第7章 回复与再结晶.ppt

1、材料科学基础,主讲教师：王亚男,2020/10/12,2,第7章 回复与再结晶,7.1 变形金属在加热时组织和性能的变化 7.2 回复 7.3 再结晶 7.4 晶粒长大 7.5 金属的热变形 小结 思考题,2020/10/12,3,回复和再结晶,金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能的升高将使其处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能会发生一系列变化。,2020/10/12,4,7.1 变形金属在加热时组织和性能的变化,分为三个阶段:

2、,回复：指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。在此阶段，组织：由于不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同，仍为纤维状或扁平状。性能：强度与塑性变化很小，内应力、电阻明显下降。,R,2020/10/12,5,7.1 变形金属在加热时组织和性能的变化,再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。在此阶段，组织：首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。性能：强度与硬度明显下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢复到变形前的程度,R,2020/10/12,6,7.1

3、变形金属在加热时组织和性能的变化,晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。在此阶段，在晶界表面能的驱动下，新晶粒相互吞食而长大，最后得到较稳定尺寸的晶粒。,R,2020/10/12,7,7.2 回复机制,1.低温回复：主要与点缺陷的迁移有关。点缺陷密度下降,2.中温回复：主要与位错的滑移有关。异号相消排列规整,3.高温回复：刃型位错产生攀移。攀移：使滑移面上不规则的位错重新分布，垂直排列成墙，降低了位错的弹性畸变能；形成沿垂直滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙，产生亚晶，即多边化结构。见图7-4 多边化的产生条件：塑性变形使晶体点阵发生弯曲；在滑移面上有塞积的同号刃型位错； 需要加热到较

4、高的温度，使位错能产生攀移运动。,2020/10/12,8,从回复机制可以理解： 回复过程中电阻率的明显下降主要是由于过量空位的减少和位错应变能的降低； 内应力的降低主要是由于晶体内弹性应变的基本消除； 硬度及强度下降不多是由于位错密度下降不多，亚晶还较细小。,2020/10/12,9,7.3 再结晶,1. 再结晶过程,冷变形后的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新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状况，这个过程称为再结晶。见图7-6,再结晶是一种形核和长大过程，即通过在变形组织的基体上产生新的无畸变再结晶晶核，并通过逐渐长大形成等轴晶粒，从而取代全部变形组织的

5、过程。,2020/10/12,10,再结晶形核机制有三种：,晶界弓出形核机制：对变形度较小的金属，多以这种方式形核。见图7.7,亚晶合并机制：在变形程度较大且具有高层错能的金属中，多以这种机制形核。见图7.8,亚晶蚕食机制：在变形度很大的低层错能金属中，多以这种机制形核。见图7.9,总之，三种形核机制都是大角度晶界的突然迁移。不同的是获得大角度晶界的途径不同,2020/10/12,11,长大 晶核形成之后，借界面的移动而向周围畸变区域长大，直到全部形成无畸变的等轴晶粒为止，再结晶即告完成。 界面迁移的推动力是无畸变的新晶粒与周围畸变的母体之间的应变能差。,2020/10/12,12,2. 再结

6、晶温度及其影响因素,再结晶温度: 冷变形金属开始进行再结晶的 最低温度称为再结晶温度。,对纯金属：T再0.4T熔（K） K 273,一般再结晶退火温度比T再要高出100200，目的：消除加工硬化现象。,如：Fe：T熔1538 T再0.4(1538273)273451.4,2020/10/12,13,T再,变形度,影响再结晶温度的因素有：,(1)变形程度：随冷变形程度增加，储能增多，再结晶的驱动力增大，再结晶容易发生，再结晶温度低。当变形量达到一定程度，T再趋于一定值，见图7-13。,2020/10/12,14,(2)原始晶粒尺寸：原始晶粒越细小，晶界越多，有利于形核；另外，晶粒越细小，变形抗力

7、越大，变形储能高，再结晶驱动力越大，容易发生再结晶，使T再降低。,(3)微量溶质原子：微量溶质原子可显著提高T再，原因是溶质原子与位错和晶界间存在着交互作用，使溶质原子在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起阻碍作用，不利于再结晶的形核和长大，阻碍再结晶过程，因而使T再提高。,2020/10/12,15,(4)第二相粒子：既可提高T再，也可降低T再。当第二相粒子尺寸和间距都较大时，变形中阻碍位错运动，提高变形储能，提高再结晶驱动力，易发生再结晶，使T再降低；当第二相粒子尺寸和间距都很小时，阻碍位错重排构成亚晶界，阻碍晶界迁移，阻碍了再结晶，使T再提高。,(5)再结晶退火工艺参数：加

8、热速度过慢或极快，均使T再升高（过慢有足够的时间回复，点阵畸变度降低，储能减小，使再结晶驱动力减小，T再升高；极快因各温度下停留时间过短而来不及形核与长大，使T再升高）。保温时间越长，T再越低。,2020/10/12,16,3. 再结晶后的晶粒大小,再结晶后的晶粒大小d取决于形核率N和长大速率G，它们之间有下列关系： d=C(G/N)1/4 C为系数 可见：N，G，d。即凡影响N、G的因素，均影响再结晶后的晶粒大小。,影响再结晶后晶粒大小的因素:,2020/10/12,17,（1）变形度：,当变形程度很小时，晶粒大小没有变化，因为变形量过小，造成的储存能不足以驱动再结晶。当变形量达到一定值时，

