材料学基础课件(1)

1、2014/4/14第四章材料的回复与再结晶(Chapter 4 Recovery and Recrystallizatio n of Materials)4.1冷变形金属在加热时的组织、性能变化1组织的变化回复(recovery )：晶粒的形态和大小与变形态相同，但亚结构及性能已有变化再结晶(recrystallization )：出现无畸变的等轴晶粒，逐步取代变形晶粒 晶粒长大(grain growth ):加热时间延长或加热温度升高 3s at 580C- 33%CW Er A, Brass(Cu-Z n)15min at 580 C, grain growth10min at 700 C

2、, grain growth8s at 580C, completely4s at 580C2性能的变化强度和硬度(strength and hare变化小，再结晶阶段变化大电阻(resistanee ):回复阶段已有大的变化内应力(inner stress ):回复阶段消除大部或全部内应力， 再结晶阶段全部消除微观内应力ss一亚晶粒尺寸：回复阶段变化小密度(density ):再结晶阶段急剧变化(缺陷减少)储存能的变化：再结晶阶段释放多_=|尽-=I§4.2 回复(Recovery)1 回复动力学(recovery kinetics )回复是冷变形金属在退火时发生组织性能变化的早期

3、阶段, 在此阶段内物理或力学性能的回复是随温度和时间而变化的定义剩余应变硬化分数(1-R)，R为屈服强度回复率R =（唏-q）/ （务-§）工一-屁黑¥«0ix划z怖：变形后的屈服强度 q :回复后的屈服强度 q :完全退火后的屈服强度回复是一个驰豫过程(relaxation process,其特点:(1) 没有孕育期(no incubation period;(2) 在一定温度下，初期回复率大，随后逐渐变慢，直至趋近于零；(3) 预变形量越大，起始回复率也越快(4) 每一温度的回复程度有一极限值，温度越高，该值越高，达到极限值所需时间越短;32014/4/14#

4、2014/4/14回复特征可用一级反应方程表示X。dx 二-ex 二-c°exp(- Q)x dtRTt为恒温下的加热时间，x为冷变形导致的性能增量经加热后的残余分数；积分得： In 渔=e0t exp(-)xRT在不同温度下，如以回复到相同程度作比较，可得:lnt = A + Q/ ( RT)可求出回复激活能2 回复机希9 (recovery mechanism )(1) 低温回复：点缺陷密度急剧下降，宏观上电阻率变化大(2) 中温回复：位错运动(滑移)和重新分布(3) 高温回复：刃型位错可以获得足够能量攀移，发生多边化(polygonization多边化即位错通过滑移和攀移，在沿

5、垂直于 滑移面方向上排列，形成具有一定取向差的 位错墙(小角度晶界)，由此产生亚晶(sub-grain, sub-structure, mosaic structure，这种结构称为多边化结构层错能高的金属易发生多边化，层错能低的多边化困难在随后的过程中，亚晶粒将迁移而使亚晶粒合并长大§ 4.3 再结晶(Recrystallization )再结晶是冷变形金属加热到一定温度后，在原变形组织中 重新产生了无畸变的新晶粒，性能发生明显的变化并恢复到变形前状况的过程再结晶是显微组织重新改组的过程，可以基本消除冷变形的影响1再结晶过程是一个形核和长大的过程：再结晶晶核f长大 再结晶无晶体结构

6、的变化1) 形核：以多边化形成的亚晶为基础形核(1)晶界凸出形核 A晶粒变形小，亚晶尺寸大；B晶粒变形大，亚晶尺寸小 A晶粒中的某些亚晶凸入 B晶粒中， 吞噬B晶粒中的亚晶，形成无畸变 的再结晶晶核，降低系统的自由能1) 形核(con' t)(2)亚晶形核a)亚晶合并机制：位错的运动使一些亚晶界上的位错转移到周围其它亚晶上，导致亚晶的合并；合并后的亚晶的晶界上位错密度增加，逐渐转化 为大角度晶界，从而具有更大的迁移率，这种晶 界移动后留下无畸变的晶体，构成再结晶核心此机制常出现在变形程度较大且具有高层错能的材料中62014/4/14#2014/4/141)形核(con' t)亚

