《材料科学基础》回复与再结晶.ppt

1,回复与再结晶,RecoveryandRecrystallization,2,冷变形金属在加热时显微组织的变化,3,4,冷变形金属在加热时力学性能、物理性能的变化,5,冷变形金属在加热时内应力的变化,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；再结晶阶段：内应力可完全消除。,6,第一节回复,回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。要点：（1）回复阶段不涉及大角度晶面的迁动；（2）通过点缺陷消除、位错的对消和重新排列来实现的；（3）过程是均匀的。,7,一、回复动力学,残留应变硬化分数（1R）1R=（-0）/（m-0）R为回复部分；为回复退火后的流变应力；0为完全退火后硬化全部消除的流变应力；m为退火冷变形的流变应力。,8,9,回复动力学特点,（1）回复过程没有孕育期；（2）开始变化快，随后变慢，直到最后回复速率为零；（3）每一温度的回复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此极限所需时间则越短。（4）回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。,10,回复速率和温度有阿累尼乌斯关系：,为方便，用r表示残留应变硬化分数（1R），I型动力学符合如下关系：,11,以ln（1/t）对1/T作图，得直线，直线斜率为Q/R，可求出回复过程的激活能。,两边取对数得回复方程式：,12,实验表明，对冷变形铁在回复时其激活能因回复程度不同而有不同的激活能值。如在短时间内时求得的激活能与空位迁移能相近，而在长时间回复时求得的激活能则与自扩散激活能相近。这说明冷变形铁的回复，不能用一种单一的回复机制来描述。,关于回复过程的激活能,13,二、回复机理,点缺陷和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的组态和分布。回复时空位迁动和消失是不会影响显微组织的，只有涉及位错迁动时才会影响显微组织。位错迁动和重排引起的显微组织变化主要是多边形化和亚晶形成和长大。,14,点缺陷运动：（1）空位、间隙原子移至晶界、位错处消失；（2）空位聚集（空位群、对）。点缺陷密度降低2.中温回复（0.30.5Tm）位错滑移：异号位错相遇而抵销；位错缠结重新排列。位错密度降低,1.低温回复（0.10.3Tm）,15,3.高温回复（0.5Tm）多边化,位错攀移（滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚晶粒）亚晶粒合并弹性畸变能降低。,16,刃型位错沿垂直于滑移面的方向运动，沿攀移后所在的滑移面滑移，使在同一滑移面并排的同号位错处于不同滑移面竖直排列，以降低总的畸变能。,攀移：,17,刃型位错通过攀移和滑移构成竖直排列（位错墙），形成位错墙的过程称为多边形化。,多边形化：,18,回复亚晶：多边化形成小角度晶界，亚晶界将原来的晶粒分割成许多亚晶块。实质是胞壁处的缠结位错不断聚集、使胞壁变薄，逐渐形成网络，构成清晰的亚晶界过程。,19,过程示意,20,三、回复退火的应用,主要用作去应力退火，使冷加工金属在基本上保持加工硬化的状态下降低其内应力，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高耐蚀性。,21,第二节再结晶,再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。再结晶是一个显微组织重新改组，变形储存能充分释放，性能显著变化的过程，其驱动为回复后未被释放的变形储存能。,22,核心优先在局部形变高的区域形成。（形变带、晶界、夹杂附近及自由表面附近等）。形变量高于一临界值后，形核率随形变量增加而急剧增加。一般情况下（中等形变量下），核心的晶体学位向与它形成所在的形变区域的晶体学位向有统计关系。核心不能长入和它的位向差别不大的区域中。,一、再结晶的形核与长大,1.形核（非均匀形核）,23,一般发生在变形程度较小（一般小于20）的金属中。变形不均匀，位错密度不同。,（1）晶界凸出形核机制（晶界弓出形核）,24,假设晶界扫过地方的储存能全部释放，则由1到2时的自由能变化为：,晶界凸出形核机制的能量条件,E：单位体积变形畸变能的能量；b：晶面能。