9、再结晶后的晶粒特别粗大，把这个变形量称为“临界变形量”，一般金属的临界变形量为210。因为金属在临界变形量下，只部分晶粒破碎，大部分晶粒未破碎，此时，晶粒不均匀程度很大，最易大晶粒吞并小晶粒，故晶粒很容易粗化。当变形量大于临界变形量之后，再结晶后晶粒细化，且变形量越大，晶粒越细化。因为变形量越大，驱动形核和长大的储存能不断增加大，且形核率增大较快，使G/N变小，因此细化。,2020/10/12,18,（2）退火温度：提高退火温度，使再结晶速度加快，晶粒长大。,（3）原始晶粒：越小，越均匀，则变形后晶粒破碎程度越均匀，再结晶后的晶粒越细。,（4）合金元素和不熔杂质：越多，会阻碍再结晶晶粒长大，则

10、再结晶晶粒越细小。,（5）加热速度：越快，再结晶温度越高，推迟再结晶形核和长大过程，所以再结晶晶粒细小。,2020/10/12,19,7.4 晶粒长大,再结晶后，再继续保温或升温，会使晶粒进一步长大。 1.晶粒的正常长大：表现为大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大。是靠晶界迁移，相互吞食而进行的，它使界面能减小，是一个自发过程。 2.晶粒的异常长大：表现为少数晶粒突发性的不均匀长大。见图7.21。是出现少数较大的晶粒优先快速成长，逐步吞食掉其周围的大量小晶粒，最后形成非常粗大的组织，使力学性能大大降低，称为二次再结晶。其驱动力来自界面能的降低。,2020/10/12,20,7.5 金属的热变形,1.

11、 冷热加工的划分,小于再结晶温度的加工称为冷加工；大于再结晶温度的加工称为热加工。,例如： （1）钨（W）在1100加工，锡（Sn）在室温下加工变形，各为何种加工？（钨的熔点为3410，锡的熔点为232） 经计算：T钨再1200，T锡再71 所以，钨为冷加工，锡为热加工。,2020/10/12,21,热加工过程中，在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。,（2）在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又向最初一样柔软，这是什么原因？（铅的熔点为327.5） 经计算：T铅再33 所以，室温下弯折属于热加工，消除了加工硬化。,2020/10/12,22,热

12、加工中回复与再结晶分为两类：一类在变形终止或中断后，保温或冷却过程中进行，称为静态回复和静态再结晶（前面讨论的属于此类）。另一类是与变形同时发生的回复与再结晶过程，称为动态回复与动态再结晶。,2. 动态回复与动态再结晶,2020/10/12,23,1.动态回复,动态回复引起的软化过程是通过刃位错的攀移、螺位错的交滑移、异号位错对消，使位错密度降低的结果。动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶，仍保持沿变形方向伸长，呈纤维状。如高层错能金属：Al、-Fe、Zr、Mo、W等。 1）应力-应变曲线：见图7.23，应力随应变增大加工硬化 稳定态。 2）动态回复机制 变形量位错增殖变形温度位错攀移交滑移脱

13、钉抵消位错密度位错增殖速率和消亡速率达到平衡。 3）动态回复时的组织结构 晶粒沿变形方向伸长呈纤维状，但内部为等轴亚晶无应变结构。,2020/10/12,24,2.动态再结晶,动态再结晶也是形核和核长大过程。动态再结晶后得到等轴晶粒组织，晶粒内部由于继续承受变形，有较高的位错密度和位错缠结存在，这种组织比静态再结晶组织有较高的强度和硬度。如低层错能金属：Cu、Ni、-Fe、不锈钢等。 1）应力-应变曲线：见图7.24，加工硬化再结晶软化硬化=软化动态平衡 。 2）动态再结晶机制 动态再结晶也是通过形核和核长大过程来完成的。 3）动态再结晶的组织结构 稳态期间，等轴晶粒，晶界呈锯齿状，晶内包含亚

14、晶。,2020/10/12,25,3.热加工对金属组织及性能的影响,(1) 热加工对室温力学性能的影响,热加工可使气孔、疏松焊合，提高致密度；,热加工可消除或减轻铸锭组织、成分不均匀性；,热加工可使粗大组织破碎并均匀分布，细化晶 粒。 所以，热加工可提高力学性能。,2020/10/12,26,(2) 热加工材料的组织特征 1) 形成“流线”，出现各向异性,夹杂物一般沿晶界分布，热加工时，晶粒变形，夹杂物也变形，晶粒发生再结晶形成等轴晶粒，而夹杂仍沿变形方向呈纤维状分布，这种夹杂的分布叫“流线”。出现流线使性能出现明显的各向异性，因此热加工时应力求使工件具有合理的流线分布。,2020/10/12,27,2) 形成“带状组织”,热加工不当，亚共析钢中的F与P会呈层状分布，在层与层之间还有一些被拉长的夹杂物，这种层状分布的组织称为“带状组织”,见图7.26。 带状组织具有严重的各向异性，使性能变坏。严重时报废，轻微时用扩散退火或正火消除。,防止方法：,不在两相区变形；,减少夹杂元素含量。,2020/10/12,28,