第七章-金属及合金的回复与再结晶-3

1第七章金属及合金的回复与再结晶第一节形变金属与合金在退火过程中的变化第二节回复第三节再结晶第四节晶粒长大第五节金属的热加工2塑性变形功形变金属在退火过程中发生的现象热能（大部分）畸变能弹性应变能（3-12%）储存能（小部分）空位能位错能（80-90%）塑性变形后的金属材料的自由能升高在热力学上处于不稳定状态有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势常温下原子活动能力小不能发生明显的变化提高温度就能实现恢复低能状态退火回复再结晶晶粒长大金属发生塑性变形时，外力所做的功，大部分转化为热能，小部分（变形功的10％）保留在金属内部，变为残留应力。3黄铜形变金属在退火过程中发生的现象回复:再结晶:晶粒长大: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；出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；再结晶结束之后晶粒的继续长大现象。4§7-1形变金属在退火过程中的变化一、显微组织的变化二、储存能及内应力的变化三、力学性能的变化5晶粒保持纤维状或扁平状，显微组织上几乎不变化一、显微组织的变化§7-1形变金属在退火过程中的变化回复阶段：再结晶阶段：在变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒；随时间的延长新晶粒不断出现并长大，直到完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒。新晶粒互相吞食长大，得到稳定的尺寸。晶粒长大阶段:黄铜黄铜退火过程中各个阶段的金相照片冷变形量为38％的组织580ºC保温3秒后的组织580ºC保温4秒后的组织580ºC保温8秒后的组织580ºC保温15分后的组织700ºC保温10分后的组织7二、储存能及内应力的变化再结晶再结晶再结晶123图7-2退火过程中的能量释放1-纯金属2-不纯金属3-合金能量的释放温度§7-1形变金属在退火过程中的变化内应力得以松弛；储存能的释放原子活动能力提高，迁移至平衡位置第一批再结晶晶粒出现的温度几乎全部被消除储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分变形功剩余内应力可完全被消除第一类（宏观）内应力第二类（微观）内应力、第三类内应力（点阵畸变）部分消除回复阶段：再结晶阶段：8回复阶段：硬度略有下降，塑性有所提高位错密度减少有限再结晶阶段：强度硬度显著降低塑性大大提高位错密度显著下降三、力学性能的变化§7-1形变金属在退火过程中的变化冷塑性变形加工硬化退火软化9§7-2回复——退火的早期阶段一、退火温度和时间对回复过程的影响二、回复机制三、亚结构的变化四、回复退火的应用冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。定义10一、退火温度和时间对回复过程的影响图7-4纯铁的屈服强度的回复动力学曲线§7-2回复温度越高，回复的程度越大时间越长，回复的程度越大对应每一个温度，存在一个回复程度的极限值，温度越高，极限值越高，到达极限值的时间越短初期变化较大，随后减慢到达极限值后，回复停止11再结晶再结晶再结晶12图7-2退火过程中的能量释放1-纯金属2-合金能量的释放温度一、退火温度和时间对回复过程的影响§7-2回复回复：原子迁移扩散过程,晶体缺陷数量的减少;储存能下降。纯金属和合金在回复阶段储存能的释放程度不同。合金在回复阶段释放储存能的70%，大大降低随后的再结晶的驱动力。合金元素及杂质能够显著推迟金属的再结晶过程。第一批再结晶晶粒出现的温度12低温回复：主要涉及空位的运动，使空位密度大大下降。二、回复机制§7-2回复回复的微观行为：是空位和位错在退火过程中发生运动，从而改变其数量和组态的过程力学性能对空位不敏感，其值不出现变化中温回复：主要涉及位错的运动（滑移）。位错密度下降，位错缠结重新排列使亚晶规整化高温回复：主要涉及位错运动（滑移+攀移）。