金属学与热处理7

1、1 第七章第七章 金属及合金的金属及合金的 回复与再结晶回复与再结晶 2 本章主要内容：本章主要内容： 形形变材变材料退料退火时的组织与性能变化火时的组织与性能变化 回复的过程、机理与应用回复的过程、机理与应用 再再结结晶的过程、机理与应用晶的过程、机理与应用 影响再结晶的因素影响再结晶的因素 晶晶粒粒长大的控制与应用长大的控制与应用 热塑性加工的组织与性能热塑性加工的组织与性能 3 形变金属有回到变形前的状态的趋势形变金属有回到变形前的状态的趋势 形变金属处于一种不稳定的状态：形变金属处于一种不稳定的状态： 吸收了一部分变形功吸收了一部分变形功 晶体缺陷数量高晶体缺陷数量高 存在残余应力存在

2、残余应力 加工硬化状态加工硬化状态 7.1 形变金属与合金在退火过程中的变化形变金属与合金在退火过程中的变化 4 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分(10%) 变形功。变形功。 弹性应变能弹性应变能(312%) 存在形式存在形式 位错位错(8090%) 驱动力驱动力 点缺陷点缺陷 退火：退火： 将材料加热到一定温度保持一定时间的热处将材料加热到一定温度保持一定时间的热处 理工艺，按目的又可分为去应力退火、成分均匀化理工艺，按目的又可分为去应力退火、成分均匀化 退火等多种。退火等多种。 5 三个阶段三个阶段：回复，再结晶，晶粒长大：回复，再结晶，晶粒长大

3、 回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化； 再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转 变为新的无畸变的等轴晶粒。变为新的无畸变的等轴晶粒。 晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相 对稳定的形状和尺寸。对稳定的形状和尺寸。 1 显微组织的变化显微组织的变化 6 7 2 储存能及内应力的变化储存能及内应力的变化 储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡 位置，储存能得以释放。位置，储存能得以释放。 内应力变化内应力变化 回复阶段：

4、大部分或全部消除第一类内应力，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；部分消除第二、三类内应力； 再结晶阶段：内应力可完全消除。再结晶阶段：内应力可完全消除。 8 3 力学性能的变化力学性能的变化 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提 高。高。 再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显 提高。提高。 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继 续提高。续提高。 9 4 其他性能的变化其他性能的变化 物理性能物理性能 密度：在回复阶段变化不大，在再

5、结晶阶段急剧密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧 升高；升高； 电阻：电阻在回复阶段可明显下降。电阻：电阻在回复阶段可明显下降。 5 亚晶粒尺寸亚晶粒尺寸 在回复阶段变化不大，在接近再结晶温度时，显著在回复阶段变化不大，在接近再结晶温度时，显著 增大。增大。 10 7.2 回复回复 回复驱动力：预先冷变形所产生的储存能的降低。回复驱动力：预先冷变形所产生的储存能的降低。 1、退火温度和时间对回复过程的影响、退火温度和时间对回复过程的影响 回复是热激活过程。回复是热激活过程。 剩余加工硬化分数剩余加工硬化分数1-R 式中式中r为回复后的为回复后的s；0为充分退火后的为充分退火后的s；m为为

6、 冷变形后的冷变形后的s。 所谓所谓回复回复，即在加热温度较低时，仅因金属中的一些，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。点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化。 0m rm - - =R 11 回复动力学曲线特点回复动力学曲线特点 没有孕育期；没有孕育期； 开始变化快，随后变慢；开始变化快，随后变慢； 长时间处理后，性能趋于一平衡值。长时间处理后，性能趋于一平衡值。 12 2 回复机制回复机制 (1) 低温回复低温回复(0.10.3Tm) 移至晶界、位错处移至晶界、位错处 点缺陷运动点缺陷运动 空位空位+间隙原子间隙原子 消失消失 空位密度降低空位

