第05章再结晶

1、内容目录1.形变金属材料退火过程中的组织和性能变化2.回复3. 再结晶4. 晶粒长大5. 金属的热加工形变储能0弹性应变能(3-12%)晶格畸变能(8090 %)0 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、成分均匀化退火等多种。形变储能使金属内能升高，处于热力学亚稳状态。退火时, 原子活动能力升高，形变金属从亚稳态向稳态转变，而形 变储能则是形变金属退火过程中组织变化的驱动力。/第一节冷变形金属在加热时的组织i与豊变1.1 回复与再< A冷变形金属低温加热时，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。"冷变形金属

2、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J消除的过程。1.2显微组织变化回复阶段：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，达到相对稳定的形状和尺寸。回复一 1再结晶1品粒长大1厂1r一1rH1.2显微组织变化(C)1.3性能变化复阶段:强度、硬度略有下降，塑性略有提高。再结晶阶段: 晶粒长大阶段:强度、硬度明显下降,塑性明显提高。强度、硬度继续下降，塑性继续提高,粗化严重时塑性也下降。物理性能密 度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高;电 阻

3、:电阻在回复阶段可明显下降。形变储能:回复阶段部分释放，再结晶至长大初期完全释放。Increasing temperature Susans Nnp-So.! cgEsUIAuwonp SSOUPJJ e詈00§s1.4内应力变化回复阶段: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。L第二节所谓回复，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。回复阶段一般加热温度在0.41；以下。2.1回复机制低温阶段一点缺陷的迁移和减少,表现为:- 空位与间隙原子的相遇而互相中和- 空位或间隙原子运动到刃位错处消失,引

4、起位错的攀移- 点缺陷运动到界面处消失。中温阶段:口缠结位错重新组合;异号位错抵消,位错密度略有降低。亚晶粒长大。2.1回复机制冋Zdh阶段回复:1）位错攀移和位错环缩小;2）亚晶粒合并;3）多边化。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。多变化的驱动力是弹性 、孑变能的降低。图8-35多边化前、后刃型位错的排列情况a多边化前 b）多边化后22回复动力学冷变形材料性能的回 复程度与回复处理的 时间和温度有关。复过程是热激活过 程，转变的速度决定 于原子的活动能力。图8-34 经拉伸变形的纯铁在不同温度下 加热时.屈服强度的回复动

5、力学上图中硬化分数R表示为：R=（CTm-CTr）/（CTm-CT0）；b八6分别为变形后.回复后以及完全退火后的屈服应力。2.3回复应用去应力退火降低应力（保持加工硬化效果）防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。31再结晶的基本过程冷变形后的金属加热到一定温度（一般大于0.4TQ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复到 冷变形前的水平，这个过程称为再结晶。再结晶的驱动力也是变形储能的降低。3.2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

6、临界晶核半径过大，与试验结果不符。:丿大量实验表明，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 ,边形化是再结晶形核的必要准备。3.2.1亚晶粒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。J一回复阶段，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X-到周晶界或亚晶界上,导致原来亚晶界的消失，最后通过原子扩散和位置的调整,X-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。b二亚曇界移动机制(b丿如上图，晶粒中某些局部位

7、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。322晶界凸出形核机制当金属的变形度较小时，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。322晶界凸出形核机制和结晶形核方式类似，晶界弯曲后，一方面晶界 的弯曲面因面积增加会增加界面能，另一方面形 核区中原变形区内有应变能的释放。晶界的突然弓出務动形核晶界凸出形核现象在铜、鎳、银、铝及 铝-铜合金中曾直接观察到。3.3核心的长大变形晶粒晶界附近的原子 移动到新的未变形晶

8、粒上,半径R从而可以减少变形应变能,新晶粒不断长大到相遇,最后全部为新晶粒，再结晶粒彼此接触时间&孕育期34影响再结晶的因素材料因素 原子结合力大，熔点高的材料，再结晶进行较慢； 材料的纯度，纯净材料如纯金属，进行较快，而溶 入了其它元素，特别是易在晶界处存在聚集的元素 时，将降低再结晶的速度； 第二相质点特别是呈弥散分布时，将明显降低再结 晶的速度。34影响再结晶的因素工艺因素 加热温度愈高，再结晶速度愈快； 变形量大，弹性畸变能大，再结晶速度也快。"变形量过小，形变储能不能满足形核的基本要求时，再结 晶就不能发生。<发生再结晶需要一定的变形量，称为临界变形量,大多金

9、属材料的临界变形量在210%之间。<第四节晶粒长大再结晶刚完成时，得到的是等轴细晶粒组织。继续提高;火温度或延长保温时间,就会发生晶粒相互吞并而长 大的现象，晶粒长大包括均匀长大的正常长大过程和反 常的长大过程。4.1.1晶粒长大的动力晶粒的长大是一自发过程，其驱动力是降低其总界面能。长大过程中，晶粒变大，则晶界的总面积减小,总界面能也就减小。为减小表面能，晶粒长大的热力学条件总是满足的， 长大与否还需满足动力学条件，这就是界面的活动性。而温度是影响界面活动性的最主要因素。4.1.2晶界移动的规律为降低表面能，弯曲晶界趋于 平直化，即晶界向曲率半径中 心移动以减小表面积。III当三个晶粒