多边化：冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。驱动力：储存能的降低13二、回复机制多边化：冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。14多边化使应变能降低二、回复机制§7-2回复上下相邻的同号刃型位错之间的区域内上面位错的拉应变场正好与下面位错的压应变场相叠加，互相部分抵消冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积它们的应变能是相加的，致使晶格弯曲高温回复过程中，多边化降低系统的应变能15§7-3再结晶一、再结晶晶核的形成与长大二、再结晶温度及其影响因素三、再结晶晶粒长大的控制16定义：冷塑性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的过程。§7-3再结晶驱动力:冷变形时所产生的储存能的降低17注意：再结晶和同素异构转变的异同点再结晶无晶格类型的变化；不是相变同素异构转变有晶格类型的变化；固态相变§7-3再结晶再结晶晶核的形成位置：塑性变形引起的最大畸变处再结晶晶核的形成必要条件：回复阶段的多边化过程再结晶和结晶的异同点？形核+长大相同点：18（一）形核一、再结晶晶核的形成与长大（1）亚晶合并形核（图7-10a）亚晶合并形核机制1.亚晶长大形核机制（变形度较大时）ABC合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶晶核相邻亚晶界上的位错运动转移到周围的晶界或亚晶界上，使原来的亚晶界消失通过原子扩散和位置的调整使两个或更多的亚晶粒的取向变为一致19亚晶界移动形核机制一、再结晶晶核的形成与长大(2)亚晶界移动形核（图7-10b）（一）形核再结晶晶核1.亚晶长大形核机制（变形度较大时）位错密度很高的亚晶界的移动吞并相邻变形基体和亚晶亚晶长大形核机制的特点：消耗周围的高能区变形度高能区再结晶晶核202.晶界凸（弓）出形核机制（变形度较小（40%））一、再结晶晶核的形成与长大晶界凸（弓）出形核机制（一）形核被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体晶界中的某一段向亚晶粒细小、位错密度高的一侧凸出21(二）长大一、再结晶晶核的形成与长大再结晶过程刚刚完成时的晶粒大小。再结晶初始晶粒：无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差。界面总是向畸变区域推进。界面移动的方向总是背离其曲率中心。长大规律：驱动力：系统自由能的降低(储存能的释放)亚晶合并形核机制亚晶界移动形核机制晶界凸形核机制22T再、T熔均以热力学温度表示二、再结晶温度及其影响因素再结晶温度：经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成再结晶（95%转变量）的温度。不是一个物理常数T再≈δT熔金属最低再结晶温度与其熔点之间存在的经验公式δ：0.35-0.4工业纯金属δ：0.25-0.35高纯金属变形程度、材料纯度、退火时间等因素的影响，较大范围内变化实际的再结晶温度=最低再结晶温度+（100~200)ºC23二、再结晶温度的影响因素1.变形程度变形度大储存能越多，再结晶驱动力大，再结晶温度越低。变形度很小，再结晶温度趋于熔点2.金属纯度金属的纯度越高，再结晶温度越低3.加热速度缓慢，则变形金属在加热过程中有足够的时间进行回复，使储存能减少，再结晶驱动力降低，提高再结晶温度；4.保温时间极快，也使再结晶温度升高。这是由于再结晶形核与长大都需要时间，加热速度过快，来不及进行形核与长大，所以推迟到更高的温度才会发生再结晶。在一定范围内，增加保温时间，有利于降低再结晶温度§7-3再结晶再结晶再结晶12温度再结晶自学2441)(NGkd三、再结晶晶粒大小的控制KGN再结晶晶粒的平均直径长大线速度形核率比例常数NGd1.变形度临界变形度临界变形度：对应于得到特别粗大晶粒的变形度临界变形度晶粒尺寸为原始晶粒尺寸晶粒特别粗大=临界变形度随变形度增加，晶粒逐渐细化变形度25三、再结晶晶粒大小的控制3.原始晶粒尺寸当变形度一定时，原始晶粒越细，d越小。