晶粒的环境特殊而产生的优先长大。产生的优先长大。材料发生异常长大时，出现了晶粒大小分布严重材料发生异常长大时，出现了晶粒大小分布严重不均匀，长大后期可能造成材料晶粒尺寸过大，它们不均匀，长大后期可能造成材料晶粒尺寸过大，它们都对材料的性能带来十分不利的影响。都对材料的性能带来十分不利的影响。6-6-回复与再结晶第47

33、页/共63页6-6-回复与再结晶第48页/共63页再结晶退火时发生晶粒反常长大的条件是：再结晶退火时发生晶粒反常长大的条件是：1.1.材料的冷变形程度较大，产生了织构材料的冷变形程度较大，产生了织构(变形织构变形织构)，再结晶后晶粒取向的遗传，组织依然存在择优取向再结晶后晶粒取向的遗传，组织依然存在择优取向(再结晶织构再结晶织构)，这时晶粒取向差小，晶界的界面能，这时晶粒取向差小，晶界的界面能较小，正常长大速度较慢，个别较大的晶粒的取向较小，正常长大速度较慢，个别较大的晶粒的取向不同，有较大的界面能，长大速度也较快，晶粒优不同，有较大的界面能，长大速度也较快，晶粒优先长大就有了可能；先长大就有

34、了可能；2.2.再结晶的加热温度较高，再结晶发生快，晶界容易再结晶的加热温度较高，再结晶发生快，晶界容易移动又有足够的时间来进行晶粒长大。移动又有足够的时间来进行晶粒长大。防止材料发生晶粒异常长大的方法就是注意这两个防止材料发生晶粒异常长大的方法就是注意这两个环节。环节。6-6-回复与再结晶第49页/共63页再结晶图将这三个变量晶粒大小、变形程度和退火温度之间的关系，绘制成立体图形，称为“再结晶图”，它可以用作制订生产工艺、控制冷变形金属退火后晶粒大小的依据。6-6-回复与再结晶第50页/共63页6.5 金属的热加工一、金属的热加工和冷加工 把金属的塑性变形称为加工，凡是把金属的塑性变形称为加

35、工，凡是在其再结晶温在其再结晶温度以上进行加工变形称为热加工度以上进行加工变形称为热加工，反之在其再结晶温，反之在其再结晶温度以下进行的加工变形称为冷加工。度以下进行的加工变形称为冷加工。这里的冷热加工的分界线不是以变形过程是否进这里的冷热加工的分界线不是以变形过程是否进行过加热，铅的再结晶温度在行过加热，铅的再结晶温度在 00以下，在室温下进以下，在室温下进行变形是属于热加工，铁的再结晶温度为行变形是属于热加工，铁的再结晶温度为450450左右，左右，在在400400进行变形仍属于冷加工进行变形仍属于冷加工,而钨在而钨在10001000进行变进行变形也属于冷加工。形也属于冷加工。6-6-回复

36、与再结晶第51页/共63页只要有塑性变形，就会产生加工硬化现象而只要有加工硬化，在退火时就会发生回复和再结晶。由于热加工是在高于再结晶温度以上的塑性变形过程，所以因塑性变形引起的硬化过程和回复再结晶引起的软化过程几乎同时存在。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。这时的回复再结晶是边加工边发生的，因此称为动态回复和动态再结晶，而把变形中断或终止后的保温过程中，或者是在随后的冷却过程中所发生的回复与再结晶，称为静态回复和静态再结晶。与前面讨论的回复与再结晶(也属于静态回复和静态再结晶)一致，唯一不同的地方是它们利用热加工的余热进行，而不需要重新加热。6-6-

37、回复与再结晶第52页/共63页动、静态回复与再结晶的示意图6-6-回复与再结晶第53页/共63页 相应地，金属内部的显微组织也在发生变化。变形开始时，位错密度增加，均匀流变时，位错密度继续增加，此时出现位错缠结，形成亚结构。由于位错密度的增大，导致了回复过程的发生，位错消失率也在不断增大，达到稳定状态时，位错的增殖率与消失率相等。此时的位错主要形成亚晶粒。尽管晶粒的形状随材料外形的改变而改变，但亚晶粒始终保持着等轴状，即使形变量很大时也是如此。这类材料在热加工过程中只发生动态回复，没有发生动态再结晶。二、动态回复与动态再结晶 变形开始时，应力先随应变而增大但增加率越来越小，继而材料开始均匀塑性

