回复再结晶-晶粒长大

1、2022-4-221回复和再结晶- -关于晶粒长大的相关知识2022-4-2223.4晶粒长大及其他结构变化再结晶完成后，形成新的、细小的、无畸变的等轴晶粒。继续加热或等温下保持会发生晶粒长大，引起一些性能变化，如强度、塑性、韧性均会下降；此外，伴随晶粒长大，还发生其他结构上的变化，如再结晶织构；晶粒长大有两种型式正常晶粒长大和反常晶粒长大（也称为二次再结晶）； 一一. 概述概述2022-4-2233.4晶粒长大及其他结构变化正常晶粒长大是在再结晶完成后继续加热或保温过程中，在界面曲率驱动力的作用下，晶粒发生均匀长大的过程；金属基体体积中，晶粒尺寸分布均匀，连续增大，以给定尺寸的晶粒数目ni或

2、所占面积Si与晶粒尺寸Di关系作图如图所示 ；二二. 正常晶粒长大正常晶粒长大 2022-4-2243.4晶粒长大及其他结构变化晶粒长大是界面迁移过程，以界面曲率为驱动力，弯曲界面向其曲率中心的方向移动，以减少曲率，降低能量； 在三个晶粒相邻接的情况下，必须保证界面张力平衡的要求，单相合金或纯金属在三晶粒会聚处，界面交角成120时，界面张力达到平衡，因此，晶粒长大达到的稳定形状应是规则六边形，具有平直界面，交角互成l 20角，如图11-23所示此时，曲率半径无限大，驱动力为零，同时界面张力平衡，因而晶粒不再长大。 二二. 正常晶粒长大正常晶粒长大 2022-4-2253.4晶粒长大及其他结构变

3、化如晶粒未达到六边形形状，为保持界面张力平衡，维持120交角，则边数小于6的晶粒形成外凸的界面，边数大于6的晶粒则具有内凹的界面，如图10-24所示。在界面曲率驱动力作用下，界面向曲率中心迁移，结果，大于六边形的晶粒将长大，而小于六边形的晶粒则缩小并消失。二二. 正常晶粒长大正常晶粒长大 2022-4-2263.4晶粒长大及其他结构变化(1)温度温度影响界面迁移速度；温度愈高，界面迁移速度愈大，因而晶粒长大速度也越快。 三三. 正常晶粒长大的影响因素正常晶粒长大的影响因素如晶粒长大速度以晶粒平均直径如晶粒长大速度以晶粒平均直径 增大的速度增大的速度( )表示，界面曲率表示，界面曲率近似以近似以

4、 代表，则晶粒长大速度与温度有以下关系：代表，则晶粒长大速度与温度有以下关系： )/(exp(121RTQDKDMdtDdmDdtD/D式中，式中，K1为常数，将上式积分可得：为常数，将上式积分可得： tRTQKDDmt)/(2202RTQKtDDmt3 . 2lg)lg(2202或：或： 2022-4-2273.4晶粒长大及其他结构变化(2)时间在一定温度下晶粒长大速度可写成：在一定温度下晶粒长大速度可写成： 即正常晶粒长大时，一定温度下，平均晶粒直径随保温时间的平方即正常晶粒长大时，一定温度下，平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大，当有阻碍界面移动的其他因素存在时，有关根而增大，当有阻碍界

5、面移动的其他因素存在时，有关 关关系，系， 。 DKDMdtDd121上式积分，可得：上式积分，可得：tKDDt202 为恒定温度下起始平均晶粒直径，为恒定温度下起始平均晶粒直径， 为经时间为经时间t后的平均晶粒直径，后的平均晶粒直径，K为常数，如为常数，如 远大于远大于 ，上式中，上式中 可忽略不计，则由上式可导出：可忽略不计，则由上式可导出： 0DtDtD0D0D21CtDtntKtD 21n2022-4-2283.4晶粒长大及其他结构变化(3)第二相粒子由前知，第二相粒子对界面迁移有约束力由前知，第二相粒子对界面迁移有约束力 ，会阻碍界面迁移、，会阻碍界面迁移、晶粒长大。此时，晶粒长大有

