凝固、结晶和回复、再结晶

1、凝固、结晶和回复、再结晶,材料人考研清华辅导,崔彦发、张晓阳,凝固与结晶,崔彦发2016-6-18,1,1.1复习提要,一些基本的概念容易混淆多理解，找到其中的共同点和不同点比如微观长大方式，微观结构，宏观长大方式等等可以出的题型比较多多理解，要会推算公式计算可以有均匀形核与非均匀形核、平衡凝固、成分过冷等简答可以有偏析、铸锭组织和凝固方法观察和总结，多前后联系比如涉及形核长大的可以就会有结晶、再结晶、固态相变等，形核功、长大速率、临界形核半径；比如涉及到温度与数目/速率关系的考虑到阿伦尼乌斯公式比如固溶体长大和扩散,1.2金属结晶,定义凝固：物质由液态转变成固态的过程结晶：物质从液态（溶液或

2、熔融状态）或气态形成晶体。本质物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。结晶过程晶体形核晶体长大,1.2.1金属结晶-形核,形核的条件必要条件：过冷度大于零（T=TmTn0），即实际结晶热力学温度0.5Tm/K),多边形化：1.稳定多边形化：同号刃型位错沿滑移面上塞积而导致点阵弯曲的晶体中发生，位错发生运动和重排，形成位错壁，组成亚晶界。驱动力：应变能的下降。,2.再结晶前多边形化：在变形后具有位错胞结构的晶体中发生，变形后位错塞积在位错胞壁，加热发生多边形化的过程时引起位错的重新分布和部分消失，形成亚晶界。比较：两类多边形化的形成取决于变形程度，小变形发生稳定多边形化，大变形发生再结晶

3、前多边形化。稳定多边形化会阻碍以后的再结晶过程，再结晶前多边形化会促进再结晶过程。多边形化温度受金属纯度、层错能的影响。,：,3.回复动力学,第三节：再结晶,定义：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等轴新晶粒，性能发生明显的变化、并恢复到变形前状况的过程（脱胎换骨！）,1.再结晶过程的特征：（1）组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒。（2）力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧降低，塑性提高，恢复至变形前状态。（3）变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应力消除，位错密度降低。,注意：无晶体结构、化学成分的变化，不是相变；新晶粒长大通过短程扩散；再结晶程度依赖

4、于温度和时间,再结晶性能变化,硬度明显下降：正在消除加工硬化的影响储能释放明显提高：将释放90%的变形总储能，用于再结晶的形核与长大亚晶粒尺寸明显变大：新的晶粒替代亚晶粒电阻率持续下降：无畸变新晶粒出现，点缺陷减少,再结晶过程机制,1.晶界弓出形核（应变诱导晶界移动、凸出形核）,特点：变形程度较小时（小于20%CW），晶粒间变形不均匀、位错密度不同，相应亚晶尺寸不同；为降低系统的自由能，位错密度小的晶粒中的亚晶通过晶界凸入另外晶粒中，以吞食方式开始形成无畸变的再结晶晶核,2.亚晶转动、聚合形核,特点：变形程度较大时，或层错能较高,亚晶合并机制：层错能较高时，相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆散

5、、位错的攀移、滑移，逐渐转移到周围其它亚晶界上，导致亚晶合并；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，成为再结晶核心,3.亚晶界迁移、亚晶长大形核,亚晶迁移机制：层错能较低时，位错密度较大的亚晶界，向位向差较大的周围亚晶方向迁移，并逐渐转化为大角晶界，成为成核中心并长大,再结晶核心的长大,长大实质：具有临界曲率半径的大角界面向变形基体迁移消耗变形基体至全部消失驱动力：新晶粒与周围畸变母体之间的应变能差。低能区兼并高能区,这个长大，是指晶核的长大，即再结晶过程中的长大区别于再结晶晶粒长大，即晶核形成后的长大,第四节：晶粒长大,

