金属学热处理部分第七

1、金属材料及热处理第三篇金属的塑性变形与再结晶回复与再结晶·第七章Ø 本章主要内容Ø 变形金属退火时的组织与性能变化Ø 回复的过程、机理与应用Ø 再结晶的过程、机理与应用Ø 影响再结晶的因素Ø 晶粒长大的Ø 热塑性与应用的组织与性能2第七章回复与再结晶Ø 形变金属处于一种不稳定的状态：Ø 吸收了一部分变形功Ø 晶体缺陷数量高Ø 存在残余应力Ø硬化状态形变金属有回到变形前组织与性能状态的趋势7.1形变金属及合金在退火过程中的变化Ø 回复、再结晶、晶粒长大是形变

2、金属退火时经历的基本过程Ø 1.显微组织变化图7-1回复、再结晶、晶粒长大过程示意图42.储存能与性能变化Ø 经过回复与再结晶，材料的储存能完毕，材料的组织与性能能够逐渐恢复变形前的状态。57.2回复Ø 回复Ø 指经过冷变形的金属在退火加热的过程中，于再结晶过程开始之前、仍保留着变形态组织特点的阶段。Ø 回复的驱动力是储存能Ø 回复阶段储能部分。Ø 不同温度，回复机制有差异。61.退火温度和时间对回复过程的影响硬化分数1-R 表示回复进行的程度时：1- R = (s r -s 0) /(s m -s 0)0 ：充分退火材料的

3、强度用剩余m：塑性变形后材料的屈服强度r：经历一定回复退火材料的强度1-R越小，回复越充分71.退火温度和时间对回复过程的影响图7-4经拉伸变形的纯铁在不同温度退火时，屈服强度的回复动力学曲线Ø 一定温度下回复时间越长，回复程度越大，但逐渐趋于极限值Ø 回复温度越高，回复软化程度越大，且达到极限程度的时间越短。87.2回复Ø 2.回复机理a低温回复点缺陷的迁移点缺陷密度降低b中温回复位错在滑移面上运动位错密度有所降低，缠结位错重新排列c高温回复位错滑移、攀移多边化及多边形亚晶形成，亚晶粒增大910图7-8纯铝多晶体（冷变形5%）在200回复退火时亚结构变化的a）回

4、复退火前的冷变形状态b）回复退火0.1h c）回复退火50hd）回复退火300h117.2回复Ø 2.回复机理a. 低温回复点缺陷的迁移点缺陷密度降低b. 中温回复位错在滑移面上运动位错密度有所降低，缠结位错重新排列c. 高温回复位错滑移、攀移多边化及多边形亚晶形成，亚晶粒增大概括：回复过程中点缺陷数量降低；位错密度下降不多， 但位错的分布有变化，处于应变能低的状况。123.回复退火的应用Ø 工业应用：去应力退火Ø 效果：保留腐蚀开裂硬化，降低应力，防止应力Ø 回复退火的温度、时间可参考回复曲线制定137.3再结晶Ø 再结晶：Ø 指经

5、过冷变形的金属退火过程中，于变形的基体中重新生成无畸变的等轴状的新晶粒的过程。再结晶的特点Ø 再结晶的驱动力是储存能Ø 再结晶阶段剩余储能全部Ø硬化消除Ø 是形核与长大的过程，不改变晶体结构再结晶的应用Ø 消除硬化Ø 再结晶退火（中间退火）151.再结晶的形核Ø问题：变形严重的区域位错密度高，而形成无缺陷的微区可以迅速降低能量。该微区可成为再结晶晶核的孕育地。16(1).晶界弓出形核塑性变形量<40%Ø 晶界两侧位错密度差异较大Ø 晶界向位错密度高侧弓出后，可使储存能下降，形成无畸变的图7-10再结

6、晶形核机制示意图c）凸出形核17(2)亚晶长大形核变形量大、均匀Ø 亚晶合并机制错能金属Ø 由于变形时有交滑移，位错密度相对低Ø 亚晶通过各种作用合并，长大。亚晶界发展为大角度晶界，能迅速迁移Ø 晶界迁移时扫清前方位错，留下无畸变的晶体成为再结晶18制低层错能金属Ø 亚晶移Ø 变形时没有交滑移，位错密度相对高。Ø 相邻亚晶界位向差大，加热时易迁移发展为大角度晶界。能迅速迁移，扫清前方位错，留下无畸变的晶体成为再结晶。192.再结晶晶核长大再结晶形核结束后，会进一步长大。长大驱动力为新晶粒与旧晶粒之间的应变能差。晶界背向其曲率

