第06章回复再结晶

1、第七章 金属及合金的回复与再结晶姜庆辉材料科学与工程学院12变形储能使金属内能升高，处于热力学亚稳状态。退火过程中，原子活动能力升高，形变金属就能从亚稳态向稳态转变，而变形储能则是形变金属退火过程中组织变化的驱动力。形变储能: 弹性应变能(312%) 晶格畸变能(8090%)退火： 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。 0.5 Tm亚稳态塑形变形消耗的功=热+3第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 1.1 回复与再结晶回 复：冷变形金属较低温加热时，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。再结晶：

2、冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸 变等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消 除的过程。41.2显微组织的变化回复阶段：在这段时间内从显微组织上几乎看不出任何变化，晶粒仍保持伸长的纤维状；再结晶阶段在变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒，随着时间的延长，新晶粒不断出现并长大，这个过程一直进行到塑性变形后的纤维状晶粒完全改组为新的等轴晶粒新的等轴晶粒为止，晶粒长大阶段新的晶粒逐步相互吞并而长大，到一个较为稳定的尺寸新若将保温时间确定不变，而使加热温度由低温逐步升高时，也可以得到相似的三个阶段，0T1为回复阶段，T1T2为再结晶阶段，T2T3为晶粒长大阶段。的晶粒逐步相互吞

3、并而长大，晶粒长大到一个较为稳定的尺寸。 51.2 显微组织变化6 在加热过程中，由于原子具备了足够的活动能力，偏离平衡位置大、能量较高的原子，将向能量较低的平衡位置迁移，使内应力得以松弛，储存能也将逐渐释放出来。1.3储存能和内应力变化其中1代表纯金属的，2、3分别代表非纯金属和合金的。每一曲线都出现一个高峰，高峰开始出现的地方（如图中箭头所示）对应于第一批再结晶晶粒出现的温度。在此温度之前，只发生回复，不发生再结晶。7内应力的变化回 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。回顾：残余应力类型81.4 性能变化性能变化力学性能力

4、学性能回 复 阶 段 ：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。再结晶阶段： 强度、硬度明显下降，塑性明显提高。晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降。9金属的电阻与晶体中点缺陷的密度相关，点缺陷所引起的晶格畸变会使电子产生散射，提高电阻率，它的散射作用比位错所引起的更为强烈。由此可知，在回复阶段，形变金属中的点缺陷密度将有明显的降低。此外，点缺陷密度的降低，还将使金属的密度不断增加，应力腐蚀倾向显著减小。物理性能的变化10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 ：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。1

5、1 在回复阶段的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶温度时，亚晶粒尺寸显著增大。1.5 亚晶粒尺寸12第二节 回 复 回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。通常指冷塑性变形金属在退火处理时，其组织和性能变化的早期阶段。它是在加热温度较低时，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0.4Tm以下。132.1 回复时组织性能变化 宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回到未变形前的水平；力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有

6、明显的变化； 光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，在电子显微镜下可见到晶粒内部组织的变化。(位错的胞状组织转变为亚晶) 142.2回复动力学退火温度和时间对回复过程的影响纵坐标表示剩余加工硬化分数1-R。其中R=（m-r）/(m-0)，0是纯铁经充分退火后的屈服极限，m是冷变形后的屈服极限，r是冷变形后经不同规程回复处理的屈服极限。显然1-R越小，则R越大，表示回复的程度越大。 图7-4经拉伸变形后的纯铁在不同温度下屈服强度的回复动力学曲线15其它材料性能参量的回复过程也具有类似的热激活特征。设变形前（或完全退火态）材料的某一可测物性参量(如电阻率等)为P0，冷变形后为Pd，回复过程

7、中其性能P和回复温度、时间满足如下动力学关系： 其中A为与材料类型结构有关的常数，Q为回复激活能，R为气体常数，T发生回复温度，t为回复进行的时间。 )exp(ln00RTQAtppppd16同理，不同的温度下，回复到相同的程度所需时间可以表示为：即ln t 1/T成线性关系。一方面可以由此测量计算它的激活能；另一方面说明热激活过程中时间和温度的等效关系。实际上任何材料变形后都在慢慢的发生回复，室温下无明显变化主要是因为变化的速度很慢所致。 TRQCt1ln17退火温度和时间对回复过程的影响 从图中的各条曲线不难看出，回复的程度是温度和时间的函数。温度越高，回复的程度越大。当温度一定时，回复的

