（材料学专业论文）电场作用下钛板与镁合金板再结晶组织和织构的研究.pdf

东北大学硕士学住论文摘要 电场作用下钛板与镁合金板再结晶组织和织构的研究 摘要 本文主要以实验为基础，选择了冷轧工业纯钛板和热轧m b 3 镁合余板作为研 究对象，分剐对其实施了电场和非电场再结晶退火，通过金相观察、显微硬度实 验、t e m 观察、x 射线衍射及s e m e b s d 分析等实验手段和方法，通过比较电 场与非电场退火样品的显微组织和织构，仞步探讨了电场退火对冷轧纯钛板和 热轧镁合会板再结晶显微组织和织构的影虮 实验结果表明：电场退火并没有改变工业纯钛板和镁合盒板的再结晶组织 及再结晶织构的形成和演变机制。由于钛的电阻较大，电场抑制工业纯钛板的 回复和再结晶进程的效果不显著，对于m b 3 镁台金板，电场明显抑制了样品的 再结晶形核和晶粒长大，使其再结晶过程明显滞后于非电场退火样品的再结晶过 程。 对于冷轧工业纯钛板，电场与非电场退火样品的主要织构仍然为纯钛板的典型 再结晶织构一f 1 0 l3 ) 织构，而且电场与非电场退火样品的各织构组分的 变化趋势相同。当退火湿度达到7 0 0 。c 和8 0 0 0 c 时电场退火样品的 1 0 1 2l 织构强 度明显高于非电场退火样品的 1 0 1 2 织构强度，表明电场提高了 1 0 1 2 织构强 度。除此之外，电场与非电场退火样品的织构强度的差别不大，包括同一温度下 不同保温时间的电场与非电场退火样品的织构强度变化的也是如此。导致电场对 再结晶织构作用不显著的原因可能与钛属于六方晶体结构以及钛的电阻较大有 关。显微组织观察和t e m 观察均表明，电场退火样品的再结晶晶粒尺寸略小于非 电场退火样品的晶粒尺寸，这就使电场退火样品的显微硬度值高于非电场退火样 品的显微硬度值。e b s d 结果表明，电场7 0 0 。c 退火样品再结晶不完全，残留较多 的冷轧基俸；8 0 0 。c 退火时，电场与 电场退火样品的再结晶量菲常接近，电场退 火再结晶平均晶粒尺寸( 1 1 l a m ) 略小于非电场退火再结晶平均晶粒尺寸( 125 1 a m ) 。 本文从空位具有负电性的观点出发，分析和探讨了电场退火对纯钛板回复和再结 晶的影响。 对于热轧m b 3 镁合余板，同一退火温度和保温时问条件下电场退火样品的再 结晶织构与菲电场退火样品的秀结晶织构类型相同，基本是典型的 0 0 0 2 基藏织 构，而且强度差别不大，只是漫敞程度有所差异，这可能与镁是六方系晶体结构 有关。显微组织观察结果表明，电场退火样品的再结晶晶粒尺寸明显小于非电场 退火样品的再结晶晶粒尺寸，这是导致同一退火温度下电场退火样品的硬度值总 东北犬学硕士学位论文 是高于非电场退火样品的硬度值原因之一。t e m 观察表明，电场还提高了第二相 粒子的析出温度，而且使第二相粒子变得细小、弥散。 关键词：电场退火，再结晶，再结晶织构，工业纯钛、镁合金、t e m ，s e m e b s d i l i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nr e c r y s t a l l i z a t i o nm i c r o s t r u c t u r e s a n dt e x t u r e so fp u r et i t a n i u ma n d m a g n e s i u m a l l o ys h e e t a n n e a l e dw i t he l e c t r i cfi e l d a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ea s r e c e i v e dp u r et i t a n i u ms h e e t sc o l d r o l l e da n dm b 3m a g n e s i u m a l l o y s h e e th o t r o l l e dw e r ea n n e a l e dw i t ha n dw i t h o u tad ce l e c t r i cf i e l d m i c r o s t m c t u r e sa n dt e x t u r e sa sw e l la sv i c k e rm i c r o h a r d n e s st e s ti nt h ep r e s e n t s a m p l e sa n n e a l e dw e r ep e r f o r m e db yo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) ，s e m e b s d ，a n dx r a yd i f f r a c t i o n ，r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h e c o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ee f f e c t so fe l e