材料科学基础第十章回复、结晶和金属的再加工

2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－1第十章回复、再结晶和金属热加工2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－2第一节冷变形金属在退火时的一般变化冷金属在退火时包含如下的一些变化：显微组织的变化性能的变化力学性能的变化物理性能的变化储存能的释放2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－3显微组织的变化回复阶段 显微组织几乎不发生任何变化，晶粒仍然保持为冷变形状态的纤维状形态；再结晶阶段 变形态的晶粒通过形核和长大过程，完全改变称为新的等轴晶粒。当等轴晶粒边界互相接触，变形晶粒完全消失时，再结晶阶段结束。（再结晶过程虽然也是形核与长大的过程，但完全是同一相的组织形态发生转变『纤维状等轴状』，而不是相的转变。）晶粒长大阶段 再结晶完成后的晶粒粗化阶段。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－4力学性能的变化回复阶段 位错密度降低较少，硬度和强度降低不多。即在回复阶段，冷变形强化效果仍然能大部分被保留。再结晶阶段 位错密度大大减小，强度、硬度显著降低，塑性提高，冷变形强化效果消失，金属软化。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－5物理性能电阻率 再回复阶段显著降低（因为点缺陷浓度显著降低）密度 再回复阶段有所升高（因为空位浓度降低）；在再结晶阶段显著增大（因为位错密度显著减小）。内应力回复阶段：消除大部分宏观内应力和一部分微观内应力；再结晶阶段：消除全部的内应力；2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－6储存能的释放变形储存能是回复、再结晶的驱动力；储存能使金属处于高能的亚稳态，退火阶段组织和性能的变化过程即是储存能的释放过程。回复阶段：储存能的释放较少再结晶阶段：大部分的储存能得到释放2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－7第二节回复回复： 经冷塑性变形的金属加热时，其光学显微组织未发生改变前的晶体缺陷运动过程。特点： 点缺陷及位错分布和数量不断改变，储存能得到了一定的释放，为再结晶做好了准备。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－8回复机制与过程回复机制 空位和位错通过热激活改变了它们的组态分布和数量的过程。分类 根据加热温度的高低可分为：低温回复中温回复高温回复2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－9低温回复定义 在低温范围内（1.0~0.3Tm)内加热时，发生低温回复；机制 主要是空位的运动（温度较低，原子活动能力有限，仅能发生点缺陷的运动）2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－10中温回复定义 在较高温度范围（0.3~0.5Tm)内加热时，发生中温回复；机制 位错再度滑移和交滑移；2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－11高温回复定义 在更高温度（≥0.5Tm)加热时，发生高温回复；机制 温度足够高时，发生包括攀移在内的位错运动和多边化，主要机制是多变化。多变化 冷变形后在滑移面上塞积的同号刃型位错通过攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角度亚晶界（位错墙）的过程。多边化的驱动力 多边化的驱动力是应变能的降低。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－12第三节再结晶再结晶 冷变形金属加热到回复温度之上后，在原变形组织中产生新的无畸变再结晶形核，并通过逐渐长大形成等轴晶粒，从而取代全部变形组织，该过程称为再结晶。特点 变形金属发生再结晶时，力学性能发生显著变化，金属恢复到软化状态，变形储能得到充分释放，新的无畸变等轴晶完全取代了原畸变晶粒，但是晶体结构不变。因此，再结晶不是相变。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－13再结晶的形核方式再结晶的形核方式主要有以下三种：亚晶合并亚晶迁移晶界弓出形核（凸出形核）2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－14亚晶合并定义 两亚晶之间的亚晶界消失，使相邻的两晶粒合并而生长；产生条件 冷变形较大或层错能高的金属，容易以亚晶合并的方式形成再结晶核心；2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－15亚晶迁移定义 通过亚晶界的迁移，吞并相邻的形变基体和亚晶而生长；产生条件冷变形量很大或层错能低的金属中容易亚晶迁移；2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－16晶界弓出形核（凸出形核）定义 冷变形量较小的金属，一般是利用变形晶粒的现成大角度晶界的迁移形成再结晶核心，称为晶界弓出或凸出形核机制；产生条件 设界面能为，晶界两侧晶粒单位体积储存能差为，弓出晶界从位置I迁移到位置II必须满足条件，即并非任意一段大角度晶界都能弓出形成再结晶晶核，必须当晶界两侧晶粒中的单位体积储存能之差大到一定程度后才能发生弓出形核过程。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－17再结晶晶核的长大晶核的长大过程 再结晶晶核的长大是通过晶界迁移实现的，晶界背离其曲率中心，向周围变形基体中迁移。界面迁移的驱动力是储存能，随着晶核的长大，储存能不断释放。再结晶过程动力学 再结晶过程的快慢与再结晶形核率（N）和晶核长大速率（G）有关。凡是能影响N和G的因素都会影响再结晶的快慢。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－18再结晶温度理论再结晶温度实际再结晶温度影响再结晶温度的因素2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－19理论再结晶温度定义 冷变形金属中能够发生再结晶形核及长大的最低温度。测试方法金相法 以显微镜中观察到第一个新的无畸变新晶粒生成或晶界迁移出现锯齿状边缘的退火温度，确定为再结晶的开始温度。硬度法 将变形金属硬度与退火温度关系曲线上硬度开始明显降低的为温度，确定为再结晶开始温度。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－20实际再结晶温度定义 规定：经较大冷变形（变形量>70%)的金属，再1h退火时间内能够完成再结晶（或>95%体积分数的再结晶）的最低退火温度，称为实际再结晶温度。一般所说的再结晶温度常指的就是实际再结晶温度。再结晶温度与熔点的关系 对于工业纯金属，在较大冷变形量条件下，若完成再结晶的时间为0.5~1h，则再结晶温度（T再）与熔点（Tm)的经验关系：