8、程度随时间的延长而逐渐增加。但在回复初期，变化较大，随后就逐渐变慢，当达到了一个极限值后，回复也就停止了。在每一温度，回复程度大都有一个相应的极限值，温度越高，这个极限值越大，同时达到这个极限值所需的时间越短。达到极限值后，进一步延长回复退火时间，没有多大的实际意义182.3 回复机制 低温阶段 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-点缺陷运动到界面处消失。-聚集成空位对和空位群。-空位或间隙原子运动到刃位错处消失，引起位错的攀移 总之，空位运动的结果，使空位密度大大减少。由于电阻率对空位比较敏感，所以它的数值有较显著的下降，而力学性能对空位的变化不敏感，所以不出现

9、变化。192.3 回复机制 中温阶段:主要涉及到位错的运动p异号位错抵消, 位错密度略有降低。p缠结位错重新组合; p。p。p亚晶粒长大。202.3 回复机制高温回复高温回复多边化；位错攀移和位错环缩小；1) 亚晶粒合并。 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。21 冷变形后，晶体中同号的刃型位错处在同一滑移面时它们的应变能是相加的，可能导致晶格弯曲（见图7-5a）；而多边化后，上下相邻的两个同号刃型位错之间的区域内，上面位错的拉应变场正好与下面位错的压应变场相叠加，互相部分地抵消，从而降低了系统的

10、应变能（见图7-5b）。图7-5 多边化前、后刃型位错的排列情况a）多边化前 b）多边化后2.3 回复机制22 发生多边化时，除了需要位错的滑移（沿滑移面运动）外，还需要位错的攀移，如图7-6所示。所谓攀移是指刃型位错沿垂直于滑移面的方向运动，如图7-7所示。如果额外半原子面下端的原子扩散出去，或者与空位交换位置，这样就会使位错线的一部分或整体移到另一个新的滑移面上（即额外半原子面缩短），这种运动称为正攀移。相反，假若在额外半原子面下端添加原子，使额外半原子面扩大，称为负攀移。2.3 回复机制23 金属材料经多滑移变形后形成胞状亚结构，胞内位错密度较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密度很高。在回

11、复退火阶段，当用光学显微镜观察其显微组织时，看不到有明显的变化。但当用电子显微镜观察时，则可看到胞状亚结构发生了显著地变化。图7-8为纯铝多晶体进行回复退火时亚结构变化的电镜照片。2.4 亚结构的变化24亚结构的变化图7-8 纯铝多晶体（冷变形5%）在200回复退火时亚结构变化的电镜照片a）回复退火前的冷变形状态 b）回复退火0.1h c）回复退火50h d）回复退火300h25 回复退火在工程上称之为去应力退火，使冷加工的金属件在基本上保持加工硬化状态的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力），减轻工件的翘曲和变形，降低电阻率，提高材料的耐蚀性并改善其塑性和韧性，提高工件使用时的安全性。2.

12、5 回复退火的应用 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。26黄铜弹壳的晶间开裂来自于铜锌合金的应力腐蚀冷拉钢丝卷制弹簧去应力退火27第三节 再结晶(Recrystallization)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0.4Tm)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。28p 变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于同一个相。p 再结晶不像相变那样

13、，有转变的临界温度点，即没有确定的转变温度。p 再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化后可以发生可逆变化。p 发生再结晶的热力学驱动力是冷塑性变形晶体的畸变能，也称为储存能。冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大来进行，但再结晶过程不是相变。原因有：29再 结 晶影线部分代表塑性变形基体，白色部分代表无畸变的新晶粒。从图中可以看出，再结晶并不是一个简单地恢复到变形前组织的过程，两者的晶粒大小并不一定相同，这就启示人们掌握再结晶过程的规律，以便使组织向着更有利的方向变化，从而达到改善性能的目的。图7-9 再结晶过程示意图303.1 再结晶形核再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试

14、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。313.1.1 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。回复阶段，塑性变形所形成的胞状组织经多变化发展成亚晶，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。32b. 亚晶界移动

15、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。333.1.2 晶界凸出形核机制 晶界凸出形核又称为晶界弓出形核，当金属材料的变形度较小（约小于40）时，再结晶晶核常以这种方式形成。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。 34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 。35形核的临界条件是 ：其中ES为单位体积内的应变