6、一极限尺寸，由界面迁移的驱动力和约晶粒长大。此时，晶粒长大有一极限尺寸，由界面迁移的驱动力和约束力的平衡所确定。束力的平衡所确定。 说明晶粒长大的极限平均直径决定于第二相粒子的尺寸及其体积分数。说明晶粒长大的极限平均直径决定于第二相粒子的尺寸及其体积分数。粒子尺寸愈小，粒子的体积分量愈大，极限的平均晶粒尺寸也愈小。粒子尺寸愈小，粒子的体积分量愈大，极限的平均晶粒尺寸也愈小。 可导出：可导出：rfF23阻阻驱FPrfDL232frDL342022-4-2293.4晶粒长大及其他结构变化(4)表面热蚀沟 金属在高温下长时间加热时，晶界与表面相交处为达到表面张力间的金属在高温下长时间加热时，晶界与表

7、面相交处为达到表面张力间的相互平衡，以趋向于热力学稳定状态，将会通过表面原子的扩散过程相互平衡，以趋向于热力学稳定状态，将会通过表面原子的扩散过程形成图形成图11-35所示的热蚀沟。所示的热蚀沟。 对于薄板材料，当热蚀沟形成，如果晶界自蚀沟处移开，就会增大晶对于薄板材料，当热蚀沟形成，如果晶界自蚀沟处移开，就会增大晶界面积而增加晶界能。这就产生一约束晶界移动的阻力，设单位晶界界面积而增加晶界能。这就产生一约束晶界移动的阻力，设单位晶界面积作用的阻力为面积作用的阻力为p，则在厚度，则在厚度a，单位宽度晶界上的阻力为，单位宽度晶界上的阻力为pa，如晶，如晶界移动界移动dx，晶界面积增加，晶界面积增

8、加2da，克服阻力所作的功与增加的晶界能相等，克服阻力所作的功与增加的晶界能相等，即即 当界面张力保持平衡，有以下关系：当界面张力保持平衡，有以下关系： sin2sbsb2tgsin近似有近似有 ： 2022-4-22103.4晶粒长大及其他结构变化(4)表面热蚀沟 由驱动力与阻力相等，可以确定晶粒长大的极限尺寸，由驱动力与阻力相等，可以确定晶粒长大的极限尺寸， 可导出可导出 ： 因因axpabd2daxapbd/d2sbxa2/tgd/d代入代入10-46，得到：，得到： sbbaap2tg2sbLbaD22说明薄板材料中晶粒的极限尺寸与薄板的厚度成正比。愈薄的材料其说明薄板材料中晶粒的极限

9、尺寸与薄板的厚度成正比。愈薄的材料其极限尺寸也愈小。极限尺寸也愈小。 2022-4-22113.4晶粒长大及其他结构变化反常晶粒长大是在一定条件下，继晶粒正常、均匀长大后发生的晶粒不均匀长大的过程。长大过程中，晶粒尺寸相差悬殊，少数几个晶粒择优生长；逐渐吞并周围小晶粒，直至这些择优长大的晶粒互相接触；周围细小晶粒消失，全部形成粗大晶粒，过程结束，如图11-26所示。四四. 反常晶粒长大反常晶粒长大2022-4-22123.4晶粒长大及其他结构变化不均匀长大中晶粒尺寸分布曲线如图11-27所示。可以看出，晶粒尺寸分布曲线的特征是有两可以看出，晶粒尺寸分布曲线的特征是有两个相距很宽的极大点，代表两

10、组尺寸明显不个相距很宽的极大点，代表两组尺寸明显不同的晶粒。同的晶粒。长大过程中，长大晶粒的尺寸及其所占面积长大过程中，长大晶粒的尺寸及其所占面积连续增加，而其他晶粒的尺寸保持不变，其连续增加，而其他晶粒的尺寸保持不变，其数目或面积减少。两组晶粒尺寸的差别逐渐数目或面积减少。两组晶粒尺寸的差别逐渐增大，最后全部形成大晶粒。增大，最后全部形成大晶粒。在不均匀长大中，少数大晶粒相当于核心，在不均匀长大中，少数大晶粒相当于核心，吞并其他晶粒而长大，故此过程也叫二次再吞并其他晶粒而长大，故此过程也叫二次再结晶。结晶。2022-4-22133.4晶粒长大及其他结构变化发生反常晶粒长大或二次再结晶有以下三

