材料科学基础 山东大学 第七章 课件

材料科学基础2010.11* 1第七章 回复与再结晶第七章 回复与再结晶材料塑性变形时所消耗的功，大部分转材料塑性变形时所消耗的功，大部分转变为热能消失，还有一部分能量以弹性应变变为热能消失，还有一部分能量以弹性应变和晶体缺陷的形式储存起来，这部分能量称和晶体缺陷的形式储存起来，这部分能量称为储存能。其中晶体缺陷所储存的能量又称为储存能。其中晶体缺陷所储存的能量又称为畸变能。由于储存能的存在，使材料的自为畸变能。由于储存能的存在，使材料的自由能升高，在热力学上处于不稳定的状态，由能升高，在热力学上处于不稳定的状态，具有向稳定状态转化的趋势。在常温下，原具有向稳定状态转化的趋势。在常温下，原子扩散能力低，这一转化过程非常缓慢。一子扩散能力低，这一转化过程非常缓慢。一旦温度升高，原子的扩散能力增强，转化过旦温度升高，原子的扩散能力增强，转化过程就会加快，从而引起一系列组织和性能的程就会加快，从而引起一系列组织和性能的变化。本章主要讨论这些变化的产生、变化变化。本章主要讨论这些变化的产生、变化规律及其应用。规律及其应用。Date 2第七章 回复与再结晶Date 3第七章 回复与再结晶7.1 冷变形金属在加热时的变化l 显微组织的变化显微组织的变化 回复：显微组织几乎无任何变化，仍保持回复：显微组织几乎无任何变化，仍保持冷变形后的纤维状组织；冷变形后的纤维状组织； 再结晶：变形晶粒通过形核、长大，转变再结晶：变形晶粒通过形核、长大，转变成新的无畸变等轴晶粒；成新的无畸变等轴晶粒； 晶粒长大：再结晶后的等轴晶粒长大，直晶粒长大：再结晶后的等轴晶粒长大，直至稳定。至稳定。 变化条件：冷变形金属的加热温度增加或变化条件：冷变形金属的加热温度增加或在高于在高于 0.5Tm温度保温。温度保温。Date 4第七章 回复与再结晶7.1 冷变形金属在加热时的变化l 性能的变化性能的变化 力学性能的变化力学性能的变化l 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。l 再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。高。l 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降。提高，粗化严重时下降。 物理性能的变化物理性能的变化l 密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高升高 位错密度降低所致；位错密度降低所致；l 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 点缺陷下降。点缺陷下降。Date 5第七章 回复与再结晶Date 6第七章 回复与再结晶7.1 冷变形金属在加热时的变化 内应力的变化内应力的变化l 回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部回复阶段：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；分消除第二、三类内应力；l 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。 储存能的变化储存能的变化l 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(10 )变形功变形功 ;l 存在形式：弹性应变能存在形式：弹性应变能 (3 12 )，位错，位错 (80 90 ),点缺陷；点缺陷；l 储存能的释放：加热时原子活动能力提高，迁移储存能的释放：加热时原子活动能力提高，迁移至至平衡位置，储存能得以释放。平衡位置，储存能得以释放。Date 7第七章 回复与再结晶7.2 回 复回复：组织回复：组织 (晶粒外形晶粒外形 )改变前在晶粒内发生的某些结构改变前在晶粒内发生的某些结构 和性能的变化过程和性能的变化过程 .回复机制：回复机制：Date 8第七章 回复与再结晶7.2 回 复l 回复过程中微观结构的变化机制回复过程中微观结构的变化机制 过程的驱动力是弹性畸变能的降低过程的驱动力是弹性畸变能的降低 低温回复低温回复 : 较低较低 温度温度 (0.1 0.3Tm)的回复的回复温度低温度低 , 原子活动能力有限原子活动能力有限 点缺陷运动点缺陷运动 ;l 空位迁移至晶界、位错处消失空位迁移至晶界、位错处消失 ;l 空位与间隙原子相遇消失空位与间隙原子相遇消失 ;l 空位聚集空位聚集 , 形成空位群或空位对形成空位群或空位对 .