16、畸变能，为界面能，a为生成前晶界的半径。 36晶界凸出形核现象在铜、镍、银、铝及铝-铜合金中曾直接观察到。 373.1.2再结晶晶核的长大 当再结晶晶核形成之后，它就可以自发、稳定地生长。晶核在生长时，其界面总是向畸变区域推进。界面移动的驱动力是无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差。界面移动的方向总是背离界面曲率中心。当旧的畸变晶粒完全消失，全部被新的无畸变的再结晶晶粒所取代时，再结晶过程即告完成，此时的晶粒大小即为再结晶初始晶粒。38 再结晶晶核的形成与长大都需要原子的扩散，因此必须将冷变形金属加热到一定温度之上，足以激活原子，使其能进行迁移时，再结晶过程才能进行。通常把再结晶温度定义为：经过

17、严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成再结晶（95转变量）的温度。3.2再结晶温度及其影响因素T再=dTm39再结晶温度及其影响因素 影响再结晶温度的因素很多。例如金属的变形度越大，金属中的储存能越多，再结晶的驱动力越大，故金属的再结晶温度越低（图7-11），但当变形度增加到一定数值后，再结晶温度趋于一定稳定值；当变形度小于一定程度（约30%40%）时，则再结晶温度将趋向于金属的熔点，即不会有再结晶过程的发生。又如，金属的纯度越高，则其再结晶温度越低。这是因为杂质和合金元素溶入基体后，趋向于位错、晶界处偏聚，阻碍位错的运动和晶界的迁移，同时杂质及合金元素还阻碍原子

18、的扩散，因此显著提高再结晶温度。图7-11 铁和铝的开始再结晶温度与预先冷变形度的关系1电解铁 2铝（wAl=99%）40再结晶温度及其影响因素 此外，形变金属的晶粒越细小，其再结晶温度越低。这是由于形变金属的晶粒越细小，单位体积内晶界总面积越大，位错在晶界附近塞积导致晶格强烈扭曲的区域也越多，提供了较多的再结晶成核场所。41变形晶粒晶界附近的原子移动到新的未变形晶粒上，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，再结晶完成。 3.3 核心的长大核心的长大t0时间t半径RdR/dt = G晶粒彼此接触孕育期42 再结晶晶粒的平均直径d 可用下式表达：式中，N为形核率；G为长

19、大线速度；K为比例常数。由此式可知，再结晶后的晶粒大小决定于GN比值。要细化晶粒，就必须使GN比值减小。因此，控制影响N和G的各种因素即可达到细化再结晶晶粒的目的。控制再结晶晶粒大小具有重要的实际意义，下面分别讨论这些影响因素。三、再结晶晶粒大小的控制d=K（）NG1/4形核率和长大速率与温度的关系满足：N=N0exp(-QN/RT)；G=G0exp(-QG/RT) N0、G0为常数，QN、QG分别为形核和长大激活能，当变形程度为12%左右时，两者大体相等。433.4 形核率和长大线速率的影响因素p 变形程度提高、原始晶粒尺寸减小，材料中变形储能提高，高能区域增多，再结晶形核率N和长大速率G增

20、大。p 晶粒再次粗化-二次再结晶！（图7-14）（一）变形度44再结晶晶粒大小的控制（二）再结晶退火温度 提高再结晶退火温度，不仅使再结晶后的晶粒长大，而且还减小临界变形度的具体值。45再结晶晶粒大小的控制（三）原始晶粒尺寸 当变形度一定时，材料的原始晶粒度越细，则再结晶后的晶粒也越细。这是由于细晶粒金属存在着较多的晶界，而晶界又往往是再结晶形核的有利地区，所以原始细晶粒金属经再结晶退火后仍会得到细晶粒组织，如图7-15所示。图7-15 原始晶粒尺寸对再结晶 后晶粒大小的影响46再结晶晶粒大小的控制（四）合金元素及杂质 溶于基体中的合金元素及杂质，一方面增加变形金属的储存能，另一方面阻碍晶界的