11、个基本条件，即稳定基体、有利晶粒和高温加热。 1) 稳定基体稳定基体 一次再结晶完成后发生晶粒长大，长大过程中由于某些因素的阻碍，一次再结晶完成后发生晶粒长大，长大过程中由于某些因素的阻碍，大部分晶粒长大缓慢，以致在晶粒长大结束时，整体上形成稳定的细大部分晶粒长大缓慢，以致在晶粒长大结束时，整体上形成稳定的细晶粒基体。阻碍长大的因素有：晶粒基体。阻碍长大的因素有： (1)弥散第二相粒子阻碍界面迁移、晶粒长大。弥散第二相粒子阻碍界面迁移、晶粒长大。(2)形变织构引起再结晶时的再结晶织构，晶粒间位向接近，位形变织构引起再结晶时的再结晶织构，晶粒间位向接近，位向差很小，因而界面迁移率低，阻碍晶粒长大

12、。向差很小，因而界面迁移率低，阻碍晶粒长大。(3)薄板材料有表面热蚀沟存在，阻碍界面迁移、晶粒长大。薄板材料有表面热蚀沟存在，阻碍界面迁移、晶粒长大。2022-4-22143.4晶粒长大及其他结构变化发生反常晶粒长大或二次再结晶有以下三个基本条件，即稳定基体、有利晶粒和高温加热。 2) 有利晶粒有利晶粒 在正常长大后稳定细晶粒的再结晶基体中，存在少数有利长大的晶粒，在正常长大后稳定细晶粒的再结晶基体中，存在少数有利长大的晶粒，可作为二次再结晶的核心，这些有利长大的晶粒有以下几种情况。可作为二次再结晶的核心，这些有利长大的晶粒有以下几种情况。 (1)具有有利尺寸具有有利尺寸 由于第二相粒子的不均

13、匀分布和不均匀溶解，基体中具有由于第二相粒子的不均匀分布和不均匀溶解，基体中具有较少微粒的晶粒容易长成较大晶粒，因而在细晶粒基体中出现少数尺寸较大较少微粒的晶粒容易长成较大晶粒，因而在细晶粒基体中出现少数尺寸较大的晶粒，细晶粒包围的这些较大晶粒是大于六面的多面体，具有外凹的界面，的晶粒，细晶粒包围的这些较大晶粒是大于六面的多面体，具有外凹的界面，获得继续长大的能力，这些较大的晶粒就是具有有利尺寸的核心晶粒。获得继续长大的能力，这些较大的晶粒就是具有有利尺寸的核心晶粒。 (2)具有有利位向具有有利位向 基体存在再结晶织构，在织构基体中含有一定数目不同位基体存在再结晶织构，在织构基体中含有一定数目

14、不同位向晶粒的向晶粒的“夹杂夹杂”，其中，具有特殊位向差的晶粒有高的界面迁移率，容易，其中，具有特殊位向差的晶粒有高的界面迁移率，容易长大，可成为具有有利位心的核心晶粒。在大变形情况下这种有利晶粒起作长大，可成为具有有利位心的核心晶粒。在大变形情况下这种有利晶粒起作用。用。 (3)具有有利表面具有有利表面 对薄板或线材，表面能低的晶粒较为稳定，有利于长大，对薄板或线材，表面能低的晶粒较为稳定，有利于长大，可成为核心晶粒。可成为核心晶粒。 (4)具有有利能量具有有利能量 一次再结晶结束时，由于许多原因，晶粒可有不同的缺陷一次再结晶结束时，由于许多原因，晶粒可有不同的缺陷浓度和体积能。如亚晶聚合作

