材料科学基础第五章

1、第五章(III) 回复和再结晶,金属在塑性变形后，无论在结构或性能上都发生明显地变化。 (1)结构方面晶粒形状变化沿变形方向伸长；晶粒内产亚结构；晶粒择优取向。(2)性能方面强度、硬度上升，塑性下降；电阻率增加；导热性下降；扩散率增加；内应力增加（有三种类型内应力：宏观内应力、微观内应力、点阵畸变）。 更重要的是晶体变形后，体系处于热力学上的高能态，是热力学不稳定的,加热时冷变形金属显微组织发生变化,a）黄铜冷加工变形量达到CW38后的组织 （b）经580C保温3秒后的组织,白色小的颗粒(再结晶出的新的晶粒,c）580C保温4秒后的金相组织（d）580C保温8秒后的金相组织,完成了再结晶,e）

2、580C保温15分后的金相组织（f）700C保温10分后晶粒长大的的金相组织,回复与再结晶的意义就在于使不稳定状态通过释放能量而逐渐达到稳定状态，在结构、性能等方面恢复或基本恢复到变形前的状态。 冷变形后结构，性能发生诸多变化，一些是有利的，而有一些是不利的，如内应力。 例如经深加工制成的黄铜弹壳，放置一段时间后，发生开裂。分析表明这种开裂是沿晶开裂，这是由于冷加工残留的内应力和外界气氛的作用，发生晶间应力腐蚀而导致材料的破坏。这被称为“应力腐蚀开裂”现象。原因找到后，解决办法就有了，冷变形后，在260消除内应力问题就解决了。要使经冷变形的金属恢复到变形前的状态，需要将金属加热、退火处理,回复

3、,一、回复过程 回复是加热退火的第一阶段。回复可以通过两种不同的热处理方式来实现。 一是从较低的温度连续加热到较高温度，即连续加热退火。 另一种是在恒定温度下加热保温，即等温退火。 在回复阶段，冷变形金属中的宏观内应力大部分消除，而硬度、强度等基本不变,具体观察到以下几种现象:(1)宏观内应力经过低温加热(一般在200250)后大部分去除，而微观应力仍然残存。(2)电阻率降低。(3)硬度的变化与具体的金属有关，如密排六方金属Zn，Cd等，在很低的温度甚至是室温，硬度基本恢复到变形前的水平，而面心、体心等金属如Cu，Fe在低温时硬度没有明显的变化，直到比较高的温度时硬度才比较多的下降。(4) 显

4、微组织，在光学显微镜下观察不到明显的变化，高温回复时，在电镜下可看到晶粒内的胞状位错结构转变为亚晶粒,冷变形金属退火时性能变化,退火温度与黄铜强度、塑性和晶粒大小的关系,二、回复机制 回复机制随回复退火温度而异，有下面几种。 1.低温回复经冷加工变形的金属通常在较低的温度范围就开始回复。表现在因变形而增多的电阻率发生不同程度的下降，而机械性能基本保持不变。电阻率对点缺陷很敏感,机械性能对点缺陷不敏感。因此，低温下回复和金属中点缺陷变化有关。研究结果表明：低温回复主要是塑性变形所产生的过量空位消失的结果,空位消失有四种可能的情况： (1)空位迁移到晶体的自由表面或界面而消失。(2)空位与塑性变形

5、所产生的间隙原子重新结合而消失。 (3)空位与位错发生相互作用而消失。 (4)空位聚集成空位盘然后崩塌成位错环而消失。 2.中温回复 进一步升高温度，内应力进一步消除，电阻率继续下降。这一时期，位错运动而导致部分位错复合消失(重新组合)。有时，这一时期不明显,3.高温回复高温回复是指温度在0.3Tm附近的退火过程。通常称为回复后期。这时，除内应力、电阻率下降外，主要表现在硬度大幅度下降。一般认为，这一时期空位和位错进一步消除，发生多边化和亚晶长大。在高温回复过程中非常重要的一个概念就是：多边化,4.多边化机制冷变形后的晶体，由于同号刃位错在滑移面上的塞积而造成点阵弯曲。退火过程中，刃位错通过滑