T再≈（0.35~0.40)Tm(K)

（注：此式不适用于合金和高纯（纯度>99.99%）金属。）2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－21影响再结晶温度的因素影响再结晶温度的因素包括：变形程度杂质及合金元素第二相粒子原始晶粒的大小形变温度加热时间加热速度2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－22再结晶后晶粒的大小再结晶后晶粒尺寸d与和之间存在下列关系：影响因素变形程度退火温度与保温时间加热温度原始晶粒大小合金元素及第二相式中，α——常数该式表明，降低，则d降低。所以能够使值发生变化的因素都可能引起再结晶晶粒的变化。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－23变形程度当冷变形量<c时，储存能很小，不足以引起再结晶，晶粒仍保持原来大小r0。当=c时，仅有个别地点的晶界达到晶界弓出形核的能量条件（Es>2/l），极低，再结晶完成后晶粒极为粗大。>c后，随着，储存能，，再结晶晶粒随之变细。当>0时，再结晶晶粒要细与原始晶粒。适当的冷变形加再结晶是细化晶粒的有效方法之一。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－24退火温度与保温时间当变形程度和保温时间都一定时，退火温度越高，则得到的晶粒越粗大。如果在不同温度退火控制不同的保温时间，使之刚好完成再结晶后就停止退火，则所获得的晶粒大小差别不大。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－25加热温度如果退火时加热速度很慢，则变形金属在升温过程中发生回复，储存能降低，降低，故晶粒粗化；反之，若提高加热速度则可获得细的再结晶晶粒。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－26原始晶粒大小原始晶粒越细，再结晶后的晶粒大小越细小；2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－27合金元素及第二相微量的溶质或杂质固溶在纯金属中，产生一定的固溶强化效果，提高变形抗力，提高储存能，提高；同时微量溶质或杂质会降低界面能动性，从而降低晶核长大速度（）合金元素和第二相有利于再结晶晶粒的细化，固溶体合金再结晶后的晶粒比相应纯金属的细小。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－28第四节再结晶后晶粒大小正常长大 大多数晶粒长大速率相差不多，几乎同时长大（均匀长大）；异常长大（二次再结晶） 少数晶粒突发性的、不均匀地长大（非均匀长大）；说明： 一些晶粒地长大必然伴随着一些晶粒的缩小，即长大与缩小同时存在。所以晶粒长大也是由于一些晶粒缩小和消失的结果，并非指所有的晶粒都在长大。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－29正常长大主要内容：正常长大时晶界的移动晶粒长大的驱动力晶粒的稳定形状及晶粒长大过程影响晶粒正常长大的因素2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－30正常长大时晶界的移动一般规律 大晶粒吞食掉小晶粒，晶界向其曲率中心移动。这种晶界移动方向与再结晶晶核生长时界面的移动方向相反。原因 晶粒长大的驱动力与再结晶驱动力不同2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－31晶粒长大的驱动力驱动力 总的来说，晶粒长大的驱动力为：界面能的降低。晶粒长大在热力学上是一自发过程。实现方式 晶粒长大是通过晶界迁移实现的。引起晶界迁移的驱动力是界面能的降低和界面曲率的减少。P=2/γ其中P——