c t r i cf i e l do n t h er e c r y s t a l l i z e d m i c r o s t r u c t u r e sa n dt e x t u r e si nt h ec u r r e n tt e s t e dp u r et i t a n i u ma n dm a g n e s i u ma l l o y w e r eb r i e f l ya n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s si nt h et e s t e d m a t e r i a l sa n n e a l e dw i t he l e c t r i cf i e l di ss t i l lp r o c e s s i n gb yn u c l e a t i o na n dg r a i ng r o w t h ， b u tt h ee x t e r n a le l e c t r i cf i e l dc a nr e t a r dt h er e c r y s t a l l i z a t i o na n dg r a i ng r o w t hp r o c e s s t h ee f f e c to f r e t a r d i n gt h er e c o v e r ya n dr e c r y s t a t l i z a t i o nf o rp u r et i t a n i u mi s n td i s t i n c t b e c a u s eo fi t sh i g hr e s i s t i v i t y t h ee x t e r n a le l e c t r i cf i e l dr e t a r dt h er e c r y s t a l l i z a t i o na n d g r a i ng r o w t hp r o c e s sm a r k e d l y , i ti st h a tm a g n e s i u mh a sl o w e rr e s i s t i v i t y i naw o r d ，t h e m e c h a n i s m so fr e c r y s t a l l i z a t i o na n dr e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r ef o r m a t i o na r e n tc h a n g e d w h e ns a m p l e sa n n e a l e dw i t he l e c t r i cf i e l d t h et y p i c a l 1 0 1 3 ) r e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r e sa r em a i n l yf o r m e di nt h e p u r et i t a n i n ms a m p l e sa n n e a l e dw i t ha n dw i t h o u te l e c t r i cf i e l dw h i c hh a v ev a r y i n g t e n d e n c yo fe v e r yt e x t u r e t h ei n t e n s i t yo f 1 0 1 2 t e x t u r e so fs a m p l e sa n n e a l e dw i t h e l e c t r i cf i e l di sh i g h e rt h a ns a m p l e sa n n e a l e dw i t h o u te l e c t r i cf i e l da t7 0 0 。ca n d 8 0 0 。cw h i c hi n d i c a t et h ee x t e r n a le l e c t r i cf i e l di n c r e a s ei n t e n s i t yo ff10 1 2lt e x t u r e s h o w e v e r , t h ed i f f e r e n c eo ft e x t u r ei n t e n s i t yo fs a m p l e sa n n e a l e dw i t ha n dw i t h o u t e l e c t r i cf i e l da to t h e rt e m p e r a t u r e si sv e r y1 i t t l e t h et e x t u r e so fs a m p l e sa n n e a l e dw i t h a n dw i t h o u te l e c t r i cf i e l da tt h es a m et e m p