材料科学基础4-回复再结晶

第九章回复、再结晶与热加工§1变形金属加热时组织性能变化的特点§2回复§3再结晶§4晶粒长大§5金属的热加工§6超塑性§1变形金属加热时组织性能变化的特点储能是促使冷变形金属发生变化的驱动力。观察冷变形金属加热时的变化，从储能释放及组织结构和性能的变化来分析，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。一、变形金属加热时显微组织的变化二、变形金属加热时储能的释放A:纯金属B：不纯的金属C：合金三、变形金属加热时性能的变化§2回复一、回复动力学1．回复动力学曲线回复动力学特点：（1）回复过程没有孕育期，随着退火的开始进行,发生软化。（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，以后逐渐变慢，直到最后回复速率为零。（3）每一温度的回复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高,而达到此极限所需时间则越短（4）回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。2．回复动力学方程设P为冷变形后在回复阶段发生变化的某种性能，如临界切应力，P0为变形前该性能的值，ΔP=P-P0为加工硬化造成的该性能的增量，与晶体中晶体缺陷的体积浓度CP成正比。P-P0=ΔP=KCP（1）将（1）式对时间t求导，得出CP与P随时间的变化率为：(2)缺陷的变化是一个热激活的过程，设激活能为Q，仿照化学动力学的方法，对一级反应，反应速度与浓度的一次方成比例dtdCKdtPPdP)(0RTQCAdtdCPPexp则（2）式变为：将（1）式代入：RTQAKcdtPPdPexp)(0RTQAKPPKdtPPdexp)(00（3）积分得：（4）由（4）式得出：回复阶段性能随时间而衰减，服从指数规律。dtRTQAPPPPdexp)(00CtRTQAPPexp)ln(0如果采用两个不同的温度将同一冷变形金属的性能回复到同样的程度，则2211expexptRTQAtRTQA12111221expexpTTReRTRTtt回复动力学方程例：已知锌单晶的回复激活能Q=20000cal/mol，在0℃回复到残留75%的加工硬化需5min，请问在27℃和-50℃回复到同样程度需多长时间？解：（min）min≈13（天）测量出几个不同温度下回复到相同P值所需的时间，利用（4）式并取对数，得到：从关系可求出激活能，利用Q以推断可能的回复机制。1850052231273131.818.4200002et185.053001273131.818.4200001etRTQt常数lnTt1ln二、回复机制一般认为是点缺陷和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的组态和分布。1.低温回复：回复的机制主要是过剩空位的消失，趋向于平衡空位浓度。2.中温回复：其主要机制是位错滑移导致位错重新组合；异号位错会聚而互相抵消以及亚晶粒长大。3.高温回复：回复机制是包括攀移在内的位错运动和多边化，以及亚晶粒合并。三、回复退火的应用主要用作去应力退火，使冷加工金属在基本上保持加工硬化的状态下降低其内应力，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高耐蚀性。§3再结晶冷变形后的金属加热到一定温度后，在原来的变形组织中产生无畸变的新晶粒，而且性能恢复到变形以前的完全软化状态，这个过程称为再结晶。其驱动力为冷变形时所产生的储能。一、再结晶的形核与长大1．形核1).亚晶粒粗化的形核机制一般发生在冷变形度大时A.亚晶合并形核，适于高层错能金属。再结晶的形核亚晶粒粗化的形核之----B.亚晶粒长大形核适于低层错能金属，通过亚晶合并和亚晶长大，使亚晶界与基体间的取向差增大，直至形成大角度晶界，便成为再结晶的核心再结晶的形核----（2）原有晶界弓出的形核机制一般发生在形变较小的金属中，变形不均匀，位错密度不同2．再结晶的长大形核之后，无畸变核心与周围畸变的旧晶粒之间的应变能差是核心长大的驱动力，当各个新晶粒彼此接触，原来变形的旧晶粒全部消失时，再结晶过程即告完成。