材料科学基础材料的变形和再结晶介绍

1、第 A + (HI)®衣和篦箱晶金属在塑性变形后，无论在结构或性 竟岂上都发生明显地变化。沿变形方向伸长;(1) 结构方面晶粒形状变化晶粒内产亚结构；晶粒择优取向。(2) 性能方面強厦、硬度上升，塑性下降；电阻率 增加；导热性下降；扩散卒增加；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)。I'vSX.斗聲更童要的是晶体变形后，体系处于热力学上的髙能态，足热力学不稳定的。加热时冷变形金属显微组织发生变化(a)冷变形态(b)回复(c)再结晶(d)晶粒长大(a)黄铜冷加工变茫量达到Cw = 38%后 的组织 (b)经580毗保温3秒后的组织白色小的颗粒(再结

2、晶出的新的晶粒)(c) 5809C保温4秒后的金相组织(d) 5809C保週8秒后的金相组织完成了再结晶(e) 580比保温15分后的金相组织700比保温10分后晶粒长大的的金相组织复与再结 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，一些足有 利的，而有一些足不利的，如內应力。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 应力和少济化現的 作用, 发生晶间应力腐蚀而导致材料的破坏。这披称为 “应力腐蚀开裂，现象。原因

3、找到后，解决办法就 有了，冷变形后，在260°C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， 需耍将金厲加热、退火处理。程复可以通过两复是加 热追火的 第一阶段。 种不同的热处理方式来实现。一是从校低的温度连续加热到较髙温度，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O在回复阶段，冷凭形金属 中的宏观内应力大部 分消除，而硬度、强度務基本不变。(1) 宏观内应力经过低温加热(一般在200250°C) 后大部分去除，而微观应力仍然残存。(2) 电阻率降低。(3) 硬度的凭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

4、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，直到比较髙 6&温度时硬度才比较多的 下降。(4) 显微组织，在光学显微镜下观察不到明显的 变化，离温回复时，在电镜下可看到晶粒内的胞状 位错结构转变为亚晶粒。复机制复机制随火温度而异,有下面几种。1低温复经冷加工变形的 金属 通 常 在较低的 温度范就开始回复。表现在因变形而增多的电阻率发生不同3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，机械性負岂对点缺陷不敏瘙。ra温下回复和金属中点缺陷变化有关。研究结杲表明此，低低温复主要足塑性变形所产生的过量空位消失空位消失有四种可

5、能的情况:(1) 空位迁移到晶体的 自 由 表面或界面而消失。(2) 空位与塑性变形所产生的间隙原子重靳结合而消 失。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。S复进_步升高温度,内应力进一步消除,电阻率继续下降。这_时期，位错运动而导致部分位错复 令消失(重新组合)。有时，这一时期不明显。3 髙週回复ra髙温回复是指温度在03Tm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，主耍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耍的 概念就是： 多边化。多边化机制冷变形后

6、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 滑移和事移，使同号位错沿垂直于滑移面的方向样 列，从尿子排列的效果:看，这类似于我们在学习晶 界时学过的小玮晶界模型，因此我们把这种擅齐排 列的位错结构看成赴小珞度亚晶界。这一过程披称 为多边化。为多边化过此，多边化在低温下很难多边化的 结杲就象在变形 晶体中 产生规则 的亚晶粒。 多边化过程进_步进行，两个或更多的亚晶界聚合。 亚晶界令并，的亚晶粒心“" *程涉及到位错的发生。多边化过程示意图丄丄丄丄丄士丄土亠亠土S丄多边化产生的条件:(1)塑性变形使晶体点阵发生弯曲。(2) 在滑移面片有塞积的同 号

7、刃型位错。卿加热到较髙温度使刃型位错能产生攀移运再结晶_、珥结晶的现象ra冷变形晶体在 回 复过程 中 性能的 变化足一个渐 变过程，组织结构没有明显的变化，而进一步提髙 退火温度，达到某_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 可以恢复到冷竟形前的状态，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。 这个过程就昱住理吉汛J賢 再结晶是形凭金属加热到一定遍度后形成新的 夭畸斐晶粒并消 耗掉冷加工的 畸变晶粒而形核和 长 大的过程。再结晶是一 显微组织重靳改组，变形 储存能充分释放，性能显著变化的过程，其驱动力为复后未被释放的变形储存能。珥

8、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。经过珥结 晶过程，塑性变形所导致的各种性能的改变 都消失。“*W磁羊祷一嗓*为2毕垃卡琴F毎牺透姬舸暫第童刃屯X医回4*離皿鼬'（£） 。若烁TST誓轴翳左習第垃'*祈®毎盈筑"（Z） 。曾第垃 予語够士個'抽事盈筑晋酗壬刃事纯筑K（I） 車濮備诡轲雪器童原始晶粒尺寸临界形变量形变量200eV、aN、b020406080100变形度(%)007o60o50o30400再结晶逼度与变形量的笑条2 再结晶 的开始週度幵结晶过程受温度. 时间. 变形量. 原始晶粒 尺寸等因素影响。要