e r a t u r ef o rd i f r j r e n ta n n e a l i n gt i m e sh a v et h e s i m i l a r v a r y i n gt e n d e n c y s u c hr e s u l t s i s p r o b a b l yr e s p e c t t h a tt i t a n i u mi so f c l o s e p a c k e dh e x a g o n a ls t r u c t u r ea n dh a sh i g hr e s i s t i v i t y t h es i z eo fs a m p l e sa n n e a l e d w i t he l e c t r i cf i e l di ss m a l l e rt h a nt h o s ea n n e a l e dw i t h o u te l e c t r i c f i e l dw h i c hr e s u l t si n t h em i c r o h a r d n e s so fs a m p l e sa n n e a l e dw i t he l e c t r i cf i e l di sh i g h e rb ym e a n so fo m a n dt e ma n a l y s i s e b s da n a l y s i si n d i c a t e st h a ts a m p l ew h i c ha n n e a l e dw i t he l e c t r i c f i e l da t7 0 0 。cr e c r y s t a l l i z e di n c o m p l e t e l ya n dr e m a i n e dm o r ed e f o r m e dm a t r i x t h e 1 v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t v o l u m eo f r e c r y s t a l l i z a t i o no f s a m p l e sw h i c ha n n e a l e dw i t ha n dw i t h o u te l e c t r i cf i e l da t 8 0 0 。ci ss i m i l a r , a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r o nt h e o r yo fm e t a l s v a c a n c i e si nam e t a l1 a t t i c e a r ee l e c t r o n e g a t i v ew h i c hl e a dt oac e r t a i ne x t e n te f f e c ti nr e c o v e r ya n dr e e r y a t a l l i z a t i o n o f p u r et i t a n i u m t h e r ea r et y p i c a l ( 0 0 0 2 b a s a lt e x t u r e si nm b 3m a g n e s i u ma l l o ys a m p l e sa n n e a l e d w i t ha n dw i t h o u te l e c t r i cf i e l da ts a m et e m p e r a t u r ef o rs a m et i m e ，e v e nt h ed i f i e r e n c eo f i n t e n s i t yb e t w e e nt h o s es a m p l e si sl i t t l e j u s td i s p e r s i n ge x t e n th a so b v i o u sd i f f e r e n c e w h i c hm a y b ei sb e c a u s eo fm a g n e s i u mb e i n gc l o s e p a c k e dh e x a g o n a ls t r u c t u r e t h e s i z eo fs a m p l e sa n n e a l e dw i t he l e c t r i cf i e l dj sm a r k e ds m a l l e rt h a nt h o s ea n n e a l e d w i t h e u te l e c t r i cf i e l dw h i c hr e s u l t si nt h em i c r o - h a r d n e s so fs a m p l e sa n n e a l e dw i t h e l e c t r i cf i e l di sh i