材料科学基础 第09章 再结晶_ppt课件

第九章 回复与再结晶回复 再结晶 晶粒长大 再结晶后的组织 金属的热加工 引言冷变形后的金属材料存在加工硬化和残余内应力等性能变化，在很多情况下并不是人门希望的，可以通过加热引起的组织变化来改变这些性能。 塑性变形后，在材料的内部的晶粒破碎拉长，位错等缺陷大量增加和存在的内应力都使材料存在弹性应变能，使其内能升高处于不稳定的状态，系统本身就存在释放能量的潜力，当温度提高后，原子的活动能力增强，原子在热运动中会使材料朝着减少缺陷、降低能量的方向发展，造成组织和性能的变化。 冷变形后的材料加热转变对冷变形的塑性材料进行重新加热，随着加热的温度和保温时的不同，发生的变化大致可以分为三个阶段：回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应材料的内应力、晶粒尺寸、强度、塑性等性能也发生对应变化。 第一节 回复 回复的变化 回复机制 回复动力学所谓回复，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。1.回复概念2.回复的组织性能变化 1)宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；2)物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回到未变形前的水平；3)力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的变化； 4)光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，在电子显微镜下可间到晶粒内部组织的变化。 (位错的胞状组织转变为亚晶 ) 第一节 回复4.回复动力学 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。 设材料的某一可测量物理性能指标数值为 P,(P可能指电阻率或其他 )，变形前为 P0，变形后为 Pd，可以证明发生回复过程后的性能和时间的关系为： 其中 A为与材料类型结构有关的常数， Q为激活能， R为气体常数， T发生回复的温度， t为回复进行的时间。 第一节 回复4.回复动力学因此在不同的温度下，回复到相同的程度所用的时间的为：即 ln(t)和 1/T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，平时在室温下未见到性能变化的仅因为变化的速度很慢。 第一节 回复第二节 再结晶 基本过程 再结晶形核再结晶动力学影响再结晶速度的因素 1.再结晶的基本过程经过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)，可以发生晶粒的重新改组。同结晶过程类似，首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。这个过程也是一形核和核心长大，称为再结晶。 材料发生了再结晶后，由于全部用新生成的晶粒替换了原发生过塑性变形的晶粒，所以材料经过再结晶后，由冷塑性变形带来的所有性能变化就全部消失， 材料的组织发生了变化，性能完全彻底回到变形前的状态 。 第二节 再结晶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大来进行，但再结晶过程不是相变。原因有：1) 变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于同一个相。2) 再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没有确定的转变温度。3) 再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化后可以发生可逆变化。4) 发生再结晶的热力学驱动力是冷塑性变形晶体的畸变能，也称为储存能。第二节 再结晶1.再结晶的基本过程再结晶的晶界弓出的形核机制 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，这个区域就是再结晶核心。 和结晶形核方式类似，晶界弯曲后，一方面界的弯曲面因面积增加会增加界面能，另一方面形核区中原变形区间有应变能释放 。第二节 再结晶1.形核再结晶的晶界弓出的形核机制 和液体结晶形核不相同的是如果达不到临界条件，晶界也会弯曲，到一定程度停止但不会消失 (相关的定量数学式略 )。同时位错低的一边的原子在晶核处重排列，从原变形状态改变为无变形状态，超过一定的区域与原晶粒形成大的取向差，即独立形成一新晶粒。 形核的临界条件是 ：其中 ES为单位体积内的应变畸变能， 为界面能， a为生成前晶界的半径。 第二节 再结晶 1.形核晶界弓出的形核例证晶界弓出形核这种现象在铜、镍、银、铝及铝 铜合金中曾直接观察到。 第二节 再结晶 1.形核再结晶的其它形核机制 其他形核机制 ：在再结晶中的形核还有亚晶合并长大，详细过程就不分析了，总之核心都是在原有晶粒的边界或变形较大的地方先产生。 