9、精确判断珥结晶的开始温度是 很困难的, 通常采用以下几种方法：v电(1) 测量金属退火后(60分钟)硬度的变化，将变 化50%时的遍度定为珥结晶温度。(2) 用 金相 显微镜观察到 出 现第一个晶粒时对应 的温度定为昇结晶沁戡丫 ；： 七岳雀'(3) 用X射线观案出现第一个淸晰的斑点，将此时的温度称为幵结晶追度苗-；迄、d再结晶过程不是相变，它是一种组织变化。珥 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疽关，当 冷变形程度较4、(如v20%), 一般采用所谓的弓出 形枚机制来描述。晶界凸出形核，形核以后, 晶粒 凸向亚晶粒小的方向 生长。我们知道齐结晶的驱动力足&

10、;体的弹性畸变能此,预期晶核必無足产生在高畸变能的晶核的出现对体系的負邑量有两方面的影响:(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 带来界面負邑 的增加。二、珥结晶的形核与长大再结 晶 过程茫枚和 长大，但无晶 格类型变化。1.形核卉结 晶晶 核是现存于局 部髙能 区域内 的，以多边化形成的亚晶为基础形核。其形核机制有:(1)凸出形枚机制 对于变形度较划、(<20% )的 金属, 以凸出形核机制形核,弓 出形核时所冊 能量条件为:AES M 2y/L(2)亚晶形枚对于变形度较大的金属，再结果形檢往往采用 这种方式。亚晶核核方式有：1 亚晶合并

11、机制：在变形度 大且具*离层错能的金属 中。2.亚晶迁移 (boundary migration) 机制:在变茫度大，而层错 能低的金属中°、爻2.长大J驱动力：畸变竟邑差长大方式：晶枚向 畸变晶粒扩联，至靳晶粒4BJ5mar注：奔為晶不处相心t程。-总如 果靳 晶 枚器成使得 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_步长大。实验观案到的弭 结晶核心首先产生在大片度界面上。对此可以作如下的分析，凭形的两个相邻晶粒: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。此，对这

12、类晶体多边化足珥对于冷变形较大的晶体，珥结晶形核优先地发 生于多边化虫域，这些虫域就是位错塞积而导致点 阵強烈弯曲的疏域。结晶形核的盘耍准备阶段。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：金相法硬度法实际生产上确定方法:一般 Tr 皿九“J一些金属的卉结晶温度表5-3 些金属的再结晶温度（丁再）（工业纯金属经强烈冷变形，在一小时退火后完全再结晶）-属 -金io/(点0) 熔(°CX )/

13、 )/ 一K K zk /( 再熔 T T属 金度温> 晶°C 结< 再/ 7C 熔个K)K)_ fe-一SI115<1232CU00238O53Opb15<1723eFO5483540OZK15941340.00655410.51Al660540.M0009526241OgMO56640.W0012104340OgA-96093 丹O影响再结晶的因素1变形程度：交形度增大. 开始Tr下降，等温退 火珥结晶速度越快；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，同时形核卒和长大速度 均增加，有利于再结晶。3微量

14、溶质尿子：其作用一方面以有利于齐于金属中，会产生溶强化作用,结晶；另一方面溶质廉子诵聚于位错和晶界 处，起阻碍作用。总体上起阻碍作用，使Tr 提髙。4第二相 粒子:其作用足两方面的，这圭耍取决 于“散相粒子大小与"布。第二相粒子尺寸 较大，间距校宽（1微米）, 促进珥结晶。 第二相粒子尺寸较小且又密集分布时阻碍珥 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；当变形程度和保遍时间一定，退火温度继 髙，再结晶速度快；在一定范圉内延长保温 时间，Tr降低。再结晶后晶粒大小齐结晶晶粒的平均直径d与形枚率及长大速度之间 的关系如：式530。影响幵结晶后晶粒大小的素:1. 变

15、形程度的影响变形度很小时，晶粒尺寸为原始晶 粒尺才；临界变形度(critical deformation degree) sc 时，晶粒特别粗大，一般金属枕=2-8% ;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升髙，幵结品速度快，zc值变小。3. 原始晶粒尺寸 当 变康度一定时，原始晶粒越细，D 越小。苇=4. 微量溶质原子和杂质元素一般都身邑怨细化珥结晶晶 粒的作用。变形程度对幵结晶晶粒尺寸的影响临界变形度预先变形程度%加热温度5. 3. 4.晶粒长大珥结晶结束后，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

16、一个自发过程。晶粒长大的 驱动力来自总的界面能的降低。根据珥结晶后晶粒长大特点，分为：(1) 正常晶粒长大 (normal grain growth):均(2) 异常晶粒长大 (abnormal grain growth): 不均匀长大，又称二次珥结晶(secondary recrystallization); 把通常说的再结晶称为一次 珥结晶(primary recrystallization) o（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