7、晶形核(con' t)b)亚晶迁移机制：位错密度较高的亚晶界，其两侧的亚晶位相差大；在加热过程中这些亚晶界容易迁移而成为 大角度晶界，从而成为再结晶核心此机制常出现在变形程度很大且具有 低层错能的材料中。2) 长大(growth):长大是再结晶晶核形成之后，借界面的移动 向周围畸变区域长大的过程驱动力是新晶粒与周围畸变母体之间的应变能差当变形晶体中全部形成无畸变的等轴晶粒时， 再结晶结束2 再结晶动力学 (kinetics of recrystallization1)再结晶的特点再结晶过程有孕育期； 再结晶刚开始速度慢，逐步 加快，到再结晶分数为50% 时速度最快，随后逐渐变慢再结晶过

8、程取决于形核率N 和长大速率G的大小；2) 约翰逊-梅厄方程(Johnson-Mehl equation)二 NG3t4)3)假定均匀形核，晶核为球形， 形核率N和长大速率G不随时间改变，则再结晶的体积分数： = 1 - exp(它适用于均匀形核，而不适用于有选择性形核的情形(如形核优先在晶界等)2 再结晶动力学 (kinetics of recrystallization con ')3) 阿弗拉密方程(Avrami equation )针对恒温再结晶时形核率N随时间t的增加而呈指数关系衰减再结晶的体积分数：''r = 1 - exp( - Bt )或:1lg ln

9、.=lg B klgt1 一审R k为常数当再结晶是三维时，k为3-4；k 为 2-3;当再结晶是二维时(薄板)，当再结晶是一维时(丝材)，k为1-2。约翰逊-梅厄(Johnson-Meh)方程:阿弗拉密(Avrami)方程:NG tR=1-exp(3)3r 再结晶体积分数；N 形核率；G 长大速率。:r =1-exp(-BtK)-R再结晶体积分数;B常数；K 常数。假定条件：均匀成核、球形晶核，N、G不随时间改变、恒温假定条件：均匀成核、球形晶核，N随时间指数衰减、恒温2 再结晶动力学(kinetics of recrystallization,con ')3）等温温度对再结晶速率的

10、影响Q等温温度与再结晶速率的关系：v=Aexp（-士）RT再结晶速率与产生某一再结晶体积分数的时间成反比：在两个不同的恒定温度产生同样程度的再结晶时，可得:tl t2)可以比较在不同温度下等温退火完成再结晶所需时间3再结晶温度及其影响因素再结晶温度（recrystallization temperature ）: 冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。 一般以显微镜中出现第一颗新晶粒的温度或硬度下降50%所对应的温度定为再结晶温度。工业上通常以经过大变形量（70%以上）的冷变形金属， 经1小时退火完成再结晶（转变量大于95%）所对应的温 度为再结晶温度。再结晶羽虞 A；Cu200ItMU0.35

11、Fr45Q15380.4UNi1455fl 51MbQtMJ3625CL谒】Wi2rnI <1的轉is陽厲直仃（丄亡卜-，砖甘j专妄啰.屆ih曲次后克全海站齟再结晶温度不是一个物理常数，它受诸多因素的影响3再结晶温度及其影响因素（con '1）变形程度的影响冷变形量越大，再结晶驱动力越大，再结晶温度越低；变形量达到一定程度后，再结晶温度趋于稳定给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量（临界变形度）（critical degree of deformationI预先变形度对再结晶晶粒度的影响102014/4/14#2014/4/143再结晶温度及其影响因素（con '）2）原

12、始晶粒尺寸原始晶粒细小，冷变形后储存的能量大,晶界提供较多的形核位置，再结晶温度降低3）微量溶质原子提高金属的再结晶温度，其原因归于溶质原子的偏聚阻碍位错的滑移和晶界的迁移，不利于再结晶的形核和长大4）粒子（precipitates一般，第二相粒子尺寸大，间距 宽时，有利形核，促进再结晶第二相粒子尺寸小，间距密集时, 阻碍再结晶TiptrEl鼻Wilftff " It f U 'I口 4生1 t At a t Aul'h I'i:、J4再结晶后的晶粒大小再结晶后的晶粒尺寸d与形核率N 和长大速率G的关系：d = C (G/N ) 1/41) 变形度的影响临界变

13、形度：给定温度下发生再 结晶需要的最小变形量；临界变 形度下再结晶得到特别粗大晶粒当变形度大于临界变形度后，变形度越大，晶粒越细小2) 退火温度的影响退火温度对刚完成再结晶时晶粒 尺寸的影响不大；降低临界变形度数值；加速再结晶后的晶粒长大过程*仏用变%临界变形区10 20再结晶全图：再结晶退火温度-变形量-再结晶后晶粒尺寸关系§ 4.4 晶粒长大(grain growth )再结晶结束后，若继续提高加热温度或延长加热时间， 引起晶粒进一步长大的现象。晶粒长大的驱动力是总晶界能的降低。1晶粒的正常长大及其影响因素晶粒比较均匀的长大称为晶粒正常长大恒温下正常晶粒长大的关系式：Dt = K