21、运动，一般均起细化晶粒的作用。47p粗大第二相杂质粒子存在于基体中时，塑性变形后在分界面会产生局部的点阵畸变很严重的区域，使邻近的第二相的基体中容易形核，促使形核率增大。p金属的纯度及不溶性的弥散第二相质点对长大速率G也产生强烈影响。它们被吸附到晶界或亚晶界，阻碍晶界或亚晶界的运动，因此强烈阻碍晶粒的长大，降低G.483.5 再结晶动力学 49再结晶动力学决定于形核率N和长大速度G的大小。由于影响N、G的因素很复杂，Johnson和Mehl等人在假定均匀形核、球形晶核、N和G不随时间而改变的情况下，给出了恒温下再结晶转变分数XV和时间t的关系： 3.3.1 再结晶动力学再结晶动力学 以上公式称

22、为Johnson-Mehl方程，它适用于一些固态转变及液态金属的结晶，详细推导请见：曹明盛 编 物理冶金基础，冶金工业出版社： P33750应该指出，再结晶时长大速率和形核率都不能简单的看作为常数，因此Johnson-Mehl方程是不严格的。而应采用Avrami提出的经验方程式： 式中常数B与材料种类和变形量等有关，常数n为反应级数，一般材料为34，板材(23)和线材(12)或更小。 3.3.1 再结晶动力学再结晶动力学 51再结晶过程也是热激活过程，达到同样的再结晶程度，也存在温度和时间的等效关系 ： 其中激活能Q除决定于材料的类型(成分、纯度等)外，还和变形量的大小直接相关，显然退火前，材

23、料的冷塑性变形量愈大，相应所需的激活能愈小。 3.3.1 再结晶动力学再结晶动力学 523.3.4 影响再结晶的因素影响再结晶的因素 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。 材料因素材料因素53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C，大多金属材料的临界变形量在210%之间。 3.3.4

24、影响再结晶的因素 工艺因素54第四节 晶粒长大 再结晶阶段刚刚结束时，得到的是无畸变的等轴的再结晶初始晶粒。随着加热温度的升高或保温时间的延长，晶粒之间就会互相吞并而长大，这一现象称之为晶粒长大晶粒长大，或聚合再结晶。根据再结晶后晶粒长大过程的特征，可将晶粒长大分为两种类型：一种是随温度的升高或保温时间的延长晶粒均匀连续地长大随温度的升高或保温时间的延长晶粒均匀连续地长大，称之为正常长大；另一种是晶粒不均匀不连续地长大晶粒不均匀不连续地长大，称为反常长大，或二次再结晶。55 晶粒生长的过程是晶界运动的过程。564.1 正常的晶粒长大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

25、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，温度是影响界面活动性的最主要因素。 571) 晶粒长大的动力两晶粒界面形状如图所示，三维空间中的任一曲面可用两个主要的曲率半径（r1、r2）来描述，此时作用在图中曲面单位面积上的驱动力DP为：当曲面为球面时，r1 = r2 =R，则：DP=2s/R。由于晶界向曲率中心方向（即由凹凸）移动，晶界总面积缩小，所以晶粒长大总是与再结晶时晶界移动方向相反。晶界向晶粒 I 边迁移，会降低自由能，所以自发过程是界面向凹边迁移。 582) 晶粒长

26、大的动力学Beck及其同事首先建立了纯金属和单相合金等温退火时晶粒长大动力学的经验公式：Kt其中：t是退火时间，而和是与材料和温度有关的参量。通常随退火温度的升高而增大，一般小于0.5，只有接近熔点时才等于0.5。由此可见纯金属和单相合金，在较低温退火时，随保温时间的延长，晶粒长大得较慢。相反，在高温退火时，晶粒长大得较快。593) 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。II 当三个晶粒相交晶界夹角不等于120o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。其原因是由于大角度晶界的表面张力与位向无关，几乎相等，即TA=TB=T

27、C ，因此三夹角必须相等各为120oOOIIIIIITATBTC二维空间二维空间603) 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120o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。 晶界迁移的速度随晶界曲率半径的增大而减小，因此它随时间而变。Johnson-Mehl公式中假设不变是不符合实际的。61晶粒的稳定形状晶粒稳定形状的两个条件： 其所有的晶界均为直线；晶界间的夹角均为其所有的晶界均为直线；晶界间的夹角均为120120。若晶界的边数小于