球面拱出时：,25,若晶界弓出段两端a、b固定，且b值恒定，则开始阶段随ab弓出弯曲，R逐渐减小，G值增大，当R达到最小值（ab/2=L）时，G将达到最大值。此后，若继续弓出，由于R的增大而使G减小，于是，晶界将自发的向前推进。,26,这样，再结晶的形核将在现成晶界上两点间距离为2L，而弓出距离大于L的凸起处进行，使弓出距离达到L所需的时间即为再结晶的孕育期。,因此，一段长为2L的晶界，其弓出形核的能量条件为G0，即,27,一般发生在变形度大的金属。借助亚晶作为再结晶的核心，其形核机制又可分为亚晶合并形核和亚晶粒长大形核两种。,（2）亚晶长大形核机制,28,多存在于大变形且具有高层错能的金属中。,亚晶合并形核：,29,多存在于变形程度大的低层错能金属。亚晶界位错密度高，其两侧亚晶的位向差较大，在加热过程中容易迁移生成大角度晶界，于是就做为再结晶核心而长大。,亚晶粒长大形核：,30,2.长大,驱动力：无畸变的晶粒本身与周围畸变的母体（即旧晶粒）间的应变能差。方式：晶界总是背离其曲率中心，向着畸变区域推进，直到全部形成无畸变的等轴晶粒为止，再结晶即告完成。注：再结晶不是相变过程。,31,二、再结晶动力学,32,（1）具有S形特征，存在孕育期，开始时再结晶速度很小，在体积分数为0.5时最大，然后减慢。（2）温度越高，孕育期越短，转变速度越快。（3）变形量越大，孕育期越短，转变速度越快。再结晶动力学曲线的表达式：x1-exp（-BtK）x为再结晶体积分数，实验表明在一定温度范围内K不随温度变化。,再结晶动力学特点：,33,1.形变量：,三、影响再结晶的因素,需要一个最低的形变量（15%）才有足够的储存能作为驱动力和提供形核的位置，低于这个变形量不会发生再结晶。在这个变形量（临界变形度）之上，变形量增大，加速再结晶。,34,2.原始晶粒尺寸：,（1）原始晶粒越小，再结晶形核位置越多，有利于再结晶；（2）但另一方面，原始晶粒小，变形比较均匀，减少形核位置，不利于再结晶。但总的看来原始晶粒小加速再结晶。,35,溶质原子倾向于在位错及晶界处偏聚，对位错但滑移和攀移以及晶界但迁移起着阻碍作用，从而不利于再结晶的形核和核但长大，阻碍再结晶过程。,3.溶质原子：,36,（1）增加形变储存能而增加再结晶驱动力：因为它使形变后的结构复杂，使位错密度增加的缘故。（2）粒子附近可能作为再结晶形核位置：大而硬且间距宽的第二相粒子，由于形变时粒子附近出现更多的不均匀形变区，这些区域有大的显微取向差，可促发形核。（3）弥散和稠密分布的第二相粒子钉扎晶界，阻碍迁动。,4.第二分散相：,37,退火温度越高，再结晶速度越大。退火温度与再结晶速度v的关系可用阿累尼乌斯公式表示：v再Aexp（-Q/RT）而再结晶速率和产生某一再结晶体积分数x所需时间成反比，故：1/txBexp（-Q/RT）,5.退火温度：,38,三、再结晶温度,对形变金属，从受形变开始就获得储存能，它立刻就具有回复和再结晶的热力学条件，原则上就可发生再结晶。温度不同，只是过程的速度不同罢了，所以，再结晶并没有一个热力学意义的明确临界温度。人为定义了一个再结晶温度：在一定时间内（一小时）刚好完成再结晶的温度，是一个动力学意义的温度。,39,高纯金属：T再（0.250.35）Tm。工业纯金属：T再（0.350.45）Tm。合金：T再（0.40.9）Tm。（均为形变量足够大时的关系。）,再结晶温度与其熔点之间的近似关系:,40,四、再结晶的应用,主要用作再结晶退火，目的是使金属恢复变形能力、改善显微组织、消除各向异性、提高组织稳定性。再结晶退火温度：T再100200。,41,第三节晶粒长大,再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小（等轴晶），若继续升温或延长保温时间，晶粒会继续长大。晶粒长大是一个自发过程，晶粒长大的驱动力来自总的界面能的降低。晶粒长大按其特点可分为两类：（1）正常晶粒长大（大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大）；（2）异常晶粒长大（少数晶粒突发性的不均匀长大）。,42,一、晶粒的正常长大,对于系统，晶粒长大的驱动力是总界面能的减小。对于个别晶粒，不同曲率是造成晶界迁移的直接原因。晶面是向着曲率中心的方向移动。,1.驱动力,43,44,2.