14、t n = K0 exp (-Q/RT)tn n的数值一般小于 1当合金中存在第二相颗粒时，对晶界的迁移有阻碍作用 设Dm为晶粒停止长大时的平均直径，则:Dm4r3fr为第二相粒子的半径, f为第二相的体积分数,122014/4/14第二相的尺寸越小，数量越多，再结晶的晶粒越细小2 异常晶粒长大 (二次再结晶,abnormal grain growth, secondary recrystalliza异常晶粒长大是当再结晶完成后的金属继续加热到 某一温度以上，少数晶粒突然反常长大的现象异常晶粒长大的基本条件a) 正常晶粒长大过程被分散相微粒、织构等强烈阻碍， 再结晶过程产生细小晶粒。b) 当进

15、一步加热时，这些阻碍正常晶粒长大的因素一旦 消失，少数晶粒就可能异常长大如问(111 MiA的：帝硅铁中MnS的存在可能导致异常晶粒Mg-3AI-0.8Zn合金退火组织 正常再结晶，b晶粒长大，c二次再结晶§ 4.5再结晶织构与退火孪晶(annealing twins )1 再结晶织构(recrystallization texture)具有变形织构的金属经再结晶后的新晶粒若仍具有择优取向,则称为再结晶织构再结晶织构与变性织构的关系(1) 与原有的织构相一致；(2) 原有织构消失而代之以新的织构；(3) 原有织构消失不再产生新的织构2 退火孪晶(annealing twins )退火

16、孪晶的形态(1) 晶界交角处(A)；(2) 贯穿晶粒的完整退火孪晶(B);(3) 一端中止于晶内的不完整孪晶(C) 退火孪晶晶粒生长过程中形成的层错能低的晶体容易形成退火孪晶§ 4.6 动态回复和再结晶(dynamic recovery and recrystallization )1冷加工与热加工的区别低于再结晶温度的加工变形称为冷加工高于再结晶温度的加工变形称为热加工152014/4/14#2014/4/14金属的冷热加工1! T丄）1-41自由锻模锻轧制拉拔冲压26正挤压反挤压#2014/4/14162014/4/14热加工：在加工变形的同时产生加工硬化和动态回复与 再结晶，并

17、且热加工产生的加工硬化很快被回复再结晶 产生的软化所抵消，所以热加工体现不出加工硬化现象?如Fe的再结晶温度为45C，其在400 C以下的加工为冷加 工。Sn的再结晶温度为-71 C，则在室温下的加工为热加工。?热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面 尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。?而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表 面光洁度要求高的工件。2 动态回复、动态再结晶（ dynamic recovery and recrystallization如果材料在较高温度形变时，回复和再结晶相继发生，则称为动态回复和动态再结晶。它们是热加工过程中的重要现象。1） 动态回

18、复（dynamic recovery） 层错能高的晶体动态回复进行的较 完全，一般不会发生动态再结晶第1阶段：微应变阶段。高温回复尚未进行，晶体以加工硬化为主，应力增加很快，但应变量却很小（1%）。第II阶段：均匀变形阶段。开始均匀的塑性变形，位错密度继续增大，同时 动态回复也在逐步增加。第川阶段：稳态流变阶段，由变形产生的加工硬化与动态回复 产生的软化达到平衡，即位错的增殖和湮灭达到了动力学平衡 状态，曲线保持水平。2) 动态再结晶(dynamic recrystallization层错能较低的金属，位错攀移不利，高温回复不能充分进 行，热加工时的主要软化机制为动态再结晶。第1阶段：加工硬化阶段，应力 随应变上升很快，动态再结晶 没有发生，金属出现加工硬化。 第II阶段：动态再结晶开始阶 段，应变量达到临界值，动态 再结晶开始，其软化作用随应 变增加逐渐加强，当应力超过 最大值后，软化作用增强。第川阶段：稳态流变阶段，加工硬化与动态再结晶软化达 到动态平衡。当应变以高速率进行时，曲线为一水平线； 而应变以低速率进行时，曲线出现波动。3热加工对金属组织和性能的影响?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 或拄