7、密度降低 空位聚集空位聚集(空位群、对空位群、对) 13 (2) 中温回复中温回复(0.30.5Tm) 异号位错相遇而抵销异号位错相遇而抵销 位错滑移位错滑移 位错缠结重新排列位错缠结重新排列 位错密度降位错密度降 低低 亚晶粒长大亚晶粒长大 14 (3) 高温回复高温回复(0.5Tm) 位错攀移位错攀移(+滑移滑移)位错垂直排列位错垂直排列(亚晶界亚晶界) 多边化多边化(亚晶粒亚晶粒)弹性畸变能降低。弹性畸变能降低。 多边化 是指冷变形金属加 热时，原来处于滑移面上的 位错，通过滑移和攀移形成 与滑移面垂直的亚晶界的过 程。多边化的驱动力是弹性 应变能的 降低。 15 位错的攀移位错的攀移

8、位错的攀移：位错沿垂直于滑移面的方向移动，只位错的攀移：位错沿垂直于滑移面的方向移动，只 有刃型位错才能进行攀移。有刃型位错才能进行攀移。 机制机制：原子面下端原子的扩散，位错随半原子面的：原子面下端原子的扩散，位错随半原子面的 上下移动而上下运动。上下移动而上下运动。 分类：分类：正攀移正攀移(原子面上移、空位加入原子面上移、空位加入)；负攀移负攀移(原原 子面下移、原子加入子面下移、原子加入)。 16 应力的作用应力的作用：(半原子面侧半原子面侧)压应力有利于正攀压应力有利于正攀 移，拉应力有利于负攀移。移，拉应力有利于负攀移。 攀移作用攀移作用：原滑移面上运动受阻：原滑移面上运动受阻攀移

9、攀移-新新 滑移面滑移面滑移继续滑移继续 螺型位错没有多余的半原子面，因此，不会发螺型位错没有多余的半原子面，因此，不会发 生攀移运动。生攀移运动。 17 3 亚结构的变化亚结构的变化 回复回复退火前退火前：缠结位错构成胞状亚结构的边界，：缠结位错构成胞状亚结构的边界， 位错密度很高。位错密度很高。 短时回复短时回复退火后退火后：胞内位错向胞壁滑移，与胞壁：胞内位错向胞壁滑移，与胞壁 内的异号位错相抵消，位错密度下降。内的异号位错相抵消，位错密度下降。 回复回复进一步发展进一步发展：胞壁中的位错形成低能态的位：胞壁中的位错形成低能态的位 错网络，胞壁变得明晰而成为亚晶界。错网络，胞壁变得明晰而

10、成为亚晶界。 长时间长时间回复退火：亚晶粒通过亚晶界的迁移而逐回复退火：亚晶粒通过亚晶界的迁移而逐 渐长大，亚晶粒内的位错密度进一步下降。渐长大，亚晶粒内的位错密度进一步下降。 18 4 回复退火的应用回复退火的应用 (1) 回复机制与性能的关系回复机制与性能的关系 内应力内应力降低：弹性应变基本消除；降低：弹性应变基本消除； 硬度、强度硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚下降不多：位错密度降低不明显，亚 晶较细；晶较细； 电阻率电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低。明显下降：空位减少，位错应变能降低。 (2) 去应力退火去应力退火 降低应力降低应力(保持加工硬化效果保持加工硬化效果

11、)，防止工件变形、，防止工件变形、 开裂，提高耐蚀性。开裂，提高耐蚀性。 19 再结晶的基本过程再结晶的基本过程： 冷冷变形后的金属加热到一定温度或保温足够时变形后的金属加热到一定温度或保温足够时 间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶 粒，新生成的晶粒逐渐全部取代塑性变形过的晶粒，新生成的晶粒逐渐全部取代塑性变形过的晶 粒，位错密度显著降低，性能发生显著变化并恢粒，位错密度显著降低，性能发生显著变化并恢 复到冷变形前的水平，这个过程称为再结复到冷变形前的水平，这个过程称为再结晶。晶。 7.3 再结晶再结晶 20 再结晶驱动力：预先冷变形所产生的储

12、存能的降再结晶驱动力：预先冷变形所产生的储存能的降 低。低。 再结晶与同素异构转变比较再结晶与同素异构转变比较 共同点：形核、长大共同点：形核、长大 不同点：再结晶前后各晶粒的晶格类型不变、不同点：再结晶前后各晶粒的晶格类型不变、 成分不变；同素异构转变发生了晶格类型的成分不变；同素异构转变发生了晶格类型的 变化。变化。 21 (1) 再结晶形核 再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试用经典的形核理 论来处理再结晶过程，但计算得到的临界晶核半径过大，与试 验结果不符。 大量实验表明，再结晶晶核总是在塑性变形引起的最大畸变处 形成，并且回复阶段发生的多边化是再结晶形核的必要准备。 22 亚晶粒