10、相交晶界夹角不等于120。时,则晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动,力图使三个夹角趋于相等。其原因是由III于大角度晶界的表面张力与位向无关,几乎相等，即Ta=Tb=Tc ,因此三夹角必 须相等各为120。Tb4.1.2晶界移动的规律 二维坐标中，晶界边数少于6的晶粒（其晶界 外凸）必然逐步缩小乃至消失。而边数大于6 的晶粒（晶界内凹）则逐渐长大。当晶界边 数为6时，晶界很平直且夹角为120。时，则晶 界处于稳定状态，不再移动，要达到这样的 平衡状态需要很长的保温时间。4.1.3影响晶界移动的因素可溶解杂质及合金元素III溶质原子都能阻碍晶界移动，特别是晶界偏聚（内吸附）显 著的原子，能有效降低

11、晶界的界面能，拖住晶界使之不易 移动，温度很高时，吸附在晶界的溶质原子被驱散，其抑 制作用减弱乃至消失。 温度：晶界移动速率G可表示为：GGoexpCQc/RT）；G。为常数，Qg为晶界迁移激活能。通常一定温度下晶粒长 大到一定尺寸就不再长大了，提高温度晶粒会继续长大。口相邻晶粒的位向差u小角度晶界的界面能小 于大角度晶界的界面能, 而驱使界面移动的力又 与界面能成正比，因此 前者的迁移速度要小于 后者O4.1.4影响晶界移动的因素晶界不溶解的第二相 弥散的第二相质点对于阻 碍晶界的运动有重要作用。 右图中当运动的晶界遇到 球形（简化起见）第二相质 点时，第二相质点对晶界 运动产生阻力Fo如果

12、达到平衡，则阻力F必须等于总张力在垂直方向的分力。 晶界与质点接触的周长为：L=2时cos0;所以总张力为：27trocos0； 它在垂直方向的分量则应为：27crocos亦in0；而0 =90。一a+（|）不溶解的第二相CT晶界r4Ar I 颗粒所以平衡时总阻力应为：F = 2nr <r cos sin（90°a+（|） =2rarcrcos0cos（a-4） 对于固定材料体系和质点， 质点和晶粒间的表面张力固 定，a也不变，而e随晶界与 质点的相对位置而变化。对©求极值，令dF/d（M），则有：（|>=a/2,代入上述F表达式中可得:F max= 27rrb

13、Cos0cos(aT>) = 2nracos2a/2 = nra(J+ cos a)若单位体积中二相质点个数为当单位面积的晶界移动力距离时,横切的颗粒数为：N =2N*不溶解的第二相因此作用在单位面积晶界上的总阻力为：F,萨 F”丄V = 2nr2aNv(l+ cos©另一方面，对于球形晶粒(半径为R),驱动其晶界移动的驱动力尸为：P = 2a/R阻力驱动力平衡时有：2o/R=2nr2aNv(l+cosa)因此：R= 7cr2Nv (1+cosa )F由于M为单位体积中二相质点个数，则其体积分数为:仁4丹/3；将N”换算成体积分数/代入得:3f (1 + cosG丿若a角在迁移

14、过程中保持不变，则:不溶解的第二相讨论:R是平衡状态下的晶粒半径，也即是该条件下晶粒长大的极限 尺寸。晶粒长大的极限尺寸与二相颗粒的半径成正比，与颗粒的体积 分数成反比。二相颗粒愈细小，数量愈多，则对晶粒长大的阻滞能力愈强。二相颗粒对晶粒长大的阻碍作用主要取决于其大小和体积分数, 而二相颗粒本身的性质影响相对较小，因为它只影响a值。应用实例：灯泡W丝中加Th。?质点；钢中含有MO3或A1N质 点、Mg中加入微量Zr, A呻含有MnAl6质点，均可明显阻止加 热时晶粒的长大。4.2晶粒的非正常长大再结晶晶粒通常缓慢均匀长大，但如有少数晶粒处在特别有 利的环境，它们将吞食周围晶粒，迅速长大，这种现

15、象称为晶粒的异常长大。早期的研究以为异常长大也是形核和核心的生长过程，因此称为“二次再结晶”r丿 异常长大的实质是一次再结晶后的长大过程中，某些晶粒的环境特殊而产生的优先长大，不存在再次形核过程。异常长大导致晶粒分布严重不均，长大后期可能造成材 料晶粒尺寸过大，对材料的性能带来十分不利的影响。4.2晶粒的非正常长大基本条件:正常晶粒长大过程 被（第二分散相微 粒、织构）强烈 阻碍。驱动力：图847硅铁二次再结晶的反常晶粒界面能变化。（不 是重新形核）4.2晶粒的非正常长大钉扎晶界的第二相溶于基体. 机制 J再结晶织构中位向一致晶粒的合并.I大晶粒吞并小晶粒.对组织和性能的影响各向异性性能不均Y