15、核心形成的再结晶晶粒比亚晶界迁移形成的晶浓度和体积能。如亚晶聚合作核心形成的再结晶晶粒比亚晶界迁移形成的晶粒缺陷多，包含第二相微粒多的晶粒可能有较高的位错密度，某些晶粒比其粒缺陷多，包含第二相微粒多的晶粒可能有较高的位错密度，某些晶粒比其他晶粒有较低的体积弹性畸变能也可作为二次再结晶的核心。他晶粒有较低的体积弹性畸变能也可作为二次再结晶的核心。2022-4-22153.4晶粒长大及其他结构变化发生反常晶粒长大或二次再结晶有以下三个基本条件，即稳定基体、有利晶粒和高温加热。 3) 高温加热高温加热 只有在高温加热条件下，具有有利长大晶粒的稳定基体中，第二相粒子溶解，只有在高温加热条件下，具有有利

16、长大晶粒的稳定基体中，第二相粒子溶解，创造了晶粒长大的条件。此时，具有有利条件的晶粒以明显高于其他部分的创造了晶粒长大的条件。此时，具有有利条件的晶粒以明显高于其他部分的速率迅速长大，吞并其他小晶粒，形成粗大晶粒。速率迅速长大，吞并其他小晶粒，形成粗大晶粒。 反常晶粒长大或二次再结晶过程的驱动力反常晶粒长大或二次再结晶过程的驱动力p是相邻不均匀晶粒单位体积晶界能是相邻不均匀晶粒单位体积晶界能的差值，即：的差值，即： Vp假设相邻晶粒为立方体，长度为假设相邻晶粒为立方体，长度为D，则每个经历单位体积的晶界能为：，则每个经历单位体积的晶界能为：DDDV326322022-4-22163.4晶粒长大

17、及其他结构变化发生反常晶粒长大或二次再结晶有以下三个基本条件，即稳定基体、有利晶粒和高温加热。 3) 高温加热高温加热 二次再结晶的驱动力为：二次再结晶的驱动力为： 对等轴晶粒，可写作：对等轴晶粒，可写作： 式中，式中，D为可以长大的有利晶粒的直径，为基体小晶粒的平均直径。为可以长大的有利晶粒的直径，为基体小晶粒的平均直径。显然，显然，D ，p0，可以长大，发生二次再结晶。，可以长大，发生二次再结晶。 21213)11(3DDDDDpV)11(DDpD2022-4-22173.4晶粒长大及其他结构变化前述晶粒长大与预先冷变形程度和退火温度密切相关。综合表示再结晶退火后晶粒大与冷变形程度及退货温

18、度间的关系的空间图形叫再结晶图，利用再结晶图可确定冷变形后退火产生的经历大小，控制再结晶退火工艺。 五五. 再结晶图再结晶图 在再结晶图中，水平面上两个相互垂直的坐标轴分别表示预先形变量和退火温度，垂直于水平面的坐标轴表示晶粒大小，退火时间均取一小时。图10-28给出纯铁和工业纯铝的再结晶图。 2022-4-22183.4晶粒长大及其他结构变化五五. 再结晶图再结晶图 铝的再结晶图中可以看出晶粒度的两个极大值，一个对应临界变形度，第二个对应大变形、高温退火时的二次再结晶。铁的再结晶图中只有临界变形度下的产个极大值，铁在912发生相变，引起晶粒度变化，改变了再结晶后晶粒长大的趋势，图中末予显示，

19、在相变临界温度以下，没有发生二次再结晶，故不出现第二个极大值。2022-4-22193.4晶粒长大及其他结构变化六六. 退火孪晶退火孪晶 退火加热中，伴随晶粒长大，发生一些结构上的变化，如退火孪晶的形成。退火加热中，伴随晶粒长大，发生一些结构上的变化，如退火孪晶的形成。 面心立方金属和合金，如铜、面心立方金属和合金，如铜、黄铜、不锈钢、钢中的奥氏体组织等，黄铜、不锈钢、钢中的奥氏体组织等，在退火加热时在退火加热时(包括再结晶退火、相变退火包括再结晶退火、相变退火)，晶粒中显示出孪晶，因在退，晶粒中显示出孪晶，因在退火中形成，故叫退火孪晶，以与形变中形成的机械孪晶相区别。火中形成，故叫退火孪晶，以与形变中形成的机械孪晶相区别。 退火孪晶的典型形态如图退火孪晶的典型形态如图10-29所示，第一种形态是贯穿晶粒的完整退火所示，第一种形态是贯穿晶粒的完整退火孪晶，第二种是末贯穿晶粒的不完整退火