界面两侧的压力差（晶粒长大时晶界迁移的驱动力）；

σ——

界面张力（界面能）；

γ——

球形界面的曲率半径。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－32晶粒的稳定形状及晶粒长大过程从界面迁移的驱动力考虑 由△p＝2σ/γ知，当界面为平直状时，γ，使△p0，即界面迁移的驱动力消失，晶界变得稳定；从界面张力平衡考虑 晶界的迁移还受到三晶界处平衡时，三晶交汇处界面张力T1、T2、T3与其对应的界面夹角θ1、θ2、θ3之间满足关系式：因为T1＝T2＝T3

，所以必有θ1＝θ2＝θ3＝120°2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－33影响晶粒正常长大的因素

晶粒长大是通过晶界迁移实现的，所以凡是影响晶界移动的因素，都会影响晶粒长大。主要由以下几个因素：温度第二相粒子微量溶质或杂质晶粒间位向差2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－34反常长大定义在某些情况下，晶粒长大时只有少数几个晶粒突发性地、迅速地粗化，其他晶粒地长大速率则远远低于这些个别晶粒。这种长大过程称为反常长大或异常最大、二次再结晶。二次再结晶的驱动力：界面能的降低；二次再结晶中少数晶粒可以迅速长大的主要原因：组织中存在使大多数晶界比较稳定或被钉扎，而只有少数晶界特别自由或可动性特别大的因素。注：二次再结晶并不是重新形核的过程，而是以一次再结晶后的某些特殊晶粒为基础而长大，它是一个再特殊条件下的晶粒长大过程（某些晶粒特别长大的现象）。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－35第五节再结晶退火及其组织控制主要内容：再结晶退火的定义再结晶过程组织的控制再结晶图再结晶晶粒大小的控制再结晶织构与退火孪晶2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－36再结晶退火定义将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上温度，保温一段时间后缓慢冷却至室温的过程，称为再结晶退火。2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－37再结晶图存在两个粗晶区：临界变形度区域二次再结晶区域2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－38再结晶晶粒大小控制再结晶组织的最终性能主要取决于再结晶退火后的实际晶粒尺寸：变形再结晶是固态条件下金属细化晶粒的有效方法；影响再结晶形核与长大和再结晶完成后晶粒长大的因素，均能影响再结晶最终组织的粗细；较大的冷变形量，较低的变形温度，较细的原始组织，存在微量的溶质以及尺寸与分布合适的第二相离子，均有利于获得细的再结晶晶粒；避免在临界变形度附近冷变形，避免发生二次再结晶，否则会使晶粒粗大或粗细不均匀；2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－39再结晶织构（退火织构）再结晶过程中，若形成的再结晶晶粒具有择优取向，称其为再结晶织构。再结晶织构与冷变形金属中的变形织构有关，可能与原变形织构位向保持一致，也可能与变形织构位向不一致而两者之间有一定的取向关系；再结晶织构使材料性能出现各向异性；2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－40退火孪晶一些不易产生形变孪晶的fcc金属，经再结晶退火后会出现孪晶，称为退火孪晶；退火孪晶是在再结晶过程中因晶界迁移出现层错形成的。层错能降低、越容易出现退火孪晶；2023/2/8IntroductiontoMaterialScience第10章－41第六节金属的热加工

金属的形变过程是属于冷加工还是热加工，与其再结晶温度（T再）密切相关。热加工：在再结晶温度以上进行的变形过程；动态回复、动态再结晶：在热变形过程中同时出现的回复与再结晶；静态回复、静态再结晶：预变形的金属在加热、保温过程中发生的回复和再结晶。2023/2/8Introducti