6、移和攀移，使同号位错沿垂直于滑移面的方向排列，从原子排列的效果看，这类似于我们在学习晶界时学过的小角晶界模型，因此我们把这种整齐排列的位错结构看成是小角度亚晶界。这一过程被称为多边化。 多边化的结果就象在变形晶体中产生规则的亚晶粒。多边化过程进一步进行，两个或更多的亚晶界聚合。亚晶界合并，即所谓的亚晶粒长大。因为多边化过程涉及到位错的攀移，因此，多边化在低温下很难发生,多边化过程示意图,多边化产生的条件: (1) 塑性变形使晶体点阵发生弯曲。 (2) 在滑移面上有塞积的同号刃型位错。 (3) 需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动,再结晶 一、再结晶的现象 冷变形晶体在回复过程中性能的变化是

7、一个渐变过程，组织结构没有明显的变化，而进一步提高退火温度，达到某一临界值，就可以看到力学性能和物理性能的急剧变化，加工硬化完全消除。性能可以恢复到冷变形前的状态，显微组织也发生了明显的改变，由拉长了的纤维状组织变成等轴晶粒。这个过程就是再结晶。 再结晶是形变金属加热到一定温度后形成新的无畸变晶粒并消耗掉冷加工的畸变晶粒而形核和长大的过程,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，其驱动力为回复后未被释放的变形储存能。 再结晶形成的新晶粒仍是原来的晶体结构，但取向与形变晶粒完全不同。经过再结晶过程，塑性变形所导致的各种性能的改变都消失,1.再结晶的实验规律(1)、变

8、形量低于临界变形量时，则不能发生再结晶。(2)、变形程度越大，再结晶开始的温度越低。(3)、增加退火时间可以降低再结晶所需要的温度。(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。一般变形越大，退火温度越低，晶粒尺寸越小,再结晶温度与变形量的关系,2.再结晶的开始温度 再结晶过程受温度、时间、变形量、原始晶粒尺寸等因素影响。要精确判断再结晶的开始温度是很困难的，通常采用以下几种方法： (1)测量金属退火后(60分钟)硬度的变化，将变化50%时的温度定为再结晶温度。 (2)用金相显微镜观察到出现第一个晶粒时对应的温度定为再结晶温度。 (3)用X射线观察出现第一个清晰的斑点，将

9、此时的温度称为再结晶温度,再结晶过程不是相变，它是一种组织变化。再结晶的形核是如何产生的？ 事实上，再结晶的形核与冷变形程度有关，当冷变形程度较小(如20%），一般采用所谓的弓出形核机制来描述。晶界凸出形核，形核以后，晶粒凸向亚晶粒小的方向生长。 我们知道再结晶的驱动力是晶体的弹性畸变能，因此，预期晶核必然是产生在高畸变能的区域。晶核的出现对体系的能量有两方面的影响：(1)新晶核形成使得晶体的畸变能降低。(2)新晶核形成时由于界面的增加而带来界面能的增加,二、再结晶的形核与长大 再结晶过程是形核和长大,但无晶格类型变化。 1. 形核 再结晶晶核是现存于局部高能区域内的,以多边化形成的亚晶为基础

10、形核。其形核机制有： （1）凸出形核机制 对于变形度较小（20%）的金属， 以凸出形核机制形核，弓出形核时所需能量条件为： Es2/L,2) 亚晶形核 对于变形度较大的金属,再结果形核往往采用这种方式。 亚晶核核方式有：1. 亚晶合并机制：在变形度大且具有高层错能的金属中。 2. 亚晶迁移（boundary migration）机制：在变形度大,而层错能低的金属中,2. 长大 驱动力：畸变能差 长大 方式:晶核向畸变晶粒扩展,至新晶粒相互接触。 注：再结晶不是相变过程,如果新晶核形成使得晶体的畸变能降低足以弥补界面的增加而带来界面能的增加，这会使系统的能量降低，晶核就会进一步长大。实验观察到的

11、再结晶核心首先产生在大角度界面上。 对此可以作如下的分析，变形的两个相邻晶粒：其位错胞的尺寸相差很大，两晶粒的弹性畸变能相差也很大，位错胞尺寸小的晶粒弹性储能大大高于位错胞尺寸大的晶粒,对于冷变形较大的晶体，再结晶形核优先地发生于多边化区域，这些区域就是位错塞积而导致点阵强烈弯曲的区域。因此，对这类晶体多边化是再结晶形核的必要准备阶段。再结晶晶核通过亚晶界的迁动吞并相邻的形变基体和亚晶而生长，或是通过两亚晶之间亚晶界的消失使两相邻亚晶粒合并而生长,再结晶温度,再结晶温度(recrystallization temperature)： 冷变形金属开始进行再结晶最低温度。 测定方法：金相法 硬度法