17、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,晶粒直饪随保温时间 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c(2) 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。利用分散微粒阻碍离温下晶粒的长大， 已广泛应用 于金属材料和菲金属材料中，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；在陶走烧结中也 常利用分散相微粒防止晶粒粗化。(3) 晶粒间位向差 一般小耳I度晶界或具有李晶结构的晶界迁移速度很小；大环度晶界迁移速度一般

18、校快c(4) 杂质与微元素 阻碍晶界的迁移。(二)晶粒异常长大晶粒异常长大(二歼结晶. 不连续晶粒长大):1驱动力：来自总界面的降低。2.长大右式：少数晶粒突发性地迅速地粗化，使晶粒间的尺才 差别显著增大。不需鱼靳形枚。珥结晶后组织中升细小弥散的第二相粒子，起钉扎作3条件： 组织中存在使大多数晶粒边界比较穂定或被钉扎 (Zener pinning) 而只有少数晶粒边界易迁移的因素。这些 因素为：(1)珥结后形成齐结晶织构，晶粒位向菱小，晶界迁移率用O若金属为薄板，则在一定的加热条件下有热蚀沟出现(2) 小。(3)钉扎位错。(3) 珥结晶后产生了组织不均匀现象，存在个别尺寸很大5. 3. 5 再

19、结晶织构与退火李晶1.齐结晶织构晶参:珥结晶织构(recrystallization texture)与床冷变形 织构间存在三种情况:(1)(2)(3)与原有的织构相一致原有织构 消失而形成靳的织构原有织构消失不幵形成靳的织构齐结晶织傀季|氏；(1) 取向形核理论(oriented nucleation theory)(2) 取向生长理论(oriented growth theory )2.退火李晶退火李晶：不易产生形变李晶的fee金属或合金, 冷变形后经幵结晶退火后形成的李晶。典型的退火李晶形态：A.晶界交环处的退火李晶B贯穿蓬个晶粒的完建退火李晶退火李晶的形成机制：在齐结晶晶粒长大时晶界发

20、生迁移出现层错形成的。一般层错能低的晶体容易形成李晶。金属的热加工和冷加工:冷加工-一在再结晶温度以下的变形加工.:热加工一在再结晶温度以上的变形加工.二.动态回复和动态再结晶3若提髙金属 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)o（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I阶段一徴应变阶段:应力增加很快，但应变量不 大（小于1%）,加工硬化开始 出现。第H阶段-均匀变形阶段：金属材料开

21、始均匀塑性变 形.o伴他加工硬化作用的加強，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碘化作用，使曲 线的斜事下降并趋于水平。 第III阶段 _稳态洗变阶段：由变形严生的加工碳化与动态复产生的软化达到动态平術，波变应力不珥他应变的增加而增大，曲 线保持水平状态。达到稳态波变时 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亠/ 当二(1) 位错密度:第I阶段，位错密度由退火态增加。第II 阶段位错密度升高，但因动态回复的 出现,位错消失卒也 增大。第ni阶段，位错的增班率和消失率达到平衡，维 持一定的位错密度。(2)

22、组织交化：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蓬化形成大 量的亚晶组织始终保持等轴状。亚晶的尺才及相互间位 向差取决于金属类型、形交厦度和应变速卒。1=动态回复所获解的亚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c 但若从离温缓冷卞来，丽弊电珥结晶。、动态回复组织已成功地应用于提高殛筑合金挤压型 材的强度方面。（二）动态再结晶1. 动态歼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珥结晶 时的应力应凭 曲线，曲线分成三个阶段：第一阶段一加工硬化阶段：应力随应变上升很快，金属出现加工硬化（0<£

23、;<£c） o 第二阶段一动态珥结晶开始阶段:应变达到I帘界值£C, 动态珥结晶开始，其软化作用随应变增加而逐渐壇加，当 Oomax时，动态珥结晶的软化作用趙过加工硬化，应力 随应变增加而下降（£CV£V£S）o 第三阶段一穂定流变阶段： 随真应变的增加，加工礦 化和动态齐结晶弓I廻的软化趋于平衡，洗变应力趋于恒定。 但当£以低速率进行时，曲线出现波动, 错密度变化慢弓I起。其原圭要是位2.动态再结晶组织 动态珥结晶在应变速卒校低时通晶界 弓出形枚, 在应变速車校髙时以亚晶 合并长大方式形枚。其长大是通过靳形成的大用 度晶界及随后移动的 方式进行。其特点：反复形枚、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 于应变速率和变形遍度。由于具有校高的位错密 度和位错统结存在，这种组织比帝态幵结晶组织 具有较髙的强度和硬度。三. 金属热变形的组织和性倉邑1影响：改善铸适状态的组织缺陷，提高 材料的 致密性和 力学