13、长大形核机制 亚晶粒长大形核一般在受大变形度的材料中发生。回复阶段，塑性 变形所形成的胞状组织经多边化发展成亚晶，其中亚晶长大形核的 方式有亚晶合并和亚晶界移动两种机制。 a. 亚晶合并机制 相邻亚晶界的位错，通过滑移和攀移转移到周围晶界或亚晶界上，导致 原来亚晶界的消失，最后通过原子扩散和位置的调整，使两个或多个亚 晶粒的取向变为一致，合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。 23 b. 亚晶界移动机制 如上图，晶粒中某些局部位错密度很高的亚晶界向 周边移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再 结晶晶核。 24 晶界凸出形核机制 金属变形是不均匀的，若晶界两边一个晶粒的位错密度 高，另一个

14、位错密度低，加热时晶界会向密度高的一侧 突然移动，高密度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。 25 (2) 长大长大 长大驱动力：无畸变的新晶粒与周围基体的畸变长大驱动力：无畸变的新晶粒与周围基体的畸变 能差。能差。 长大方式：晶核向畸变晶粒扩展，至新晶粒相互长大方式：晶核向畸变晶粒扩展，至新晶粒相互 接触。接触。 晶界移动方向：背向曲率中心。晶界移动方向：背向曲率中心。 注：再结晶不是相变过程。注：再结晶不是相变过程。 26 2 再结晶温度及其影响因素再结晶温度及其影响因素 再结晶温度再结晶温度：经过严重冷变形的金属：经过严重冷变形的金属(变形度在变

15、形度在70%以以 上上)，在约，在约1h的保温时间内能够完成再结晶的保温时间内能够完成再结晶(95%转转 变量变量)的温度。的温度。 经验公式：经验公式： 高纯金属：高纯金属：T再 再=(0.250.35)Tm 合金： 合金：T再 再=(0.40.9)Tm。 。 注：再结晶退火温度一般比上述温度高注：再结晶退火温度一般比上述温度高100200 C。 27 再结晶温度的影响因素再结晶温度的影响因素 变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低；变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低； 纯度越高，再结晶温度越低；纯度越高，再结晶温度越低； 加热速度太低或太高，再结晶温度提高。加热速度太低或太高，再结晶温

16、度提高。 28 影响再结晶的因素影响再结晶的因素 退火温度退火温度：温度越高，再结晶速度越大。：温度越高，再结晶速度越大。 变形量变形量：变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，：变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大， 再结晶温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能再结晶温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能 进行。进行。 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸：晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利：晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利 于形核。于形核。 微量溶质元素微量溶质元素：阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。：阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 分散的第二相分散的第二相：间距和直径都较

17、大时，提高畸变能，并可：间距和直径都较大时，提高畸变能，并可 作为形核核心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高作为形核核心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高 畸变能，但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶。畸变能，但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶。 29 3 再结晶晶粒大小的控制再结晶晶粒大小的控制 再结晶晶粒的平均直径：再结晶晶粒的平均直径： 影响再结晶晶粒大小的因素：影响再结晶晶粒大小的因素： (1) 预先变形程度预先变形程度 (2) 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸 (3) 微量溶质原子和杂质微量溶质原子和杂质 (4) 退火温度退火温度 4/1 = N G kd 30 31 7.4 晶粒长大晶粒长大 驱动力驱动

18、力：界面能差：界面能差 长大方式长大方式：大晶粒吞食小晶粒，大角度晶界向曲：大晶粒吞食小晶粒，大角度晶界向曲 率中心移动。率中心移动。 正常长大正常长大 异常长大异常长大(二次再结晶二次再结晶) 32 1 晶粒的正常长大晶粒的正常长大 (1) 晶粒长大的驱动力晶粒长大的驱动力 正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。 驱动力驱动力：界面能差。界面能越大，曲率半径越小，：界面能差。界面能越大，曲率半径越小， 驱动力越大。驱动力越大。(长大方向是指向曲率中心，而长大方向是指向曲率中心，而 再结晶晶核的长大方向相反。再结晶晶核的长大方向相反。) 33 (2)