7、中心方向移动，直到消耗完所有的畸变晶粒形成无畸变的等轴新晶粒时再结晶完成203.再结晶温度Ø 指冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。Ø 规定：Ø 工业生产中则通常以经过大变形量(70以上)的冷变形金属，经1h退火能完成再结晶(R95) 所对应的温度定为再结晶温度。工业纯金属，经强烈冷变形后的最低再结晶温度TR/K=（0.350.4）TmKØ 中间退火的温度高于最低再结晶温度100-20021224.影响再结晶温度的因素Ø (1) 变形程度增加冷塑性变形的程度可以降低再结晶温度。存在一最低的再结晶温度0.4Tm.23(2)微量溶质原子Ø

8、 溶质原子会阻碍位错运动和晶界的迁移， 提高再结晶温度。24(3) 原始晶粒原始组织细小，变形产生的储存能更大，降低再结晶温度。变形后的晶粒越细小，再结晶速度越快。25(4) 分散相（第二相）粒子Ø 可促进或阻碍基体金属的再结晶，取决于粒子的 及间距。Ø 细小弥散的第二相粒子一般阻碍亚晶界的迁移， 故阻碍再结晶。26(5)再结晶退艺参数加热速度、加热温度与保温时间退火温度愈高，再结晶速度极慢的加热产生了大量的回复，再结晶温度上升。极快的加热，也会引起再结晶温度上升（一定范围）延长保温时间，也会降低再结晶温度275.再结晶晶粒大小的Ø 受到变形度、退火温度、成分等的

9、影响Ø （1）变形度影响图7-12金属的冷变形度对再结晶晶粒大小的影响Ø临界变形度：在能引起再结晶的最小变形度附近变形后，再结晶后的晶粒特别粗大， 称为“临界变形度”。一般为2-10%。28图7-13纯铝的再结晶晶粒度与变形度的关系变形度自左至右依次为：3%、4%、5%、6%、7%、8%、10%、12%、14%29（2）退火温度的影响提高退火温度：临界变形度减小 再结晶后晶粒粗大307.4晶粒长大Ø 晶粒长大指再结晶结束后，细小的等轴晶通过晶粒相互吞并导致的长大的过程。Ø 长大驱动力：长大可以降低界面能Ø 正常长大：连续长大Ø 异常长

10、大（二次再结晶）：极少数晶粒长大311.正常长大Ø 晶界移动的驱动力µ s Rfs：比界面能R：晶界曲率半径直到晶界平直Ø 晶界移动的方向Ø 指向曲率中心Ø 大者长大，小者消失Ø 三个晶粒晶界交角趋于12032332.影响晶粒长大的因素通过影响晶界迁移而作用Ø （1）温度Ø 温度越高，长大越快Ø 一定温度下有一个极限Ø （2）杂质与合金元素杂质元素与微量溶质原子与晶界产生交互作用，阻碍晶界迁移。微量杂质元素含量越高，晶界迁移越慢35Ø （3）第二相（分散相）质点阻碍晶界移动，降低晶粒长

11、大速度4r3j-Dlim =j ：分散相粒子所占的体r：粒子的半径数。36第二相颗粒所占体数一定时，颗粒愈细，其数量愈多，则晶界迁移所受到的阻力也愈大，晶粒正常长大速度越小。即分散相粒子的越小，再结晶的极限平均晶粒越小。37Ø （4）晶粒间位向差Ø 位向差决定晶界能的高低Ø 大角度晶界晶界能高，晶界迁移快，小角度晶界晶界能低，晶界迁移慢故：Ø 位向差大者，晶界迁移快，晶粒易长大Ø 位向差小者，晶界迁移慢，晶粒难长大Ø 有织构的组织晶粒难以长大383.晶粒异常长大二次再结晶指当正常晶粒长大过程被分散相微粒、织构或表面热蚀沟等因素强烈阻碍