12、 实际生产上确定方法： 一般TR = （0.35-0.40）Tm,一些金属的再结晶温度,影响再结晶的因素,1.变形程度：变形度增大、开始TR下降，等温退火再结晶速度越快；而大到一定程度，TR趋于稳定。 2.原始晶粒尺寸：其它条件相同时，金属原始晶粒细小，则TR越低，同时形核率和长大速度均增加，有利于再结晶。 3. 微量溶质原子：其作用一方面以固溶状态存在于金属中，会产生固溶强化作用，有利于再结晶；另一方面溶质原子偏聚于位错和晶界处，起阻碍作用。总体上起阻碍作用，使TR提高,4.第二相粒子：其作用是两方面的,这主要取决于分散相粒子大小与分布。第二相粒子尺寸较大,间距较宽（1微米），促进再结晶。第

13、二相粒子尺寸较小且又密集分布时阻碍再结晶形成。 5.退火工艺参数：加热速度过于缓慢或极快时，TR上升； 当变形程度和保温时间一定，退火温度越高，再结晶速度快；在一定范围内延长保温时间，TR降低,再结晶后晶粒大小,再结晶晶粒的平均直径d与形核率及长大速度之间的关系如：式5.30。 影响再结晶后晶粒大小的因素： 1.变形程度的影响 变形度很小时，晶粒尺寸为原始晶粒尺寸；临界变形度（critical deformation degree）c时，晶粒特别粗大，一般金属c =28% ;当变形度大于c时，随变形度增加，晶粒逐渐细化。 2. 退火温度 T升高，再结晶速度快，c值变小。 3. 原始晶粒尺寸 当

14、变形度一定时，原始晶粒越细，D越小。 4.微量溶质原子和杂质元素 一般都能起细化再结晶晶粒的作用,变形程度对再结晶晶粒尺寸的影响,加热温度与晶粒尺寸,再结晶全图（recrystallization diagram）： 再结晶全图是表示变形程度、退火温度及再结晶后晶粒大小关系的立体图形。 图5.63,5.3.4. 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。 根据再结晶后晶粒长大特点，分为: （1）正常晶粒长大（normal grain growth）:均匀长大 （2）异常晶粒长

15、大（abnormal grain growth）:不均匀长大，又称二次再结晶(secondary recrystallization)；把通常说的再结晶称为一次再结晶(primary recrystallization,一）晶粒正常长大,1. 晶粒长大的方式：长大是通过大晶粒吞食小晶粒，晶界向曲率中心的方向移动进行的。 2. 驱动力：来源于晶界迁移后体系总的自由能的降低，即总的界面能的降低。也即晶界凸侧晶粒不断长大,凹侧晶粒不断缩小。 3. 晶粒大小: 在恒温下发生正常晶粒长大时，平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大,4. 影响因素 (1) 温度 T 升高，晶粒长大速度也越快，越易粗化。 (2

16、) 分散相微粒 当合金中存在第二相微粒时,粒子对晶界的阻碍作用使晶粒长大速度降低。 利用分散微粒阻碍高温下晶粒的长大，已广泛应用于金属材料和非金属材料中，如：钢中加入V、Ti、Nb等,可形成TiN、TiC、VC、NbC、VN、NbN等粒子有效阻碍高温下钢的晶粒长大；在陶瓷烧结中也常利用分散相微粒防止晶粒粗化。 （3）晶粒间位向差 一般小角度晶界或具有孪晶结构的晶界迁移速度很小；大角度晶界迁移速度一般较快。 （4）杂质与微量元素 阻碍晶界的迁移,二) 晶粒异常长大,晶粒异常长大(二次再结晶、不连续晶粒长大) ： 1. 驱动力：来自总界面的降低。 2. 长大方式：少数晶粒突发性地迅速地粗化，使晶粒