4.合金元素及杂质一般都能起细化再结晶晶粒的作用。2.再结晶退火温度T升高，回复的程度越大，储存能少，使晶粒粗化。自学26§7-4晶粒长大一、晶粒的正常长大二、晶粒的反常长大三、再结晶退火后的组织再结晶结束后，若继续升温或延长保温时间，晶粒之间互相吞并而长大过程。晶粒的正常长大晶粒的反常长大长大特征晶粒长大：晶粒均匀连续地长大：晶粒不均匀不连续地长大27晶粒细，晶界多，界面能高；晶粒粗，晶界少，界面能低。由细到粗（晶粒长大），高能向低能，自发过程。驱动力与界面能成正比，与曲率半径成反比一、晶粒的正常长大§7-4晶粒长大总的界面能的降低（一）驱动力：曲率半径曲率＝角度/弧度dsdkddsk1晶界的界面能越大，曲率半径越小（或曲率越大）,驱动力越大晶粒长大前后总的界面能差有曲率，有驱动力28再结晶晶核长大时晶界的移动方向背离曲率中心一、晶粒的正常长大亚晶合并形核机制亚晶界移动形核机制晶界凸形核机制晶界的移动方向：朝向曲率中心方向晶粒正常长大的规律弯曲晶界趋向于平直，降低表面能29晶粒稳定形状的两个必要条件1）所有晶界都是直线2）晶界间夹角为120°一、晶粒的正常长大（二）晶粒的稳定形状二维坐标中，晶粒边数为6，夹角为120°的晶粒处于平衡状态。边数少于6的晶粒，将逐步缩小边数大于6的晶粒，将逐渐长大晶粒的稳定形状二维晶粒的稳定形状30(a)10min(b)20min(c)30min(d)60min喷射沉积7075+3.0%Al2O3铝合金在600℃保温不同时间的组织31（1）温度（2）杂质与合金元素（3）第二相质点（4）相邻晶粒的位向差晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关，小角度晶界界面能低，界面移动的驱动力小，晶界移动速度低大角度晶界界面能高，界面移动的驱动力大，晶界移动速度高一、晶粒的正常长大§7-4晶粒长大（三）影响晶粒长大的因素32二、晶粒的反常长大§7-4晶粒长大二次再结晶少数晶粒逐步吞食周围大量小晶粒，其尺寸超过原始晶粒的几十倍或上百倍的晶粒长大过程特殊条件下的晶粒长大过程晶粒异常长大过程示意图33§7-5金属的热加工一、金属的热加工与冷加工二、动态回复和动态再结晶三、热加工后的组织与性能34一、金属的热加工与冷加工热加工：在再结晶温度以上的加工过程冷加工：在再结晶温度以下的加工过程钨的最低再结晶温度约为1200℃，所以钨即使在稍低于1200℃的高温下塑性变形仍属于冷加工；锡的最低再结晶温度约为-7℃，所以锡即使在室温下塑性变形也属于热加工。冷塑性变形（冷加工）加工硬化退火时发生回复和再结晶（软化）热加工：在再结晶温度以上的加工过程硬化、软化两个过程同时存在35二、动态回复和动态再结晶静态回复和再结晶：静止状态下发生的回复和再结晶（1）形变中断或终止后的保温过程中发生的回复和再结晶。（2）形变中断或终止后的冷却过程中发生的回复和再结晶。（利用加工余热进行退火；冷加工以后发生的回复和再结晶）动态回复和动态再结晶：加工过程中发生的回复和再结晶；与变形同时进行的回复和再结晶（热加工过程中进行的回复与再结晶）P209图7-26动、静态再结晶的示意图36二、动态回复和动态再结晶1热加工的真应力—真应变曲线-1ⅢⅠⅡ真应变真应力图7-27在热加工温度发生动态回复时的真应力—真应变曲线特征Ⅰ：应力随应变增大Ⅱ：均匀塑性变形，发生加工硬化Ⅲ：稳定状态，加工硬化为零亚结构的变化（位错密度）Ⅰ：位错密度增加Ⅱ：位错密度继续增加，出现位错缠结形成胞状亚结构，引起回复发生Ⅲ：位错密增加率与消失率相等，形成等轴状亚晶没有发生动态再结晶应力-应变的变化规律37二、动态回复和动态再结晶图7-28在热加工温度发生动态再结晶时的真应力—真应变曲线特征真应变真应力高应变速率低应变速率热加工的真应力—真应变曲线-2Ⅰ：Ⅱ：Ⅲ：应力随应变不断增大应力达到峰值后下降应力最后稳定状态Ⅰ：硬化占主导作用，发生部分再结晶Ⅱ：软化作用逐渐加强，超过硬化作用Ⅲ：硬化与软化作用达到动态平衡Ⅲ：曲线呈波浪形硬化—软化—硬化—软化应力-应变的变化规律硬化-软化规律38第七章金属及合金的回复与再结晶第一节形变金属在退火过程中的变化第二节回复第三节再结晶第四节晶粒长大第五节金属的热加工