g h e rb ym e a n so fo ma n a l y s i s t e ma n a l y s i si n d i c a t e se l e c t r i cf i e l d i n c r e a s e dt h ep r e c i p i t a t i n gt e m p e r a t u r eo fs e c o n d p h a s ep a r t i c l e s ，a l s om a d et h e m b e c o m i n gs m a l l e ra n dd i s p e r s e r k e yw o r d s ：e l e c t r i c f i e l da n n e a l i n g r e c r y s t a l l i z a t i o n ，r e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r e ， p u r et i t a n i u m ，m a g n e s i u ma l l o y , t e m ，s e m e b s d v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：徨域 日期： 埘宰卅硼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 前言 第一章文献综述 材料性能取决于材料内部结构，其内部结构则取决于材料成分并受到外界因 素的影响，如图1 i 所示。这些外界因素包括各种处理和过程，如压力加工和热处 理等。随着材料科学研究的发展与进步，人们对材料各种性能的要求r 益提高， 单一的温度场和应力场 已不能满足要求，而另外 的能量形式：电场、磁场 或电磁场等，因其独特的 作用形式和影响机制引 起材料组织结构和性能 的改变，其应用和研究同 益受到重视，目| j i f 国内外 许多研究者从不同的角 度和方向展开了研究工 作。 图1 i 材料组织结构与能精关系图 f i g 1 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r u c t u r eo f m a t e r i a la n de n e r g y 材料在运动电子( 电流或和电场) 作用下，变形抗力急剧下降，塑性明显提 高的现象称为电致塑性效应( e l e c t r o p l a s t i ce f f e c t ) ，而且在某些情况下，材料的强 度、断裂韧性和晶体生长速度等也会因电的作用而受到影响。电场作为对物质的 行为有深刻作用的物理环境，已引起了人们的极大兴趣，并在会属的制造与d n t _ 过程中得到了广泛的应用【12 1 。现已有研究表明电场处理对余属的超塑性再结晶， 相变及金属中原子的扩散有显著的影响。电场处理技术可以改善会属的性能，对 各种电场效应，研究者针对各自的研究结果提出了不同的解释机制，但是对于电 场作用的本质还没有一个统一的解释，仍需作进一步的探索和研究。 再结晶是金属材料最重要的物理冶金过程之。再结晶退火是工业生产中控 制和改变盒属与合会组织、结构及性能的一种重要手段。自18 8 1 年德国结晶学家 k a l 掂h e r 在冷轧锌板加热过程中发现了再结晶现象以来，有关金属及合金的再结晶 行为一直是各国学者的主要研究领域之一。 本文将探讨电场退火对工业纯钛板和镁合金板显微组织及织构的影m 该工 作是国家自然科学基会“电场作用下金属板材再结晶织构的形成和演变机理”项 1 一 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 目的一部分 1 2 金属的再结晶 再结晶一般是指会属冷形变后的初次再结晶，并把开始形成稳定的再结晶 晶核作为再结晶的丌始，其后晶核通过大角度晶界的迁移消耗形变或经回复的 基体而长大，因此可以说，再结晶过程是新晶粒的形成和长大过程。对于无大 角度迁移的微观组织结构变化过程称之为回复或“原位再结晶” ( r e c r y s t a l l i z a t i o ni ns i t u ) 。再结是的驱动力源于回复后还没有释放的形变储 能，它约占总形变储能的9 0 以上。再结晶进程取决于由形变缺陷组念决定的 形变储能的大小，加热速度，加热温度和时间，储能释放率等。整个变化过程 可划分为三个衔接而又重叠的阶段，即回复，再结晶和品粒长大。b u r k e 和 t u ，n b u l l 及c a h n 等将影响再结晶过程的一些参量总结为如下“再结晶定律1 3 j ，： ( 1 ) 需要超过某个最小的形变量才能发生再结晶。 ( 2 ) 形变量越小，发生再结晶所需的温度越高。 ( 3 ) 增加退火时间可以降低再结晶所需的温度。 ( 4 ) 再结晶最终的品粒大小主要驳决于变形程度，其次取决于退火湿度，一 般是变形程度越大、退火温度越低，则晶粒尺寸越小。 ( 5 ) 原始晶粒尺寸愈大，获得相同的再结晶温度和时间所需的冷加工形变量 愈大。 ( 6 ) 随着加工温度的增高，要得到相同力日工硬化所需的变形程度也越大。 ( 7 ) 新晶粒不会长入取向相同或接近的相邻的形变晶粒中。 1 2 1 再结晶晶核的形成 再结晶的形核是一个复杂问题，存在着很多不同的看法，最初有人甩经典 的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，并且在回复阶段发，主的多边形化是为再结晶形核所作的必要准备。 由于核心在形成的早期阶段很小，可能从几十个或几百个原子范围的微观尺度 上发生，并在位错密度较高的微体积中出现，因此，光学显微镜无法用于再结 晶形核阶段的研究。通过分析形变基体和再结晶晶粒之间的位向关系可得到一 些有价值的结果，然而，这个方法只能给出一个平均图形，并不能确定晶核及 其周匿基体的位向。随着透射电子显微镜的出现，有可能应用电子衔射测定核 心与周围基体的位向。目前这方面的研究已取得了较大进展。人们根据对不同 冷变形度的不同会属材料发生再结晶时的实验观察，提出了不同的再结晶形成 2 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 目的一部分 12 金属的再结晶 再结晶一般是指金属冷形变后的初次再结晶，并把丌始形成稳定的再结晶 晶核作为再结晶的丌始，其后晶核通过大角度晶界的迁移消耗形变或经回复的 基体而长大，因此可以说，再结晶过程是新晶粒的形成和长大过程。对于无大 角度迁移的微观组织结构变化过程称之为回复或“原位再结晶” ( r e c r y s t a l l i z a t i o ni ns i t u ) 。再结晶的驱动力源于回复后还没有释放的形变储 能，它约占总形变储能的9 0 以上。再结晶进程取决于由形变缺陷组惫决定的 形变储能的大小，加热速度，加热温度和时间，储能释放率等。整个变化过程 可划分为三个衔接而又重叠的阶段，即回复，再结晶和晶粒长大。b u r k e 和 t u r n b u l l 及c a h n 等将影响再结晶过程的一些参量总结为如下“再结晶定律”j ，： ( 1 ) 需要超过某个最小的形变量才能发生再结晶。 ( 2 ) 形变量越小，发生再结晶所需的温度越高。 ( 3 ) 增加退火时间可以降低再结晶所需的温度。 ( 4 ) 再结晶最终的晶粒大小主要取决于变形程度，其次取决于退火温度，一 般是变形程度越大、退火温度越低，则品粒尺寸越小。 ( 5 ) 原始晶粒尺寸愈大，获得相同的再结晶温度和时间所需的冷加工形变量 愈大。 ( 6 ) 随着加工温度的增高，要得到相同加工硬化所需的变形程度也越大。 ( 7 ) 新晶粒不会长入取向相同或接近的相邻的形变晶粒中。 1 2 1 再结晶晶核的形成 再结晶的形核是一个复杂问题，存在着很多不i 司的看法，最初有人用经典 的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，并月，在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。 由于核心在形成的早期阶段很小，可能从几十个或几百个原子范围的微观尺度 上发生，并在位错密度较高的微体积中出现，因此，光学显微镜无法用于再结 晶形核阶段的研究。通过分析形变基体和再结晶晶粒之间的位向关系可得到一 些有价值的结果，然而，这个方法只能给出一个平均图形，并不能确定晶核及 其周围基体的位向。随着透射电子显微镜的出现，有可能应用电子衍射测定核 心与周围基体的位向。目前这方面的研究已取得了较大进展。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成 冷变形度的不同余属材料发生再结晶时的实验观察，提出了不同的再结晶形成 - 2 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 机制。 ( 1 ) 亚晶形核理论 亚晶形核有两种机制，一种是区域多边化后的亚晶的直接长大：一种是 亚晶通过聚集合并而长大。 c a h n 首先提出亚晶直接长大形核的概念，认为多边化后的亚晶依靠亚晶 界的迁移在消耗其它亚晶的基础上长大，吞并形变基体面发展成为再结晶晶 核。对此，c o t t r e l l 指出多边化后的点阵畸变区域不足以形核，因为晶界生长 速度强烈依赖于晶界两侧的位向差，而多边化后的亚晶的位向差通常仅为几 度，从动力学角度分析，只有大角度晶界才可能使晶粒向任意方向长大。因此 国 t r e l j 认为，形核区域应含有大角度晶界，至少有一部分晶界的取向差为高 角取向差，从而在动力学上能够快速迁移。v e r h o e v e n l 4 1 也指出，这种情况在 能够产生现成大角度亚晶的高形变量的金属中较为常见。 胡郇1 5j 首先观察到了亚晶聚合长大形核的现象，并提出了相应的亚晶聚合 长大模型 6 i 。该模型首先假定组成亚晶界的位错可以通过滑移和攀移逐渐消散 而使亚晶聚合，形成无应变的再结晶晶核，其周围为大角晶界，其后晶核通 过大角度晶界迁移而长大。许多研究结果表明，再结晶核心的形成的确与位错 重组和再结晶前的多边形化有关。