金属晶体结构及再结晶退火的机理过程.doc

第十八章 金属晶体结构及再结晶退火的机理、过程在金属学中，组织这个概念是指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的金属材料内部的情景。习惯上用放大几十倍的放大镜或用肉眼所观察到的组织，称为底倍组织或宏观组织；用放大1000-2000倍的显微镜所观察到的组织，称为高倍组织或显微组织；通过几千倍到几十万倍的电子显微镜所观察到的组织，称为电镜显微组织或精细组织。通过照片看到的组织，其组织形态是多种多样，非常复杂的。从照片观察分析组织具有一个共同的较普遍的特征，即它是由许多好象生物学的细胞似的小单元所组成的。组织形态多样性是由于这些小单元的形态、大小、相对数量和相对分布不同而产生的，这些小单元的组成和结构也可以不相同。金属学中称这些小单元为晶粒。 亚晶粒 晶界 亚晶界 晶粒严格说，晶体结构是指原子集合体中各原子的具体组合状态。成分、结构和组织三者即相互区别，又相互渗透，并分别在不同程度相互制约着，它们的综合作用决定了金属材料的性能。如A8079、H14、H18等。Fe-C合金相同的成分由于不同的结构，却使用方式不同。当然也有些性能对结构、组织的变化很不敏感，如密度、比热、热传导性电阻等。什么是晶体？凡是原子（或离子、分子）在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体均是晶体。非晶体是什么？在三维空间没有按一定规律不呈周期性排列的固体为非晶体。如：木料、玻璃、棉花等。液态金属的原子排列无周期规律性，不为晶体。晶体和非晶体物质在性质上的区别主要有： 前者熔化时具有固定的熔点，而后者却存在一个软化温度范围，没有明显的熔点； 前者具有各向异性，而后者为各向同性。由于具有各向异性，晶粒的位向是任意的，互相抵消，因此在一般情况下整个晶粒不显示各向异性称之为伪等向性。在外界给予力使其晶粒的位向大致相同，那么就表现出各向异性，这在工业生产中已得到了应用，如铝箔生产。 多晶体金属中晶粒位向示意图金属晶体结构：自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同，其中最典型最常见的晶体结构有 体心立方结构：-Fe、Cr、Mo、W等30多种三种类型 面心立方结构 如：Fe、Cu、Al、Ag、Ni等20种金属具有这种结构 密排六方结构：Zn、 Mg、-Co等前两种属于立方晶体系，后一种属于六方晶系。在实际应用中的金属材料，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，总是不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域。这就是晶体缺陷。 点缺陷 ：其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子尺寸，如空位、间隙原子、置换原子等晶体缺陷 线缺陷 ：其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上尺寸相对很大，属于这一类的主要是位错。 面缺陷 ：其特征是在一个方向上的尺寸很小，另两个方向上尺寸相对很大，例如晶界、亚晶界等。由于在金属材料的半成品或制件中常常存在残余应力，成份不均匀，组织不稳定及表面质量不佳，如由位错引起的线缺陷。这些缺陷严重影响材料的工艺性能和使用性能，如塑性低，耐腐蚀性差、机械性能不好，表面光洁度差以及不符合用户要求等。要消除或减少这些缺陷以提高材料的工艺性能和使用性能，必须进行退火。所谓退火，就是指把工件（铝箔）以一定的加热速度加热到适当的温度，保持一定时间（称为保温），以缓慢的速度冷却的一种工艺过程，根据所要达到的具体目的，退火又分为去应力退火、再结晶退火和均匀化退火等。什么叫退火？将冷变形铝和铝合金加热，会发生回复与再结晶过程，其驱动力是冷变形储能，即冷变形后金属的自由能增量。