晶粒的稳定形状,晶界趋于平直;晶界夹角趋于120;二维为六边形晶体，三维为理想十六面体。,45,（1）温度：温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。,3.影响晶粒长大的因素,G：晶界迁移速度；G0：常数；QG：晶界迁移激活能。,46,弥散第二相粒子对晶界移动有钉扎作用。产生原因：晶界开始穿过粒子时，晶界面积减小，即减少了总的界面能量，这时粒子是帮助晶界前进的。但当晶界到达粒子的最大截面处后，晶界继续移动又会重新增加晶界面积，即增加了总的界面能量，这时粒子对晶界移动产生拖曳力，即起钉扎作用。,（2）弥散第二相粒子：,47,当晶界能迁移的驱动力与所受阻力相等时，晶粒的正常长大停止，此时晶粒平均直径（极限的晶粒平均直径）d和第二相质点半径r、第二相体积分数的关系：d=4r/3在第二相质点数量愈多，颗粒越小，阻碍晶粒长大的能力越强。,48,阻碍晶界迁移，特别是晶界偏聚现象显著的元素，其阻碍作用更大。通常认为，由于微量杂质原子与晶界的交互作用及其在晶界区域的吸附，形成了一种阻碍晶界迁移的“气团”从而随着杂质含量的增加，显著降低了晶界的迁移速度。,（3）可溶解的杂质与合金元素：,49,大角度晶界原子排布比较混乱，界面能较高，扩散系数较大；小角度晶界的界面能小于大角度晶界，因而小角度晶界的移动速率低于大角度晶界。,（4）晶粒位向差：,50,二、晶粒的异常长大（二次再结晶）,1.异常长大：少数再结晶晶粒的急剧长大现象。（二次再结晶）2.基本条件：正常晶粒长大过程被（第二分散相微粒、织构）强烈阻碍。3.驱动力：界面能变化。（不是重新形核）,51,含MnS的硅钢的二次再结晶,52,4.机制：钉扎晶界的第二相溶于基体；再结晶织构中位向一致晶粒的合并；大晶粒吞并小晶粒。5.对组织和性能的影响：（1）织构明显：各向异性；优化磁导率。（2）晶粒大小不均性能不均。（3）晶粒粗大：降低强度和塑韧性；提高表面粗糙度。,53,第四节金属的热变形,冷加工：在再结晶温度以下的压力加工过程，发生加工硬化。热加工：在再结晶温度以上的压力加工过程，即形变中伴随回复和再结晶过程（称为动态回复和动态再结晶）。热加工温度：T再T热加工T固100200。,54,一、动态回复,外在表现：流变应力不随应变而变的稳态流变过程。,55,原因：热加工时，形变使位错增殖和积累造成的硬化被通过热激活使位错对消、胞壁锋锐化形成亚晶及亚晶合并等软化抵消。材料内因的影响：高层错能的材料比低层错能材料更易动态回复，甚至将能量释放的不足以再结晶。,56,二、动态再结晶,出现条件：具有低、中层错能的金属，回复过程较慢，热加工时，动态回复未能同步抵消加工时位错的增殖积累，超过某一临界形变量后发生动态再结晶。动态再结晶时，大量位错被再结晶核心的大角度界面推移而消除，当这样的软化过程占主导地位时，流变应力下降，应力-应变曲线出现峰值。随材料内、外影响因素的不同，应变曲线可出现单峰或多峰现象。,57,58,（1）晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒。（2）反复形核，有限长大，晶粒较细。形变温度越高，应变速率越小，应变量越大，越有利于动态再结晶。应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、快的冷却速度可获得细小晶粒。,动态再结晶组织结构变化的特点：,59,1.提高力学性能热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，提高强度、塑性、韧性。,三、热加工后的组织与性能,60,热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线，由这种流线体现的组织称纤维组织。它使金属产生各向异性，沿流线方向塑性和韧性提高明显。在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。,2.形成纤维组织（流线）,61,滚压成型后螺纹内部的纤维分布,62,出现在热轧亚共析钢显微组织中，铁素体晶粒与珠光体晶粒沿轧制方向平行排列、成层状分布、形同条带，这种组织称带状组织。原因：由于钢材在热轧后的冷却过程中发生相变时铁素体优先在由枝晶偏析和非金属夹杂延伸而成的条带中形成，导致铁素体形成条带，铁素体