从目前来看，亚晶聚合模型最能符合再结晶 实际情况，这是因为：根据位错理论，亚晶界通常为小角晶界，位向差只有 几度，理应很难移动；稳定的再结晶晶核必须超过所需的临界尺寸：晶核 在形成具有高迁移率的大角品界之前必定能以相当大的速度长大，而亚晶聚合 长大模型可以满足上述条件。其后，许多研究者们在各种金属和合会的再结晶 过程中观察到了亚晶聚合现象，并且在亚晶聚合形核的机理研究中也做出了一 些卓有成效的工作。然而直到现在，一些人对该机制仍然存有异议，主要怀疑 点是认为利用t e m ( t n n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 观察试样时获得的亚 晶界消散的实验证据不充分。 ( 2 ) 晶晁形核模型 该模型有些类似于亚晶聚合机制，众多研究者在不同的材料中观察到了这 种现象【7 8j 。当冷形变量很低时，形变金属中不同取向的晶粒所经受的形变量 不同，因而它们的位错密度会有所差别，在一定的加热温度下，当晶界两侧的 晶粒中的位错密度相差较大时，会造成该晶界向位错密度高的晶粒一侧突然移 动( 晶界弓出) 而形核。当形变量较大时，大角晶界两侧的位错密度没有大的 区别，因而出现晶界弓出形核的可能性较小。晶界形核模型是众多研究者实验 观察的结果，其真实性在某种程度上是不容置疑的，但是在某些情况下，晶界 形核并不是重要的形核方式( 如单晶体的再结晶过程) 。因而，这一模型的普 1 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 遍性也欠佳。 ( 3 ) 孪晶机制 孪生形核是影响较大的一种点阵转变形核机制。1 9 8 0 年，h u b e r 和 h a t h e r 一9 在用t e m 研究黄铜时指出，某些低层错能的台会，核心可以首先在 回复过程中产生的细小孪晶上形成，然后才通过晶界形核机制长大，他们称此 时的孪晶为“回复孪晶”，用以区别晶粒长大期间形成的退火孪晶。四复李晶 的形成可以用亚晶界以及晶界的能量与取向差的关系加以解释。 ( 4 ) 位错塞积机制 在金属冷形变过程中，析出物或多个晶界交接处附近会有较高的位错密 度，这些位错塞积区域是形核的有利场所。h o r n b o g e n 和k o s t e r 在= 压下量为9 0 的微合金钢中观察到t i c 析出物周围的再结晶晶核，v a n d e r m e 碍口g o r d o n 在高纯 铝内晶界交叉处发现了形核的现象。 除了上述形核机制以外，研究者们还提出了切变模型0 】和面心立方会属 滑移形核机制等。尽管各种形核模型都有直接或间接的实验观测证掘的支持， 但从以上论述中可以看出，会属再结晶没有一个统一的形核机制。不同令属再 结晶形核方式会有不同的倾向性。但无论怎样，形核应当以最容易实现的方式 进行，所形成的再结晶晶核必须具有足够大的尺寸和低的缺陷密度，同时与周 围环境的界面要有大角度晶界存在。 1 2 2 晶粒长大 冷变形金属在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，晶粒之问就会互相吞并长大，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，称之为丁f 常长大；另一种是晶粒不均匀不连续地长大，称之为反常长大， 或二次再结晶。 晶粒的长大靠晶界的迁移完成，晶界迁移是通过晶粒边缘上的原子逐步向毗 邻晶粒的跳动而实现的。由于晶界对材料性能的重要影响，人们很早就对包括晶 界迁移在内的有关晶界行为的研究给予了足够的重视。研究结果表明，大角晶界 中特殊位向的晶界具有特殊的迁移性质，这类特殊晶界主要指c s l ( c o i n c i d e n t s ，pl a r i c e ) 晶界，就是通常所谓的重位点阵，亦即晶界。晶界的这种特 殊的迁移性质在冷轧单晶体再结晶晶粒生长过程中表现得非常突出，并以此柬 解释再结晶织构的形成机制。般认为，小角晶界的可动性与大角晶界相差l o “ 1 0 6 。当再结晶晶核生长为再结晶晶粒时，大角度晶界的存在或形成将超着决定性 4 东北大学硕士学位论文第一章天献综述 的作用。 晶界迁移除依赖晶界结构本身外，受杂质的影响也非常大。a u s t 和2 u t z e 一 的研究结果表明，铅中s n 杂质对4 0 。 、2 3 。( 1 1 1 及2 8 。 晶界和随机取向 差晶界钓迁移均有阻碍作用，但对随杌取向差晶乔迁移的阻碍作用影响更大。这 表明杂质对晶界迁移的影响同样依赖于晶界结构。 1 ，3 再结晶织构 1 3 1 再结晶织构概述 如果将具有变形织构的板材退火则会形成退火织构。退火织构可以分成由回 复和多边化引起的织构和出再结晶弓【起的织构，其形成与自发的组织变化有关， 变化的方向出系统降低能量的倾向性以及过程的某些内在局部不均匀驱动力所决 定，这种倾向性通过一次再结晶形核的热激活过程以及靠消耗变形基体及其它晶 核的长大来实现。再结晶织构是伴随形变金属再结晶过程所形成的一种晶粒取向 择优分布。再结晶织构对材料的性能有着重要的影响，因此对再结晶织构的研究 历来倍受人们瞩目。先期的研究结果已揭示了再结晶织构形成的一般特点。诸如 材料的结构、形变量及形变温度、原始晶粒尺寸、加热温度及速度，预回复及杂 质等对再结晶及再结晶织构有着重要的影响。