冷变形储能的结构形式是晶格畸变和晶格缺陷，如点缺陷、位错、亚晶界等。加热时晶格畸变将恢复，各种晶格缺陷将发生一定的变化（减少，组合），金属的组织和结构将向平衡状态转化，使冷变形金属向平衡状态转变的热处理称为退火。什么叫储能？金属在塑形时需要消耗大量的能量，其中大部份转变成热而散失，只有一小部份（百分之几至百分之十几）能量以增加晶体缺陷（空位和位错等）所引起的畸变能和由于变形不均匀性所引起的弹性应变能形式储存在金属内部，称为储存能。由于储能的存在使冷变形金属具有较高的自由能，处于热力学不稳定状态，有向稳定状态转变的趋势。因此储能是金属发生组织变化的驱动力。这时加热退火金属将从自由能较高的亚稳定的冷变形状态向自由能较底的稳定状态转变。根据加热温度的高底一部分或全部冷变形储能部分或全部释放，金属内部发生回复或再结晶过程其性能也相应发生变化。通常我们将经冷塑性变形的金属加热时发生的变化过程随着温度的升高可分为回复、再结晶、晶粒长大三个阶段。一.回复回复是指经塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些晶粒亚结构和性能变化的过程。将冷变形金属加热到不高的温度时变形金属的显微组织无显著变化，晶粒仍保持纤维状或扁平状的变形组织。此时机械性能如硬度、温度、塑性变化不大，但某些物理化学性能发生明显变化如：电阻显著减少、抗应力腐蚀能力提高，第一类内应力基本消除。回复是退火过程的第一阶段，当加热温度不高时，也就是说加热温度低于变形金属开始发生再结晶的温度时，由于原子活动能力不大，只能作短距离的扩散运动，此时只能消除晶格的歪扭和畸变，但不能形成新的再结晶晶粒。当用光学显微镜观察时，看不到金属的内部组织有任何变化。此时，金属的强度和硬度稍有降低，塑性略有提高，但是，在回复过程中金属的某些物理性能却有明显的变化，如金属的电阻和内应力发生了明显的下降。这个阶段基本上还保持着冷作硬化状态金属的主要特征。二、再结晶当冷变形金属的加热温度高于回复温度时，在变形组织的基体上产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，逐渐取代全部变形组织这个过程称为再结晶。再结晶的驱动力与回复一样也是金属预先冷变形产生的储存能，经过再结晶之后，冷变形金属的强度显著下降，塑性和韧性显著提高，内应力完全消除，加工硬化状态消除，金属又重新复原到了冷变形之前的状态。凡是在变形金属或合金的基体上，经过退火加热而形成了由新的晶粒所构成的显微组织叫做再结晶，又称为一次再结晶或加工再结晶。冷变形金属的再结晶是个成核和长大过程，是通过形核和长大方式完成的。新晶粒晶核的晶格畸变比周围的金属小，是自由能低的稳定结构。所以它能逐渐吞并自由能高的基体而长大晶粒长大的动力是加工变形引起的应变能的降低。因此又称加工再结晶，某些再结晶晶粒吞并周围邻接的晶粒而长大的过程叫做聚集再结晶，它的动力与加工再结晶不同，不是应变，而是晶粒的表面能降低。必须指出，再结晶过程并未形成的等轴晶粒在晶格类型与原来晶粒是相同的，只不过是消除了各种塑性变形造成的一些晶体缺陷。再结晶与液体结晶及同素异构转变不同，它没有一个固定的结晶温度，而是在加热过程中自某一个温度开始，随着温度的升高或时间的延长而进行成核及长大的过程，通常以再结晶开始温度作为再结晶温度其示意图 回复 再结晶 晶粒长大 组 内 度 织 应 粒 变 力 晶 化 性 能 强度 塑性 变 化 加热温度 图 加工硬化金属在加热时组织及性能的变化2.3 晶粒长大冷变形金属在再结晶之后，一般都可以得到细而均匀的等轴晶粒，如果加热温度很高，或者加热时间过长，再结晶后的晶粒开始聚集它通过表面能小的大晶粒吞并表面能大的小晶粒，这种晶粒长大的过程，称为聚集再结晶。从热力学条件来看，晶粒的粗化可以减少表面能。使金属或合金处于较稳定的、自由能较低的状态，因此，晶粒长大是一种自发过程，但是需要原子不较强的扩散能力。以完成晶粒长大时晶界的迁移运动。而在高温加热下，使其具备了这一条件，晶界的移动与其曲率有关，晶界的曲率越大则其表面积也越大。因此，一个弯曲