核心的长大 是变形晶粒晶界附近的原子移动到新的未变形晶粒上，从而可以减少变形应变能，新晶粒不断长大到相遇，最后全部为新晶粒，再结晶完成。 第二节 再结晶1.形核2.核心的长大3.再结晶动力学 在一定变形量下，将变形金属在不同温度进行不同时间的退火，让其发生再结晶，用金相法测定发生再结晶的体积分数随时间的变化，得出结果如图所示。 第二节 再结晶3.再结晶动力学对于 均匀结晶过程，即形核率 N和长大速度 G不变时，分析可以推导出转变分数 XV和时间 t的关系： 即 JohnsonMehl 方程，这里忽略孕育期且未考虑生长后期晶粒相遇带来的影响。工程中常用数学回归的Avrami方程： 式中常数 B与材料种类和变形量等有关，常数 n为反应级数，一般材料为 3 4，板材 (2 3)和线材 (1 2)或更小。 第二节 再结晶3.再结晶动力学再结晶过程也是热激活过程，达到同样的再结晶程度，也存在温度和时间的等效关系 ： 其中激活能 Q除决定于材料的类型 (成分、纯度等 )外，还和变形量的大小直接相关，显然退火前，材料的冷塑性变形量愈大，相应所需的激活能愈小。 第二节 再结晶4.影响再结晶速度的因素 材料因素 ： 原子的 结 合力大，表 现为 熔点高的材料，再 结 晶 进 行 较 慢； 材料的 纯 度， 纯净 材料如 纯金属， 进 行 较 快，而溶入了其他元素，特 别 是元素易在晶界 处 存在聚集 时 ，将降低再 结 晶的速度； 第二相 质 点的存在，特 别 是其成弥散分布 时 ，将明 显 降低再 结 晶的速度。 工 艺 因素 ： 加 热 温度愈高，再 结 晶速度愈快； 变形量大， 弹 性畸 变 能大，再 结 晶速度也快。当 变 形量过 小， 弹 性畸 变 能不能 满 足形核的基本要求 时 ，再 结晶就不能 发 生，即能 发 生再 结 晶需要一起 码 的 变 形量，称 为临 界 变 形量 C，大多金属材料的 临 界 变 形量在 210% 之 间 。 第二节 再结晶第三节 晶粒长大 晶粒长大的动力 晶粒的正常长大晶粒的非正常长大 1.晶粒长大的动力 晶粒的长大是一自发过程，其驱动力是降低其总界面能。长大过程中，晶粒变大，则晶界的总面积减小，总界面能也就减小。 为减小表面能晶粒长大的热力学条件总是满足的，长大与否还需满足动力学条件，这就是界面的活动性，温度是影响界面活动性的最主要因素。 第三节 晶粒长大 1.晶粒长大的动力两晶粒的界面如果是弯曲如图所示，则在晶粒 内存在附加压力 其中 r1和 r2分别为界面在两个方向的曲率半径。可见晶粒 的化学位比晶粒 要高，因而原子从晶粒 越过晶界到晶粒 ，晶界向晶粒 边迁移，会降低自由能，所以自发过程是界面向凹向边迁移。 第三节 晶粒长大 2.晶粒的正常长大 晶粒长大在热力学上是必然，在长大过程中，所有能长大晶粒都处在大致相同的环境，长大后的晶粒大小分布统计结果相同，所以把这种晶粒的均匀长大称为正常长大。从晶界平衡可知，都为大角晶界时，小晶粒周围的原子数少于 6，弯曲面向内，而大晶粒周围的原子数多于 6，弯曲面向外，晶粒长大的方式是小晶粒变小到消失，而大晶粒不断变大，即大吃小的兼并方式进行。晶粒长大的最终结果是材料的晶粒平均尺寸变大。影响最后晶粒尺寸的因素和影响再结晶速度相同，但这时已经没有弹性畸变能的作用了，显然同一材料，退火过程中加热温度愈高，保温时间越长，长大后的晶粒就愈粗大。 第三节 晶粒长大 3.晶粒的非正常长大 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，这些大量吞食周围晶粒，迅速长大，这种现象称为晶粒的异常长大。这些优先长大的少数晶粒最后到互相接触，早期的研究以为是形核和核心的生长过程，而称为 “ 二次再结晶 ” ，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。 第三节 晶粒长大 3.晶粒的非正常长大异常长大的晶粒金相图片第三节 晶粒长大 3.晶粒的非正常长大再结晶退火时发生晶粒异常长大的条件是：1) 材料的冷变形程度较大，产生了织构 (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(再结晶织构 )，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；2) 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。所以防止材料发生晶粒异常长大的方法就是注意这两个环节。 第三节 晶粒长大 预防措施第四节 再结晶后的组织 再结晶温度 再结晶后的晶粒尺寸 其他组织变化 1.关于再结晶温度 再结晶并不是只能在固定的温度以上才能发生，而是温度愈高，转变速度愈快。再结晶温度被定义为在一定时间内完成再结晶所对应的温度，通常规定在一小时内再结晶完成 95%所对应的温度为再结晶温度，准确的称呼应是一小时再结晶温度。再结晶温度与材料的类型、纯度有关，而且和材料冷变形程度也有关。再结晶温度随着变形量的增加而降低，最终有一下限值，对于工业纯金属来讲，经验表明最低再结晶温度在 0.35TM左右，一般再结晶温度用 0