28、6（即通常所说的较小的晶粒），例如为正四边形的晶粒，则无法同时满足上述两个条件；若晶界为直线，则其夹角为90，小于120，这就难以达到平衡；反之，要保持120夹角，晶界势必向内凹，如图7-20a所示。但这样第一个条件又不能满足了，这就会使晶界自发地向内迁移，以趋于平直。而晶界平直后，其夹角又将小于120，这就又需内凹，如此反复，此晶粒只能逐步缩小，直至消失为止。3) 晶界移动的规律62晶粒的稳定形状3) 晶界移动的规律若晶界的边数大于6（即通常所说的较大的晶粒），例如等十二边形晶粒，则相邻界面间夹角为150（120），要使其变为平衡角120，晶界势必向外凹，如图7-20c所示。但是这样一来，必

29、驱使晶界自发地向外迁移以趋于平直，而一旦平直后其夹角又将大于120，这就又需向外凹，如此反复，此晶粒便会不断长大，直至达到晶粒的稳定形状为止。63 晶粒的稳定形状3) 晶界移动的规律 图718为晶粒的十四面体组合模型，它尚较接近实际情况。根据这一模型，每个晶粒都是一个十四面体。若垂直于该模型的一个棱边作截面图，则其为等边六角形的网络，即为719所示。64 How to fabricate it?Kelvin14面体面体由8面体自顶角端部截去1/3棱边长（6个顶角）Lp为边长，共36个边，24个角半径为ri的圆柱形气孔沿着晶界连通分布，可得气孔总体积。65p温度：温度：晶界移动速率可表示为：G=

30、G0exp(-QG/RT)； G0为常数，QG为晶界迁移激活能。温度越高，生长速度越快；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。p可溶解杂质及合金元素可溶解杂质及合金元素 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，其拟制作用减弱乃至消失。 - 为什么会界面吸附？为什么会界面吸附？4) 影响晶界移动的因素664) 影响晶界移动的因素p 相邻晶粒的位向差晶界的界面决定于相邻晶粒间的位向差。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

31、，因此前者的迁移速度要小于后者。674) 影响晶界移动的因素p 不溶解的第二相rFf fa ab bf fs周长2rcosf颗粒s晶界弥散的第二相质点对于阻碍晶界的运动起重要作用。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。如果此时达到平衡，则阻力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 rcosf f; 所以总张力为: 2 rs scosf f；它在垂直方向的分量则应为：2 rs scosf fsinb b；而 b b = 90oa af f68rFf fa ab bf fs周长2rcosf颗粒s晶界所以平衡时总阻力应为：F =

32、2rs cosf sin(90oaf) = 2rs cosf cos(af)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f随晶界与质点的相对位置而变化。对f求极值，令dF/df0，则有：fa/2，代入上述表达式中可得：Fmax= 2rs cosf cos(af) = 2rs cos2a /2 = rs(1+ cosa)若单位体积中二相质点个数为Nv，则其体积分数为：f = 4r3Nv /3 当单位面积的晶界移动2r距离时，横切的颗粒数为：N = VNv = 2rNvp 不溶解的第二相69因此作用在单位面积晶界上的总阻力为：F总= FmaxN = 2r2s Nv(1+ cos

33、a)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P为： P = 2s/R阻力驱动力平衡时有： 2s/R=2r2s Nv (1+cosa )因此： R = r2 Nv (1+cosa )-1将Nv换算成体积分数 f 代入得：若a角在迁移过程中保持不变，则：frKR acos1134frRp 不溶解的第二相70 讨 论：frKR lR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。l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。l二相颗粒愈细小，数量愈多，则对晶粒长大的阻滞能力愈强。l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

34、身的性质影响相对较小，因为它只影响a值。l应用实例：灯泡W丝中加ThO2质点；钢中含有Al2O3或AlN质点、Mg中加入微量Zr，Al中含有MnAl6质点，均可明显阻止加热时晶粒的长大。p 不溶解的第二相71掺入第二相时724.3 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”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

35、大，对材料的性能带来十分不利的影响。 73图7-21 二次再结晶过程示意图时间1234.3 晶粒的非正常长大 74基本条件基本条件: :正常晶粒长大过程正常晶粒长大过程被被( (第二分散相微第二分散相微粒、织构）粒、织构） 强烈强烈阻碍。阻碍。驱动力：驱动力：界面能变化。界面能变化。( (不不是重新形核是重新形核) )754.3 晶粒的非正常长大 钉扎晶界的第二相溶于基体. 机制 再结晶织构中位向一致晶粒的合并. 大晶粒吞并小晶粒. 各向异性 织构明显 优化磁导率 对组织和性能的影响 性能不均 晶粒粗大 降低强度和塑韧性 提高表面粗糙度76二次再结晶的应用 铁氧体硬磁材料BaFel2O19 控