17、间的尺寸差别显著增大。不需重新形核。 3.条件：组织中存在使大多数晶粒边界比较稳定或被钉扎（Zener pinning）而只有少数晶粒边界易迁移的因素。这些因素为： （1）再结晶后组织中有细小弥散的第二相粒子，起钉扎作用。 （2）再结后形成再结晶织构，晶粒位向差小，晶界迁移率小。 （3）若金属为薄板，则在一定的加热条件下有热蚀沟出现钉扎位错。 （4）再结晶后产生了组织不均匀现象，存在个别尺寸很大的晶粒,5.3.5 再结晶织构与退火孪晶,1.再结晶织构 再结晶织构 再结晶织构(recrystallization texture)与原冷变形织构间存在三种情况： （1）与原有的织构相一致 （2）原有

18、织构消失而形成新的织构 （3）原有织构消失不再形成新的织构 再结晶织构理论： （1）取向形核理论（oriented nucleation theory） （2）取向生长理论（oriented growth theory,2.退火孪晶 退火孪晶:不易产生形变孪晶的fcc金属或合金，冷变形后经再结晶退火后形成的孪晶。 典型的退火孪晶形态： A.晶界交角处的退火孪晶 B.贯穿整个晶粒的完整退火孪晶 C.一端终止于晶内的不完整退火孪晶 退火孪晶的形成机制：在再结晶晶粒长大时晶界发生迁移出现层错形成的。一般层错能低的晶体容易形成孪晶,一.金属的热加工和冷加工,冷加工-在再结晶温度以下的变形加工. 热加工

19、在再结晶温度以上的变形加工,二.动态回复和动态再结晶,若提高金属变形的温度,使金属在热变形的同时也发生回复和再结晶，这种与金属变形同时发生的回复与再结晶称为动态回复(dynamic recovery)和动态再结晶(dynamic recrystallization,一）动态回复,1. 动态回复时的真实应力真实应变曲线 可将曲线分为三段： 第阶段微应变阶段:应力增加很快,但应变量不大(小于1%),加工硬化开始出现。 第阶段均匀变形阶段:金属材料开始均匀塑性变形.。伴随加工硬化作用的加强,开始出现动态回复并逐渐加强,其造成的软化逐渐抵消加工硬化作用,使曲线的斜率下降并趋于水平。 第阶段稳态流变阶段

20、:由变形产生的加工硬化与动态回复产生的软化达到动态平衡,流变应力不再随应变的增加而增大,曲线保持水平状态。达到稳态流变时应力值与变形温度和应变速率有关,增高变形温度或降低应变速率,都将使稳态流变应力降低,2.动态回复时的组织变化,1）位错密度:第阶段,位错密度由退火态增加。 第阶段位错密度升高,但因动态回复的出现,位错消失率也增大。第阶段，位错的增殖率和消失率达到平衡，维持一定的位错密度。 （2）组织变化：动态回复过程随变形的进行金属中的晶粒延伸成纤维状，而通过多边化或位错胞规整化形成大量的亚晶组织始终保持等轴状。亚晶的尺寸及相互间位向差取决于金属类型、形变温度和应变速率。 动态回复所获得的亚

21、稳组织可通过热变形后的迅速冷却而保留下来，其强度远远高于再结晶组织的强度。但若从高温缓冷下来，则将发生静态再结晶。 动态回复组织已成功地应用于提高建筑合金挤压型材的强度方面,动态回复和动态再结晶示意图,二）动态再结晶,1.动态再结晶的应力-应变曲线 金属在一定温度下以不同应变速率变形并发生动态再结晶时的应力应变曲线，曲线分成三个阶段： 第一阶段加工硬化阶段：应力随应变上升很快，金属出现加工硬化（0max时，动态再结晶的软化作用超过加工硬化，应力随应变增加而下降（c s）。 第三阶段稳定流变阶段：随真应变的增加，加工硬化和动态再结晶引起的软化趋于平衡，流变应力趋于恒定。 但当以低速率进行时，曲线出现波动，其原因主要是位错密度变化慢引起,2.动态再结晶组织,动态再结晶在应变速率较低时通晶界弓出形核，在应变速率较高时以亚晶合并长大方式形核。 其长大是通过新形成的大角度晶界及随后移动的方式进行。 其特点：反复形核、有限长大。动态再结晶的晶粒为等轴晶粒组织，晶粒较为细小，其尺寸取决于应变速率和变形温度。由于具有较高的位错密度和位错缠结存在，这种组织比静态再结晶组织具有较高的强度和硬度,三. 金属热变形的组织和性能,1.影响：改善铸造状态的组织缺陷，提高材料的致密性和力学性能。 2.组织特征：