16、织构明显优化磁导率降低强度和塑韧性提高表面粗糙度晶粒粗大k第五节再结晶后的组织再结晶温度再结晶后的晶粒尺寸其它组织变化5.1再结晶温度IIIIII再结晶并不是只能在固定的温度以上才能发生，而是温度 愈高，转变速度愈快。再结晶温度Q 定义为在一定时间内完成再结晶所对 应的温度，通常规定在一小时内再结 晶完成95%所对应的温度为再结晶温度III再结晶温度与材料的类型、纯度有关，而且和材料冷变形 程度也有关。再结晶温度随着变形量的增加而降低，最终 有一下限值，对于工业纯金属来讲，经验表明最低再结晶 温度在035Tm左右，一般再结晶温度用04Tm来估计。、厂5.2影响再结晶后的晶粒尺寸因素5.2影响再

17、结晶后的晶粒尺寸因素D预变形量在临界变形量以下，材料不发生再结晶，维持原来的晶粒尺寸;在临界变形量附近，刚能形核， 因核心数量很少而再结晶后的尺临界ws预先变形程度寸很大,有时甚至可得到单晶;一般情况随着变形量的增加，再结晶后的晶粒尺寸不断减小； 当变形量过大(>70%)后，可能产生明显织构，在退火温度高时 发生晶粒的异常长大。5.2影响再结晶后的晶粒尺寸因素5.2影响再结晶后的晶粒尺寸因素2）退火温度和时间退火温度高,完成再结晶用的时间少，长大的时间就长,所以随退火温度的提高而晶粒尺寸增大。T再加热温.度再结晶退火一般均采用保温2小时，保证再结晶充分完成 而晶粒不过分长大，延长保温时间

18、显然会造成晶粒尺寸的 长大。5.2影响再结晶后的晶粒尺寸因素Q无论是固溶于晶体内的异类原子，还是 在材料组织中存在的第二相质点，特别 是弥散分布时，都将促进再结晶后的晶 粒细化。3）杂质4）原始晶粒大小5）变形温度Co©在其他条件相同时，材料变形前的 晶粒尺寸愈细小，晶界面多，有利 形核，再结晶后的晶粒也细小。材料变形温度较高，或再结晶退火前进 行较有效的回复处理，因降低了畸变能， 可使再结晶后的晶粒变粗。控制方法再结晶晶粒尺寸和凝固结晶一样，决定于形核率和长大速率的比值。为了防止再结晶后晶粒粗大，材料需要进行再结晶退扯应避免在临界变形量；同时一次不宜进行过大的变形，防止产生组织织构

19、或 出现晶粒的异常长大； 严格控制再结晶退火的温度和保温时间，以保证再结 晶能充分完成而晶粒不过分长大5.3其他组织变化再结晶织构丿材料的冷变形程度较大，如果产生了 变形织构，在再结晶后晶粒取向的遗 传，组织依然存在择优取向，这时的 织构称为再结晶织构。再结晶织构对进一步的加工不利。如冲压再结晶铜板形成 制耳。经常在Cu中加入少量P、Be、Cd、Sn等杂质预防。退火李晶有些结构的金属及合金，再结晶退火后经常出现挛晶组织, 这种挛晶称为退火挛晶或再结晶挛晶。第六节金属的热加工1.2.3.热加工热加工时的软化机制6.1何谓热加工?热加工：再结晶温度以上的加工称为“热 加工”。温加工：低于再结晶温度

20、高于室温的加工。冷加工：室温加工。Sn的再结晶温度低于室温，因此室温下对锡的加工即为热加工。6.2热加工时的软化机制在高温下，塑性变形的同时，发生组织结构的软化，尽管 软化本身的方式也是属于回复和再结晶，由于变形硬化和 软化同时发生，软化具有自己的特点，热加工时软化有以 下类型：D动态回复在热加工的温度下，材料可以进行较快回复过程。它不同 于静态回复，材料在变形的同时，一方面变形在增加缺陷, 另一方面以回复方式减少部分缺陷，某些性能因二者的同 时作用可达到动态平衡，维持在某一固定的水平。6.3热加工时的软化机制> 2）动态再结晶<超过临界变形量热塑性变形|A再结晶方式形核超过临界量V二长大的晶粒也在变形核心长大再次形核长大6.3热加工时的软化机制3）亚动态再结晶变形过程中形成的再结晶核心或长大未完成 的小晶体，在变形过程停止后的继续长大。4）静态回复和静态再结晶变形过程停止后，由于在较高的温度下，这 时所发生的回复过程和重新形核并长大的再 结晶过程。6.4热加工对材料组织性能的影响热加工过程中，尽管加工硬化和再结晶软化互相抵消，但 材料经过热加工后，组织性能也会带来一系列的变化。D为了控制材料的最后组织，如晶粒尺寸，必需控