12、时，局部位置此类因素的缺少或消失而造成的突发性的晶粒快速长大 的现象。会降低力学性能，一般应避免。图7-12金属的冷变形度对再结晶晶粒大小的影响驱动力：晶界能的降低。404.再结晶退火后的组织Ø （1）晶粒大小避开晶粒粗大区Ø 可用再结晶图来图7-23工业纯铝的再结晶图图7-24纯铁退火1h的再结晶图414.再结晶退火后的组织Ø （2）再结晶织构Ø 由于再结晶退火所产生的择优取向Ø 与形变织构可以相同或不同Ø 大变形与高温退火易促进再结晶织构Ø 产生各向异性424.再结晶退火后的组织Ø （3）退火孪晶Ø

13、低层错能材料（Cu，奥氏体钢）中出现Ø 与形变孪晶机理不同，与切变无关435.再结晶退火的应用Ø 效果：消除硬化；去除应力Ø 应用：软化变形金属的中间退火Ø 温度：最低再结晶温度以上100-20044小结：冷变形在金属材料内部产生了储存能，退火过程中原子活动能力增强，储存能逐渐材料内部发生回复、再结晶与晶粒长大。退火温度较低时，产生回复。储存能部分，材料中的宏观残余应力基本消除，力学性能及显微组织均保持变形后的特点。退火温度较高时，产生再结晶。储存能完全，材料重新软化，晶粒为细小的等轴晶。再结晶完成后继续加热保温，晶粒会长大以降低晶界能。457.5T&g

14、t;T再金属的热成形Ø 热变形的特点：硬化与软化同时存在，变形抗力小。Ø 软化机制：Ø 动态回复：合金，纯铁等，错能金属与合金：Al及其Ø 动态再结晶：低层错能金属：Cu及其合金，奥氏体不锈钢等，461.动态回复错能金属Ø 随着变形进行，硬化速度降低，直到实现在一个稳定应力下变形。Ø 变形金属内有异号位错的互毁和位错的重新分布。Ø 晶粒变形而亚晶粒为等轴状2.动态再结晶低层错能金属Ø 随着变形进行，硬化速度降低，软化，逐渐实现在一个稳定应力下变形。Ø 变形金属内发生再结晶，变形抗力小Ø 晶粒变为

15、等轴状Ø 热变形结束后，还可发生进一步的（静态）再结晶，消除储存能Ø 热变形后快冷，可以保留较错密度和细小晶粒，强度高于静态再结晶组织Ø 动态回复组织强度高于动态再结晶组织493. 热Ø对组织与性能的影响铸态组织缺陷Ø 焊合气孔、疏松，致密化Ø 细化铸态组织Ø夹杂物与脆性相的形态、大小与分布Ø 部分消除偏析Ø 形成热织Ø 注意流线（组织）、带状组热变形度与晶粒50热流线Ø 夹杂物、偏析、第二相等沿变形方向伸长，在浸蚀后的宏观磨面上出现.51Ø热流线的利用Ø 纵向（沿

16、横向（垂直方向），塑性、韧性增加方向），塑性、韧性降低但抗剪切能力显著增强。Ø 纵向具有最大的抗拉强度，横向具有最大的抗剪切强度.52热流线的合理利用Ø 流线沿零件轮廓分布不中断Ø 最大拉应力方向沿流线Ø 最大剪应力方向垂直于流线5354带状组织Ø 多相合金中的各相热分布时沿变形方向交替呈带状Ø 引起各向异性Ø 可由正火处理或除变形在奥氏体单相区完成来消556.超塑性变形Ø 主要条件Ø 一定的变形温度Ø 低的应变速率Ø 极细小的等轴晶粒Ø 较高的应变速率敏感性指数-m

17、6; 例:Ø 利用钛合金的超塑成型工艺制造喷气式飞 机的舱门、尾舱、骨架，原工艺需个零件， 经各种方法连接组装而成。如用超塑性合金，可 一次成型做成，使尾舱架的重量减轻，成 本降低。56金属与合金的冷热变形比较Ø 冷塑性变形产生热塑性变形同时存在硬化、变形抗力大；硬化与动态回复、动态再结晶造成的软化，变形抗力小Ø 无论室温变形还是高温变形，单相固溶体组织都表现出比多相合金更好的变形能力Ø 合金中存在的晶界、溶质原子、位错、第二相粒子都具有抵抗外力造成变形的能力Ø 冷、热塑性变形均会对组织与性能产生影响57金属塑性成形Ø 特点的特点及应用&#