6、晶粒长大：再结晶结束后，材料通常得到新的细小的无畸变的等轴晶粒，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驱动力：总晶界能的降低按特点分类：正常长大：大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大异常长大：少数晶粒突发性的不均匀长大,正常晶粒长大,定义：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。驱动力：界面能与晶界的曲率,大多数晶粒几乎同时长大，晶粒界面的不同曲率是造成界面迁移的直接原因，界面总是向曲率中心的方向移动，大晶粒吞并小晶粒,恒温下，晶粒正常长大的关系式：,正常长大影响因素,1）温度：温度影响界面迁移速度，温度越高，界面迁移速度越大，因而晶

7、粒长大速度也越快。2）时间：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。3）第二相粒子：第二相粒子对界面迁移有约束力，阻碍界面迁移、晶粒长大。粒子尺寸越小，粒子的体积分数越大，极限的平均晶粒尺寸也越小。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相互平衡，以趋向于热力稳定状态，将会通过表面原子的扩散过程形成热蚀沟。5）相邻晶粒的位向差：晶界的界面能与相邻晶粒间的位向差有关，小角度晶界的界面能小于大角度晶界，固小角度的移动速度小于后者。,反常晶粒长大（二次再结晶）,定义：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

8、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，周围小晶粒消失，全部形成粗大晶粒，过程结束。,形成反常晶粒长大或二次再结晶的基本条件：稳定基体、有利晶粒和高温加热。,再结晶退火孪晶,退火孪晶的形态：（A）晶界交角处退火孪晶；（B）贯穿晶粒的完整退火孪晶；（C）一端中止于晶内的不完整孪晶退火孪晶形成必须满足能量条件，层错能低的晶体容易形成退火孪晶,再结晶织构,具有变形织构的金属，经再结晶后的新晶粒仍具有择优取向,再结晶织构与变形织构的关系：与原有的织构相一致（类似遗传）；原有织构消失而代之以新的织构（类似变异）；原有织构消失不再产生新的织构再结晶

9、织构的形成机制定向生长理论：晶核位向各异，只有特殊位向的容易长大定向形核理论：再结晶晶核具有择优取向,制耳现象：在冲制筒形和杯形零件时，各向变形不均匀，造成薄厚不均、边缘不齐的现象。,第五节：金属的热变形,金属的热变形：金属在再结晶温度以上进行的加工、变形。热变形的实质是:变形中形变硬化和动态软化同时进行的过程，形变硬化为动态软化所抵消，因而不显示加工硬化作用。动态回复和动态再结晶：在热变过程中，与形变硬化同时发生的回复、再结晶过程。,1.动态回复：（层错能高的金属）动态回复是其软化的主要方式其热变形中的应力-应变曲线有三个阶段：第一阶段为微应变阶段，应变量约为0.1%0.2%，曲线急剧上升；

10、第二阶段是最小流变应力T之后的流变阶段，有加工硬化，加工硬化率逐渐降低；第三阶段为稳态流变阶段，应力-应变曲线为水平线，此时，加工硬化实际速率为零。,2.动态再结晶：对具有低层错能的材料如铜及其合金、镍和镍合金，金和钯及其合金，奥氏体钢及奥氏体合金，不易发生交滑移和动态回复，此时，动态再结晶成为动态软化的主要方式。热变形中发生动态再结晶的应力-应变曲线形状取决于应变速率。,动态再结晶是生核与核心长大的过程。其生核机制是大角界面的迁移过程。动态再结晶具有反复形核，有限长大的特点。动态再结晶后得到等轴晶粒组织，因反复再结晶，晶粒较为细小，晶粒大小决定于应变速率和变形温度。这种组织比静态再结晶组织有较高的强度和硬度。,3.亚动态再结晶热变形停止后，继续进行的动态再结晶过程。,4.热变形引起组织、性能的变化,1）改善铸造状态的组织缺陷2）热变形