二、再结晶动力学1．恒温动力学曲线冷轧60%的含Si3.25钢的等温再结晶曲线再结晶恒温动力学曲线特点（1）具有S形特征，存在孕育期（2）再结晶速率开始时很小，然后逐渐加快，再结晶体积分数约为0.5时，速度达到最大值，随后逐渐减慢（3）温度越高，转变速度越快。再结晶恒温动力学方程2．Johnson-Mehl（约翰逊—梅厄）方程Φ=1-exp（-πG3N’4/3）Φ：已再结晶体积分数N’：形核速度G：长大速度τ:退火保温时间3．Avrami（阿弗瑞米）方程：Φ=1-exp（-ktn）Φ：已再结晶体积分数k,n：系数t：退火保温时间阿弗瑞米方程较约翰逊—梅厄方程更为适用。三、影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素通常把再结晶温度定义为经过严重冷变形的金属（ε70%），加热1小时，再结晶体积占到总体积的95%的温度。另外，有的文献把保温30-60min，开始发生再结晶或完成50%再结晶的温度定义为再结晶温度，因此，引用再结晶温度时，必须注意它的具体条件。对于工业纯金属，其起始再结晶温度与熔点之间存在下列关系：T再=（0.3-0.4）T熔1．退火温度影响形核和长大N’=N0exp（-QN/RT），G=G0exp（-QG/RT）N0、G0：常数QN、QG：形核激活能和长大激活能升高退火温度，将显著提高形核率和G，再结晶速度加快。影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之2．变形程度：变形程度增高，再结晶速度加快，再结晶温度降低，并逐步趋于一稳定值。例1：纯Zr当面积缩减13%时，557℃完成等温再结晶需40h当面积缩减51%时，557℃完成等温再结晶需16h：例2影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之3．微量溶质原子或杂质：微量溶质原子或杂质提高金属的再结晶温度，降低再结晶速度材料50%再结晶的温度（℃）备注光谱纯铜140Cu的原子半径为1.28Å光谱纯铜加入0.01%Ag205Ag的原子半径为1.44Å光谱纯铜加入0.01%Cd305Cd原子半径为1.52Å影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之4．第二相：第二相可能促进，也可能阻碍再结晶，主要取决于基体上第二相粒子的大小及其分布。设粒子间距为λ，粒子直径为di：λ≥1μm，di≥0.3μm第二相粒子降低再结晶温度，提高再结晶速度λ1μm，di≤0.3μm第二相粒子提高再结晶温度，降低再结晶速度合金λ（μm）di对再结晶的影响Cu+B4C52μm促进Cu+Al2O32.5300Å阻碍Cu+Co+SiO20.5-1.0μm800Å阻碍影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之5．原始晶粒原始晶粒细小使再结晶速度增加，再结晶温度降低。6．加热速度极快的加热或加热速度过于缓慢时，再结晶速度降低，再结晶温度上升。7．加热时间在一定范围内延长加热时间会降低再结晶温度例：纯Al的加热时间与再结晶温度的关系：加热时间14天40小时6小时1分钟5秒T再℃254060100150四、再结晶后晶粒大小的控制再结晶后晶粒尺寸d与G和之间存在下列关系：d=常数×（G/N’）1/4）上式表明：增大形核率或减小长大速率G可以得到细的再结晶晶粒1．变形程度对应于再结晶后得到特别粗大晶粒的变形程度称为“临界变形度”，一般为2-10%，当变形量超过临界变形度以后，随变形度增加，再结晶晶粒变细。四、再结晶后晶粒大小的控制之2．原始晶粒大小原始晶粒越细，再结晶后晶粒越细。四、再结晶后晶粒大小的控制之---3．退火温度当变形程度和保温时间一定时，退火温度越高，所得到的晶粒越粗大。如图，H68合金随终轧温度由a至d的的提高，再结晶晶粒越大四、再结晶后晶粒大小的控制之4.加热速度加热速度很慢将使晶粒粗化5．合金元素及第二相在其他条件相同的情况下，凡延缓再结晶及阻碍晶粒长大的合金元素或杂质均使金属再结晶后得到细晶粒组织。