19、晶粒的稳定形状晶粒的稳定形状 晶粒的稳定形状晶粒的稳定形状 二维晶粒：六边形，各晶界夹角为二维晶粒：六边形，各晶界夹角为120 晶界趋于平直；晶界趋于平直； 晶界夹角趋于晶界夹角趋于120； 二维坐标中晶粒边数趋于二维坐标中晶粒边数趋于6。 三维晶粒：十四面体三维晶粒：十四面体 34 (3) 影响晶粒长大的因素影响晶粒长大的因素 1) 温度：温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。温度：温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。 2) 杂质与合金元素：降低界面能，不利于晶界移动。杂质与合金元素：降低界面能，不利于晶界移动。 3) 第二相质点：阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。第二相质点：阻碍晶界迁移，降低晶粒

20、长大速率。 一般有晶粒稳定尺寸一般有晶粒稳定尺寸d和第二相质点半径和第二相质点半径r、体积、体积 分数分数的关系：的关系：d=4r/3 4) 相邻晶粒的位向差：小角度晶界的界面能小于大相邻晶粒的位向差：小角度晶界的界面能小于大 角度晶界，因而前者的移动速率低于后者。角度晶界，因而前者的移动速率低于后者。 35 2 晶粒的反常长大晶粒的反常长大 异常长大：少数再结晶晶粒的急剧长大现象。异常长大：少数再结晶晶粒的急剧长大现象。 (二次再结晶二次再结晶) 基本条件：正常晶粒长大过程被基本条件：正常晶粒长大过程被(第二分散相第二分散相 微粒、织构微粒、织构)强烈阻碍。强烈阻碍。 驱动力：界面能变化。驱

21、动力：界面能变化。(不是重新形核不是重新形核) 36 晶粒异常长大的机制晶粒异常长大的机制 钉扎晶界的第二相溶于基体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再结晶织构中位向一致晶粒的合并 大晶粒吞并小晶粒大晶粒吞并小晶粒 对组织和性能的影响对组织和性能的影响 各向异性：织构明显各向异性：织构明显 优化磁导率优化磁导率 晶粒大小不均：性能不均晶粒大小不均：性能不均 晶粒粗大：降低强度和塑韧性，提高表面粗糙度晶粒粗大：降低强度和塑韧性，提高表面粗糙度 37 3 再结晶退火后的组织再结晶退火后的组织 (1) 再结晶图：退火温度、变形量与晶粒大小的再结晶图：退火温度、变形量与晶粒大小的

22、 关系图。关系图。 38 (2) 再结晶织构和退火孪晶再结晶织构和退火孪晶 再结晶织构：再结晶退火后形成的织构。再结晶织构：再结晶退火后形成的织构。 退火可将形变织构消除，也可形成新织退火可将形变织构消除，也可形成新织 构。构。 择优形核择优形核(沿袭形变织构沿袭形变织构) 择优生长择优生长(特殊位向的再结晶晶核快速长大特殊位向的再结晶晶核快速长大) 退火孪晶：再结晶退火后出现的孪晶。退火孪晶：再结晶退火后出现的孪晶。 是由于再结晶过程是由于再结晶过程 中因晶界迁移出现层中因晶界迁移出现层 错形成的。错形成的。 39 7.5 金属的热加工金属的热加工 1 金属的热加工与冷加工金属的热加工与冷加工 (1) 加工的分类加工的分类 冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。发生加冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。发生加 工硬化。工硬化。 热加工：在再结晶温度以上的加工过程。热加工：在再结晶温度以上的加工过程。(硬化、硬化、 回复、再结晶。回复、再结晶。) (2) 热加工温度：热加工温度：T再 再T热加工热加工T固固-100200 C 。 。 40 2、动态回复与动态再结晶、动态回复与动态再结晶 动态回复：在塑变过程中发生的回复。动态回复：在塑变过程中发生的回复。(静态静态) 动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。动态再结晶