36、制大晶粒为二次再结晶的晶核，利用二次再结晶形成择优取向，使磁磷畴取向一致，从而得到高磁导率的硬磁材料。 77Bi4Ti3O12加入针状的晶种做诱发模板Fig. 1. SEM images of debindered Sample BIT-T: (a) surface parallel to the casting direction and (b) fracture surface perpendicular to the castingdirection.7879p 再结晶温度 p 再结晶后的晶粒尺寸 p 其它组织变化 4.4 再结晶后的组织 804. 4.1 再结晶温度再结晶温度 4.4.

37、2 影响再结晶后的晶粒尺寸因素 预变形量退火温度和时间杂质：原始晶粒大小：变形温度81p 应避免在临界变形量；p 同时一次不宜进行过大的变形，防止产生组织织构或出现晶粒的异常长大；p 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。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火时：4.4.2 影响再结晶后的晶粒尺寸因素82 一般说来，变形程度越大，则晶粒越细；而退火温度越高，则晶粒越粗大。通常将这三个变量晶粒大小、变形程度和退火温度之间的关系，绘制成立体图形，称为“再结晶图”，它可以用作制订生产工

38、艺、控制冷变形金属退火后晶粒大小的依据。4.3 再结晶退火后的组织 （一）再结晶图在临界变形度下，经高温退火后，两者均出现一个粗大晶粒区，图7-24 纯铁退火1h的再结晶图83再结晶退火后的组织（一）再结晶图图7-23 工业纯铝的再结晶图 工业纯铝中还存在另一个粗大晶区，它是经强烈冷变形后，在再结晶退火时发生二次再结晶而出现的。 对于一般结构材料来说，除非特殊要求，都必须避开这些区域。84再结晶退火后的组织（二）再结晶织构 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。 再结晶织构的形成与变形程度和退火温度有关。变形度越大，

39、退火温度越高，所产生的织构越显著。即使变形程度很大，若降低退火温度也不会出现织构。85再结晶退火后的组织（二）再结晶织构 再结晶织构的形成有时是不利的。如用于冲压的铜板，如果存在这种织构，则在加工过程中形成制耳。如何避免：往铜中加入少许杂质：如P、Be、Cd、Sn等杂质采用适当的变形度，较低的退火温度，较短的保温时间采用两次变形、两次退火处理 8687再结晶退火后的组织（二）退火孪晶 某些面心立方结构的金属及合金，如铜及铜合金、奥氏体不锈钢等经再结晶退火后，经常出现孪晶组织，这种孪晶称为退火孪晶或再结晶孪晶，以便与在塑性变形时得到的形变孪晶相区别。8889第五节 金属的热加工 热加工 热加工的

40、流变应力热加工时的软化机制 热加工对材料组织性能的影响 90 在工业生产中，热加工通常是指将金属材料加热至高温进行锻造、热轧等的压力加工过程，除了一些铸件和烧结件之外，几乎所有的金属材料都要进行热加工，其中一部分成为成品，在热加工状态下使用；另一部分为中间制品，尚需进一步加工。无论是成品还是中间制品，它们的性能都受热加工过程所形成组织的影响。915.1 何谓热加工？何谓热加工？p 热加工：再结晶温度以上的加工称为“热加工”。p 温加工：低于再结晶温度高于室温的加工。p 冷加工：室温加工。易混淆钨 1200 C再结晶温度 1000度加热为冷加工Pb Sn的再结晶温度低于室温，因此室温下对锡的加工

41、即为热加工。92935.2 热加工的流变应力热加工所需的应力称为流变应力。塑性变形一方面产生加工硬化，进一步变形需要加大应力，另一方面在再结晶温度以上，材料会发生再结晶软化，可使变形应力减小，并且加工硬化程度越高，再结晶速度越快，二者达到动态平衡后，继续变形就不需要再加大应力，也就是在这个应力作用下能一直变形，这个应力就是流变应力。流变应力的大小和材料的本质有关，由材料成分所决定的强度高，对应的流变应力必然也高。此外，还和变形温度和变形速度有直接的关系，流变应力随变形速率(单位时间内的变形量)加大而增加，随变形温度升高而下降。 945.3 热加工时的软化机制热加工时的软化机制 在高温下，塑性变