五、再结晶全图将变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系（保温时间一定）表示在一个立体图上，就构成了“再结晶全图”。六、再结晶织构1．定义：冷变形金属在再结晶过程中形成的织构。六、再结晶织构对性能的影响六、再结晶织构---2．形成理论定向生长理论---取向有利的晶核，其晶界可获得最快的移动速率，（FCC中，两个晶粒最佳取向差为30°~40°时，晶界的移动速率最快，如图），较合理定向成核理论---再结晶有形核过程，母体有织构，再结晶后的晶体也会形成新的织构。七、退火孪晶。面心立方金属和合金（如铜、黄铜、不锈钢等）经加工及再结晶退火后，经常在再结晶退火组织中发现孪晶。。退火孪晶是由于新晶粒界面在推进过程中由于某些原因（如热应力等）而出现堆垛层错而造成的。{111}面ABCABCBACBACBABCABCABC孪晶带七、退火孪晶退火孪晶的形成与层错能有关。Cu和奥氏体钢的层错能低，易形成孪晶。§4晶粒长大晶粒长大的驱动力是晶界能的下降,即长大前后的界面能差值。一、晶粒的正常长大1.定义：指晶体中有许多晶粒获得长大条件，晶粒的长大是连续地，均匀地进行，晶粒长大过程中晶粒的尺寸是比较均匀的，晶粒平均尺寸的增大也是连续的。2.晶粒长大的方式（1）弯曲的晶界总是趋向于平直化，即向曲率中心移动以减少界面积，同时，大角度晶界的迁移率总是大于小角度晶界的迁移率。当晶界为三维空间的任意曲面时，作用在单位界面上的力P为：P=σ（1/R1+1/R2）晶粒长大---晶粒长大的方式P：晶界迁移的驱动力，σ：晶界单位面积的界面能R1、R2：曲面的两个主曲率半径如果空间曲面为球面时，R1=R2P=2σ/R，即：晶界迁移的驱动力与其曲率半径R成反比，与界面能成正比。晶粒长大---晶粒长大的方式（2）晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动，力图使三个夹角都等于120o。当界面张力平衡时：因为大角度晶界TA=TB=TC，而A+B+C=360o∴A=B=C=120oCTBTATCBAsinsinsin晶粒长大---晶粒长大的方式（3）在二维坐标中，晶界边数少于6的晶粒，其晶界向外凸出，必然逐渐缩小，甚至消失，而边数大于6的晶粒，晶界向内凹进，逐渐长大，当晶粒的边数为6时，处于稳定状态。在三维坐标中，晶粒长大最后稳定的形状是正十四面体。晶粒长大---3．影响晶粒长大（即晶界迁移率）的因素（1）温度温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大G=G0exp（-QG/RT）G：晶界迁移速度G0：常数QG：晶界迁移的激活能（2）第二相晶粒长大的极限半径R=kr/fK：常数r：第二相质点半径f：第二相的体积分数∴第二相质点的数量越多，颗粒越小，则阻碍晶粒长大的能力越强。（3）可溶解的杂质或合金元素阻碍晶界迁移，特别是晶界偏聚现象显著的元素，其阻碍作用更大。但当温度很高时，晶界偏聚可能消失，其阻碍作用减弱甚至消失。晶粒长大---晶粒长大极限半径公式的推导设第二相颗粒为球形，对晶界的阻力为F，与驱动力平衡F=σ.2πrcosφcos（90°-β）=2πrσcosφcos（α-φ）(1)α角只取决于第二相颗粒与晶粒间的表面张力，可看作恒定值，F，σ的分量晶粒长大极限半径公式的推导-----现将（1）式对φ求极大值，令dF/dφ=0，可得：Fmax=πrσ（1+cosα）（2）假设在单位面积的晶界面上有NS个第二相颗粒，其半径都为r，则总阻力F总=NSπrσ（1+cosα）（3）设单位体积中有NV个质点，其体积分数为f，f=（4π/3）r3NV/1=（4π/3）r3NV故，NV=3f/（4πr3）（4）晶粒长大极限半径公式的推导-----取单位晶界面积两侧厚度皆为r的正方体，所有中心位于这个1×1×2r体积内半径为r的第二相颗粒，都将与这部分晶界交截，单位面积晶界将与1×1×2r×NV个晶粒交截。∴NS=2rNV（5）将（4）、（5）式代入（3）式，有F总=[3fσ（1+cosα）]/（2r）（6）这个总阻力与晶界驱动力2σ/R平衡∴2σ/R=[3fσ（1+