chap5-2 Materials Deation.ppt

1、材料物理（材料科学基础）,物理科学与技术学院 李强 2007.1st Term,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,材料冷加工过程中，材料产生塑性变形，材料中的位错密度升高，产生大量的残余应力，系统处于高自由能状态，所以体系将会自发地朝低能量状态转变。 当将材料放置足够长的时间，材料将有足够的时间完成向低能量状态的转变；或者将材料在较高的温度下保温，由于原子的热运动能力提高，这种自发转变的过程会大大加快。（所以这种自发转变是一个动力学过程，其与时间和温度都有关系。） 根据材料的组织结构和性能变化的特点，可将转变过程分为三个阶段：回复，再结晶和晶粒长大

2、。,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,冷变形材料的回复、再结晶和晶粒长大过程及其相应的组织结构和性能变化示意图,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,1、 回复阶段：,回复阶段材料的性能变化：,显微组织结构以及亚晶粒的尺寸和分布变化不大； 硬度、强度和韧性变化不大； 电阻率有明显下降，密度有所提高； 点缺陷大量减少，内应力大部分被松弛。,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,1、 回复阶段：,微观机理：,回复阶段，由于温度较低，原子的扩散能力有限，大部分位错无法移动

3、，所以材料的显微组织(晶粒的性质和大小)以及亚结构无明显变化。 但由于点缺陷运动所需的扩散激活能较小，所以相对多的点缺陷迁移到附近的位错中、晶体表面或晶界，或与间隙原子复合而消失。此外，应力集中位置区域的位错，即使在较低的温度下也会发生移动，从而使材料中的内应力被大量松弛。,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,1、 回复阶段：,回复在工业中的应用：,回复阶段，材料在加工硬化时获得的高硬度和强度下降很少，但内应力被大量消除。 使材料经历回复阶段来消除内应力的工艺，称为去应力退火。,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和

4、再结晶,2、 再结晶：,再结晶阶段材料的性能变化：,形成均匀、细小、无畸变的等轴晶粒； 位错密度大大减少，密度升高 。 硬度和强度减小，塑性和韧性提高。,当达到一定温度之后, 原子获得足够的能量, 此时材料的显微组织将发生明显的变化, 拉长的晶粒会变成均匀、细小、无畸变的等轴晶粒, 这一过程称为再结晶。,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,2、 再结晶：,再结晶的微观机制：,形核：通常发生在畸变严重，位错密集的地方，(这些地方形核驱动力最大)，如晶界，亚晶界，滑移带等地方。 长大：形核后产生无应变的晶核,而其周围是具有高位错密度的晶粒,这些晶粒中的原

5、子将向晶核中扩散, 使晶核向周围长大。,再结晶过程包括形核和长大。,John-Mehl公式：,再结晶体积分数,G：晶核长大速度,由于形核速率和生长速度都与时间有关, 所以R又经常表示为:,(Avrami方程),Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,2、 再结晶：,再结晶温度及影响因素：,再结晶温度TR 再结晶可以在一定的温度和时间范围内进行，为了便于讨论和比较不同材料再结晶的难易，通常会用一个温度来表示材料的再结晶能力，这个温度称为再结晶温度TR。 在工业上，通常将经过大形变量(70%)的冷变形材料经过1hr保温后，再结晶能完成95%所对应的温度，称为

6、该材料的再结晶温度TR。 对于纯金属，一般TR = 0.35 0.45 Tm (K),Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,2、 再结晶：,影响再结晶温度TR的因素：,变形程度的影响：,变形程度,再结晶驱动力,但当变形量大到一定程度, TR 趋于稳定。,TR,在某个给定的温度下，发生再结晶需要一个最小的变形量。,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,2、 再结晶：,影响再结晶温度TR的因素：,原始晶粒尺寸的影响：,原始晶粒尺寸,变形抵抗力,此外，, TR,冷变形储存的能量,原始晶粒尺寸,晶界数量, TR,微量溶

7、质原子(间隙式或置换式)的影响：,溶质原子倾向于聚集在缺陷和位错处，这对再结晶的形核和长大都是不利的，,所以 TR ,第二相颗粒的影响：,聚合型合金：第二相粒子的存在有利于再结晶的形核 TR,弥散型合金：类似溶质原子的影响 TR ,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,2、 再结晶：,再结晶完成后晶粒的大小：,再结晶完成后，位错密度较小的无畸变晶粒取代了位错密度很高的冷变形晶粒。由于晶粒的大小对材料的性能影响很大，所以这里我们将要分析影响再结晶完成后晶粒大小的因素，来指导如何通过调整再结晶退火参数获得希望的晶粒尺寸。,再结晶完成后的晶粒尺寸,Xinji

8、ang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,2、 再结晶：,影响再结晶完成后晶粒尺寸大小的因素：,形变量的影响：,变形量,再结晶驱动力, d,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,2、 再结晶：,影响再结晶完成后晶粒尺寸大小的因素：,退火温度的影响：,退火温度T,d ,但总的来说d 对退火温度不是太敏感,综合考虑退火温度以及形变量对晶粒度的影响，可用再结晶图(三维立体图)来反映。,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,3、 晶粒长大：,晶粒长大的驱动力：,晶粒尺寸,再结晶完成后形成细小

9、的等轴晶粒，如果继续提高温度或延长加热时间，则将引起晶粒的进一步长大。,晶界面积,体系的能量,晶粒长大的驱动力来自体系将自发地减小晶界面积。,通常晶粒长大的过程是通过晶界推移，大晶粒吃掉小晶粒。,Xinjiang University,2020/8/3,5.3 回复和再结晶,3、 晶粒长大：,正常晶粒长大和异常晶粒长大：,如果再结晶完成后，晶粒的尺寸分布比较均匀，则晶粒的长大速度差别不大，这称为正常晶粒长大。,如果材料的塑性变形不均匀，这使得再结晶后形成的晶粒尺寸分布不均匀。在晶粒长大阶段，少量的大晶粒优先生长，从而形成异常粗大的晶粒，这称为异常晶粒长大（也叫二次再结晶）。,Xinjiang University,2020/8/3,对于正常晶粒长大，如果晶粒的长大是受扩散过程控制，则平均晶粒尺寸d 满足：,5.3 回复和再结晶,3、 晶粒长大：,正常晶粒长大动力学：,（D为扩散系数）,则：,(k是与D、晶格常数等有关的常数),如果考虑其它因素对晶粒长大的影响，则更一般的：,影响k (晶粒长大速度) 的因素：,退火温度：,T, D, k，即晶粒生长的速度越快,弥散的第二相颗粒：,它将阻碍晶界的推移，从而减慢了晶粒的生长速度。,Xinjiang University,2020/8/3,5.4 热变形,在再结晶温度以下进行加工，称为冷加工(冷变形