虽然人们对此进行了大量的研究， 但出于再结晶机制和再结晶织构形残机理的复杂性，迄今为止仍有许多润题尚无 定论。一般来说，再结晶可引起试样形变织构的明显改变，而且再结晶织构常常 以某些特定的取向关系与形变织构联系起来。再结晶的形成受多种因素的影晌， 在形核的最初阶段发生位错滑移，后期过程则与位错攀移、大角晶界的迁移、原 子的协同位移以及单个原子的扩散有关。再结晶织构的特征与完善程度受预先变 形程度、变形温度、退火温度、退火时间、第二相粒子、合会化、合金元素是固 溶的还是集中在晶界或是扩散析出等因素的影响。 1 3 2 再结晶织构的形成机制旧 基于t a r l o - , - 模型，人们对形交织构的形成机制已有较深刻的认识，至少人们 在理论上能够理解些现象。然而，关于再结晶织构的形成机制，多年来一直是 织构研究者们深入探索但又存有争议的课题。迄今为止，为人们所接受的再结 晶织构形成理论主要有定向形核理论和选择生长理论，鉴于两种理论的互补 性，人们亦提出了定向形核一选择生长的综合理论。 ( i ) 定向形核理论( o r i e n t e dn u c l e a t i o n ，o n ) 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 定向形核理论( 简称d 理论) 首先由b e h l i n g e s 提出，随后b u r g e r s 和 l o u w e t s e 也提出了相同的观点。该理论认为，再结晶织构是在一个窄小的取向 区域的晶核的形成与生长所致。再结晶核心与形变织构成某一特定的位向关 系，只有非随机取向晶核才能生长，并且成为主要的晶粒取向。该理论在处理 再结晶晶粒和形变基体f 日j 的位向关系时认为，再结晶晶粒取向的择优是被一些 晶核的取向所左右。 p i l l a m o r e 和肠d 疗在完全约束的忍y ，d ，模型下，提出了特殊的定向形核机 制。他们预测了立方系金属变形时的取向变化及其再结晶织构，并在实验中得 到了验证。f n o k u t i 等利用f o s s e 花样对硅钢晶粒的取向进行了逐一铡量，结 果表明其再结晶过程主要以定向形核为主。船，r 丑门等研究了多晶纯铝样品的再 结晶织构后发现，再结晶核心基本是在晶界形成并与相邻的基体成一定的取向 关系。他们没有找到选择生长的任何实验证据，从而肯定核心并非随机形成。 在面心立方余属形变织构向再结晶织构转变的研究中，已有大量的证掘支持 p i l l a m o r e - k a r o b 的特殊定向形核机制。毛为民在9 5 冷轧的a 卜0 ，0 i t f 合金退 火过程中也观察到了出定向形核机制所决定的再结晶织构。所有这些均有力地 支持了定向形核理论。 定向形核理论的出现使得入们对许多金属的再结晶过程有了定韵认识 和理解。由于实际金属再结晶过程的复杂性，定向形核理论仍不能较好地解释 实际金属中经常出现的再结晶织构变化的现象。在很多情况下定向形核并不是 再结晶的主要机制。即使在定向形核占主导地位的再结晶过程中也不能排除其 它机制的作用。 f 2 1 定向生长理论( o r i e n t e dg r o w t h ，o g ) 定向生长理论( 简称彻里论) 首先由b a r r e f 提出，其后又被b e c k 和肋 所支持。口傩论认为，严重形变的会属中存在着数日众多的各类取向的晶核， 但只有那些与形变位向合适的晶核j 。能获得最大的迁移率，从而抑制其它取向 的晶粒生长而形成再结晶织构。许多研究者对不同余属进行了大量的关于晶界 迁移率与晶粒取向关系的研究工 乍。实验结果表明，具有以下位向关系的新品 粒具有较高的生长速率：对于面心立方会属为4 09 关系；对于体心立方 金属为2 7 。 关系：对于密排六方金属为3 0 。 关系。上述结论是建 立在大量实验纬果的统计分析基础之上的因而具有无可辩驳的说服力。 选择生长理论起仞是在单晶体中发现的。通过在单晶体中人为地引入核心 后退火，考察晶核之间在生长过程中的竞争情况，发现新晶粒与形变基体之间 确实存在某种特定的取向关系。如b e c k 在对铝单晶的实验中发现，新晶粒与形 变基体之间均存在4 0 。 取向关系，并且还能找到与其对应的8 个取向变 6 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 体。1 - b e 和l u c t c e 对不同取向的f e 一3 s j 单晶合金实验结果的统计分析表明，再 结晶晶粒与形变基体之间的取向关系为2 7 。 。 后来，人们在多晶体中也找到了许多实验证据证实了再结晶织构、特别是 形变盘c 令属再结晶立方织构 0 0 1 ) 的形成是选择生长的结果。d u g g a n 等 应用显微织构的统计分析方法，对深度轧制的铜的再结晶立方织构的形核过程 进行了研究，发现在形变基体中，立方带与形变织构占 1 12 、s 1 2 3 ) 组分邻近：退火时立方带弓出形核而其它取向则没有；再结晶 立方晶粒主要吞噬邻近的与其里4 0 。 取向关系的基体长大。由此，d u g g a n 认为4 0 。 的晶界具有最大的迁移速率，从而导致。