38、变形，即开始流动，并发生加工硬化，最后曲线转为水平，加工硬化率为零，达到稳定态，在应力的作用下，可以实现持续形变。6-6-回复与再结晶第54页/共63页 在高应变速率下，应力随应变不断增大，直至达到峰值后又随应变下降，最后达到稳定态。由此可知，在峰值之前，加工硬化占主导地位，在金属中只发生部分动态再结晶，硬化作用大于软化作用。当应力达到极大值之后，随着动态再结晶的加快，软化作用开始大于硬化作用，于是曲线下降。当由变形造成的硬化与再结晶所造成的软化达到动态平衡时，曲线进入稳定态阶段。在低应变速率下，与其对应的稳定态阶段的曲线呈波浪形变化，这是由于反复出现动态再结晶一变形一动态再结晶，即交替进行软

39、化一硬化一软化而造成的。6-6-回复与再结晶第55页/共63页 动态再结晶也是形核和长大的过程，但是由于在形核和长大的同时还进行着形变，因而使动态再结晶的组织具有一些新的特点：首先，在稳定态阶段的动态再结晶晶粒呈等轴状，但在晶粒内部包含着被位错缠结所分割的亚晶粒。显然这比静态再结晶后晶粒中的位错密度要高；其次，动态再结晶时的晶界迁移速度较慢，这是由于边形变、边发生再结晶造成的。因此动态再结晶的晶粒比静态再结晶的晶粒要细些。如果将动态再结晶的组织迅速冷却下来，就可以获得比冷变形加再结晶退火要高的强度和硬度。6-6-回复与再结晶第56页/共63页三、热加工后的组织与性能6-6-回复与再结晶第57页

40、/共63页 纤维组织的出现，将使钢的机械性能呈现各向异性。纵向具有较高的机械性能，横向性能则较低，特别是塑性和韧性表现得更为明显。在热加工时，仅在一个方向上变形，如热轧、拔长等，会造成杂质或第二相沿加工方向分布，形成所谓热加工纤维组织，有时也称为“流线”。2.2.纤维组织纤维组织6-6-回复与再结晶第58页/共63页6-6-回复与再结晶第59页/共63页2.2.带状组织带状组织 复相合金中的各个相，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，在经过压延的金属材料中经常出现这种组织，但不同材料中产生带状组织的原因不完全一样。一种是在铸锭中存在着偏析和夹杂物，压延时偏析区和夹杂物

41、沿变形区伸长成条带状分布，冷却时即形成带状组织。例如在含磷偏高的亚共析钢内，铸态时树枝晶间富磷贫碳，即使经过热加工也难以消除，它们沿着金属变形方向被延伸拉长，当奥氏体冷却到析出先共析铁素体的温度时，先共析铁素体就在这种富磷贫碳的地带形核并长大，形成铁素体带，而铁素体两侧的富碳地带则随后转变成珠光体带。若夹杂物被加工拉成带状，先共析铁素体通常依附于它们之上而析出，也会形成带状组织。6-6-回复与再结晶第60页/共63页另一种原因，是材料在压延时呈现两相组织，例如碳的质量分数偏下限的1Cr13(wC0.15，wCr1214%)钢，在热加工时以奥氏体和碳化物组成，压延后奥氏体和碳化物都延长成带，奥氏体经共析转变后形成珠光体。又如Cr12钢，在热加工时由奥氏体和碳化物组成，压延后碳化物即呈带状分布。带状组织使金属材料的机械性能产生方向性，特别是横向塑性和韧性明显降低，并使材料的切削性能恶化。对于在高温下能获得单相组织的材料，带状组织有时可用正火处理来消除，用高温扩散退火及随后的正火来改善。6-6-回复与再结晶第61页/共63页本章重点本章重点1.在各个温度阶段的回复机理分别是什么？2.什么叫再结晶？3.金属的再结晶过程是不是相变？为什么？4.影响再结晶晶粒大小的因素有哪些？5.再结晶的形核机制有哪几种？6.什么是热加工和冷加工？第62页/共63页感谢您的观看。第63页/共63页