结果结果 : 缺陷密度降低缺陷密度降低 .Date 9第七章 回复与再结晶7.2 回 复 中温中温 回复回复 : 中温中温 (0.3 0.5Tm)加热时的回复加热时的回复原子活动能力增强原子活动能力增强 , 位错亦被激活位错亦被激活 位错滑移位错滑移 :l 位错滑移导致位错重新组合位错滑移导致位错重新组合 ;l 位错缠结重新排列位错缠结重新排列 ;l 异号位错相遇抵消异号位错相遇抵消 ;l 亚晶粒长大亚晶粒长大 ;结果结果 : 位错密度降低位错密度降低 .Date 10第七章 回复与再结晶7.2 回 复 高温回复高温回复 : 高温高温 (0.5Tm)加热时的回复加热时的回复高温下位错充分激活高温下位错充分激活 位错攀移位错攀移 +滑移滑移 : l 位错攀移滑移 同号 位错垂直排列 (亚晶界 ) 多边化 (亚晶粒 )弹性畸变能降低 (驱动力 ).Date 11第七章 回复与再结晶7.2 回 复Date 12第七章 回复与再结晶Date 13第七章 回复与再结晶Date 14第七章 回复与再结晶7.2 回 复回复导致的性能变化：电阻率下降显著内应力降低硬度和强度下降不多 回复机制： 空位的减少和位错应变能的降低晶体弹性应变能的基本消除位错密度下降不大Date 15第七章 回复与再结晶Date 16第七章 回复与再结晶7.2 回 复 动力学曲线特点：动力学曲线特点：l没有孕育期；没有孕育期；l开始变化快，随后开始变化快，随后变慢；变慢；l长时间保温后，性长时间保温后，性能很缓慢地趋于一能很缓慢地趋于一平衡值平衡值 驰豫过程驰豫过程。2. 回复动力学回复动力学 研究冷变形金属回复过程性能恢复的速率研究冷变形金属回复过程性能恢复的速率Date 17第七章 回复与再结晶回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平7.2 回 复每一温度的恢复程度有一 极限值 ，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此极限所需时间也越短Date 18第七章 回复与再结晶7.2 回 复该式说明该式说明 ,回复的速率随温度增高而增大回复的速率随温度增高而增大 与与其他热激活过程相同其他热激活过程相同 . 回复速率回复速率 加工硬化残留率与退火温度和时加工硬化残留率与退火温度和时间的关系间的关系 :式式 中中 :x0 原始加工硬化残留率；原始加工硬化残留率； x 退火时加工硬化残留率；退火时加工硬化残留率；c0 比例常数；比例常数； t 加热时间；加热时间； T 加热温度。加热温度。Date 19第七章 回复与再结晶7.2 回 复l 去去 应力退火应力退火 去应力退火即回复退火去应力退火即回复退火 , 加热温度加热温度 2/l 形核机制形核机制1) 晶界凸出形核晶界凸出形核 变形量较小时变形量较小时Date 25第七章 回复与再结晶7.3 再结晶l B晶粒位错密度晶粒位错密度高高 ,多边化后的多边化后的亚晶较亚晶较 A晶粒中晶粒中的亚晶细小的亚晶细小 ,A晶粒中某些亚晶粒中某些亚晶晶界迁移进晶晶界迁移进入入 B晶粒成为再晶粒成为再结晶晶核并消结晶晶核并消耗耗 B中亚晶长大中亚晶长大,降低体系自由降低体系自由能能 .“大鱼吃小鱼 ”Date 26第七章 回复与再结晶7.3 再结晶l亚晶形核机制亚晶形核机制 变形量较大时变形量较大时l 变形较大时各晶粒位错密度相差不大变形较大时各晶粒位错密度相差不大 ,不能以晶界凸出形核不能以晶界凸出形核 借助晶粒内无借助晶粒内无应变亚晶形核应变亚晶形核 ;l 形核方式形核方式 : 亚晶合并形核亚晶合并形核 取向差较小的相邻取向差较小的相邻亚晶合并成再结晶晶核亚晶合并成再结晶晶核 ; 亚晶直接长大形核亚晶直接长大形核 取向差较大的取向差较大的亚晶界亚晶界 吞并其它亚晶或变形部分形吞并其它亚晶或变形部分形成晶核成晶核 ; 两种方式最终亚晶界均成为大角两种方式最终亚晶界均成为大角度晶界度晶界 .Date 27第七章 回复与再结晶7.3 再结晶 再结晶晶核的长大再结晶晶核的长大l 长大方式长大方式 凸出方式凸出方式 : 超过临界半径后自发向高畸变能超过临界半径后自发向高畸变能晶粒中生长晶粒中生长 ; 亚晶机制亚晶机制 : 形成大角度晶界后可迅速移动形成大角度晶界后可迅速移动 ,扫扫除位错除位错 ,留下无应变晶体留下无应变晶体 .l 几点注意几点注意 : 晶界迁移驱动力晶界迁移驱动力 相邻晶粒间畸变能差相邻晶粒间畸变能差 ; 晶界移动方向晶界移动方向 背向曲率中心背向曲率中心 ; 再结晶结束再结晶结束 晶核向畸变晶粒扩展晶核向畸变晶粒扩展 ,直至再直至再结晶晶粒结晶晶粒 (无应变等轴晶无应变等轴晶 )相互接触相互接触 .Date 28第七章 回复与再结晶7.3 再结晶V t 时间已经时间已经 再结晶的体积分数再结晶的体积分数 ;B,k 常数常数 .2.