显微择优生长 ( 倒c r o - g r o w t hs e l e c t i o n ) 。炀f 门调相同的方法在对铝的研究中也得到了相 似的结果，但跆t h e 认为，s 耿向的亚晶具有最大的形变储能，而立方取向的亚 晶具有最小的形变储能，两者的综合作用使得立方取向亚晶具有最大的弓出驱 动力，导致立方晶核的。择优生长。长期以来，人们一直不能从物理上解释 选择生长的本质。毛为民从原子极限和平均的跳动距离的概念出发，提出了面 心立方金属中选择生长的原予模型，指出具有3 8 2 1 。 取向关系的晶界比 其它取向关系的晶界更有利于原子的迁移，进而较好地解释了面心立方金属中 4 0 。 取向关系的晶界择优生长的物理本质。 定向生长理论是建立在许多实验事实基础上的，并能很好地解释许多现 象。然而，与定向形核理论一样，由于再结晶过程的复杂性，该理论也不能够 锯释很多情况下多晶体再结晶织构的形成。 ( 3 ) 定向形核_ 定向生长理论( o n o g ) 鉴于以上两理论具有一定的互补性，人们自然地提出了再结晶织构形成的 综合理论，即定向形核一定向生长理论。该理论认为形核过程支配了一些有效 的取向区域，而与取向有关的生长则进一步在这些有效取向区内作选择生长。 综合理论一度不被人们认可，但是，随着对各种材料的再结晶过程的深入研究， 研究者越来越意识到就再结晶过程而言，不可能仅仅存在上述的某一种机制， 在许多情况下是两种机制同时起作用。 1 4 典型密排六方( h o p ) 结构金属材料织构研究现状 1 4 1 密排六方( h o p ) 结构金属材料织构概述 六方余属中的织构备受人们关注，从变形机制角度考虑，由于其滑移系少( 其 主要几何滑移系如图1 2 所示) ，孪生变形在变形过程中占据重要地位，因此与立 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 方金属的织构差别很大。 但对于在基面滑移的h c p 余属中，滑移系统为 o 0 0 2 9 11 2 0 ) ，仅有两个独立的 、， 滑移系统。根据v o nm i s e s 条件：金属在变形时，必须有血个独立的滑移系统同 时开动。这样的话，在基面滑移的h c p 金属塑性变形时，尚需有三个独立的孪生 系统开动，尽管如此可以满足y o nm i s e s 条件，但塑性却仍然很差。显然，这同 孪生变形特点有关。相比之下，对非基面滑移的h c p 余属而言，滑移系统数量较 多，可使塑性得到改善。 冷轧六方会属根掘其轴比的不同可分为三类，分别为大于i 6 3 3 ( 如z n ) ，等 于1 6 3 3 ( 如，其轴比近似等于理想轴比) 和小于l ，6 3 3 ( 如t i ) 。一般说来， 轴比反映了各滑移系的活泼程度。表1 1 为几种h c p 会属的常见滑移系i h 】，其形 变织构的特征可从此表中分析得出。 g 出a t - 0 0 0 1 ) ，3 p 西锄s t i 昏 i o i o l ，3 l 醯o r d e r p y r a m d d - 1 0 i l ) ，1 2 2 r i do r d e rp y r a m t d a l 1 1 端 ，6 p y r a n f i d a g l o l l ) 6 幽1 2 密排八方金属基砸( a ) 、棱锥亟( a ) 、棱牲面 a ) 滑移系和 一级雨l 二级棱挂面( c + a ) 滑移系 g i g1 2b a s a l ( a ) ，p r i s m m i c ( a ) ，p y r a m i d a l ( a ) s l i ps y s t e m s ，a n df i r s t a n ds e c o n d o r d e rp y r a m i d a l ( c 十a ) s l i ps y s t e m si nh c pm a t e r i a l s 洒。垂 i i 。一 东北大学硕士学住论文第一章文献综述 印1 8 8 6 州5 5 前砷4 呵1 2 姗2 1 珂1 2 3 ) ；罴怒羔- - 0 0 0 ，搀芝o ) 4) 。j 而沁。、 o o ol i1 互o )41 2 2 x 11 2 3 )4o i o ( 11 7 0 ) o o o1 ( 11 2 0 ) 4 o i o ( 1f f o ) 岫- 舾5 0 ) 姬2 她3 ) z f1 ，5 9 32 ，4 t il 5 8 8 2 8 h f 1 5 8 13 2 0 0 0 1 ( 11 乏0 ) p r i s m a t i c b a s a l p y r a m i d a l 9 0 i o ( 11 5 o ) 0 0 0 1 ( 11 2 0 ) 5 0 h ( 11 2 0 ) 41 2 2 1 11 2 3 ) p r i s m a t i cb a s a l p y r a m i d a l 8 0 i o 1 迈o ) o 0 0 1 ) ( 11 芝o )i o i l i t1 芝o ) i1 至2 ) ( 1 泛3 ) 4 0 i o ( 11 j o ) 0 0 0 1 ( 11 5