42、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：1）动态回复：）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。 952）动态再结晶）动态再结晶：多晶材料发生塑性变形，部分区域的变形量超过临界变形量后，以再结晶方式形核，变形量增加，形核的部位也在增加，形成的核心不断的长大。由于变形在继续进行，长大的晶粒也在变形中，一边长大的同时，内部又因变形而增

43、加缺陷硬化，长大前后不同，内部的缺陷密度也不同。这些在再结晶中生成长大的晶粒当变形超过一定程度会再次形核长大，如此周而复始。材料中的平均统计缺陷的密度决定于变形速率，变形速率高，平均硬化程度维持在较高的水平，材料在变形中表现出较高的流变应力。 5.3 热加工时的软化机制热加工时的软化机制 963）亚动态再结晶：）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：）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。 5.3 热加工时的软化机制热加工时的软化机制 97图7-2

44、7 在热加工温度发生动态回复时 的真应力-真应变曲线的特征5.4 动态回复与动态再结晶动态回复与动态再结晶铝及铝合金、工业纯铁、铁素体钢、镁、锌等材料1 仅有动态回复 亚晶尺寸的大小与变形温度和应变速率有关，变形温度越低，应变速率越大，则形成的亚晶尺寸越小。因此，通过调整变形温度和应变速率，可以控制亚晶的大小。动态回复组织的强度要比再结晶组织的强度高得多。在热加工终止后迅速冷却，将动态回复组织保存下来已成功地用于提高建筑用铝镁合金挤压型材的强度。但是，如果加工过程停止，在保温或随后的缓慢冷却过程中即可发生静态再结晶。98动态回复与动态再结晶铜及铜合金、镍及镍合金、铁、奥氏体钢、金、银等图7-2

45、8 发生动态再结晶时真应 力-真应变曲线的特征2 动态再结晶1.在稳定态阶段的动态再结晶晶粒呈等轴状，但在晶粒内部包含着被位错缠结所分割的亚晶粒。显然这比静态再结晶后晶粒中的位错密度要高；2. 其次，动态再结晶时的晶界迁移速度较慢，这是由于边形变、边发生再结晶造成的。因此动态再结晶的晶粒比静态再结晶的晶粒要细些。如果能将动态再结晶的组织迅速冷却下来，就可以获得比冷变形加再结晶退火要高的强度和硬度。共性： 形核和长大过程995.5 热加工对材料组织性能的影响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。 为了控制材料

46、的最后组织，如晶粒尺寸，必需控制好最后的变形量和变形停止时的温度，又称为终锻温度，终锻温度过高，最后会导致材料的晶粒尺寸粗大，特别是终锻变形量在临界变形量附近时，晶粒尺寸更大，使材料的性能下降。但终锻温度过低或变形量过大可能会在零件上带来残余应力，甚至出现开裂。 100压力加工可以焊合铸态材料中的气孔疏松，提高材料致密度和性能。所以有些零件必须通过压力加工来成形。 压力加工可以打碎粗大枝晶和柱状晶，细化晶粒尺寸；对多相材料，反复的镦拔，可以均匀材料的成分，都将有益于材料的使用性能。 热加工的温度较高，表面较易发生氧化现象，尽管有一些精密锻造工艺，但产品的表面光洁度和尺寸精度不可能达到机械加工能

47、达到的高度。 5.4 热加工对材料组织性能的影响热加工对材料组织性能的影响 101102铸锻态性能比较5.4 热加工对材料组织性能的影响热加工对材料组织性能的影响在热加工时，仅在一个方向上变形，如热轧、拔长等，会造成杂质或第二相沿加工方向分布，形成所谓热加工纤维组织，有时也称为“流线”，材料的机械性能具有明显的各向异性，通常纵向的强度、塑性和韧性显著大于横向。在零件成形中要注意，让流线与零件的受力方向成合理分布，才能保证或提高零件的质量水平。1031041056） 复相合金中的各相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布，形成“带状组织”，使材料性能变坏，且用热处理方法不易消除，工艺上应加以注意。 带状组织与枝晶偏析沿加工方向拉长有关。它的存在将降低钢的强度、塑性和冲击韧度，可通过多次正火或扩散退火来消除。钢中的带状组织（200X）碳钢的锻造温度范围细化晶粒细化晶粒增大变形量、有利于获得细晶粒。1）不要在临界变形度范围内加工。2）