ppt7-第七章回复和再结晶

第七章第七章回复和再结晶回复和再结晶RECOVERYANDRECRYSTALLIZATIONRECOVERYANDRECRYSTALLIZATION冷变形金属加热时组织和性能的变化冷变形金属的回复冷变形金属的再结晶再结晶后的晶粒长大再结晶织构与退火孪晶形变储能（热力学不稳定）一系列组织、性能的变化加热变化的三个阶段回复再结晶晶粒长大加热温度或保温时间7.17.1冷变形金属在加热时的组织与性能变化冷变形金属在加热时的组织与性能变化回复再结晶晶粒长大温度性能、晶粒大小及内应力内应力硬度电阻率亚晶尺寸密度储能释放冷变形金属加热时组织、性能变化示意图显微组织性能无明显变化通过形核及长大形成新的无畸变等轴晶粒，结构不变晶粒进一步长大回复再结晶晶粒长大强度大为降低，塑性大为提高，内应力完全消除，电阻率降至形变前强度略率下降，塑性略提高，内应力基本消除，电阻率明显降低强度有所降低，塑性先升后降亚结构点缺陷密度有所降低，位错密度有所降低且重新分布形成亚晶位错密度大大降低无变化7.2回复7.2.1回复动力学R=(σm-σr)/(σm-σ0)—回复率(1-R)=(σr-σ0)/(σm-σ0)—剩余加工硬化率σm—变形后的屈服强度；σr—回复后的屈服强度；σ0—完全退火态屈服强度。位错缠结形成位错胞胞内位错对消形成亚晶亚晶长大——物理、力学性能部分恢复到冷变形前状态的过程。①回复过程在加热后立刻开始，没有孕育期；②回复开始的速率很大，随着时间延长，逐渐降低，直至趋于零；③每一温度的回复程度均有一极限值，温度越高，昀终回复程度也越高，回复速度也越快；01002003004000.00.20.40.60.81.0300℃350℃400℃450℃500℃剩余加工硬化率（1-R）时间/min同一变形度的铁在不同和温度的回复动力学曲线④变形量越大，起始回复速度越快；初始晶粒尺寸减小有助于加快回复速率。对于一定的回复温度，有)/exp()1()1()1(0RTQcrrcdtrd−−=−−=−)/exp()1ln(0RTQtcr−−=−RTQt−+=ln)ln()ln(21常数常数积分，得令(1-r)=常数(回复到一定程度)，并将上式两边取对数，则即t—回复一定程度所需时间。Q—回复激活能RTQAt+=ln7.2.2回复机制a.低温回复——过量点缺陷消失：①迁移至晶界或表面②与位错交互作用③空位与间隙原子对消④聚集成片并崩塌形成位错环b.中温回复——位错滑移①相同滑移面上的异号为错对消②相邻滑移面的异号位错形成空位或间隙原子③位错偶极子对消④位错重新分布bbb偶极子(异号位错)c.高温回复(T≈0.3Tm)通过攀移形成亚晶——形成亚晶（多边形化）通过位错反应形成亚晶攀移滑移多晶体（多滑移）：胞状亚结构异号位错对消形成亚晶界（位错网络）亚晶长大滑移滑移、攀移网络合并驱动力：位错应变能的降低过程：攀移（扩散）内应力降低－弹性应变基本消除;硬度、强度下降不多－位错密度降低不明显，亚晶较细;电阻率明显下降－空位减少，位错应变能降低。降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。如冲压件、冷拉钢丝卷制的弹簧等。7.2.3回复退火的应用回复机制与性能的关系去应力退火7.3.1再结晶过程——无畸变新晶粒的形核和长大，并逐渐取代形变组织的过程。①形核②长大驱动力是形变储能而非自由能差与固态相变的主要区别无热力学平衡转变点不改变晶体结构7.3再结晶a.形核（1）晶界弓出形核根据形变量不同和材料差异，有以下形核机制。晶粒A晶粒B晶粒A晶粒B晶粒A晶粒B对于变形程度较小的金属（一般小于20%），晶粒间变形不均匀，形变储能（位错密度或亚晶尺寸）不同，再结晶晶核往往采取晶界弓出形核机制生成。设晶界由虚线位置迁移到实线位置，扫过的体积为dV，晶界面积变化为dA，晶界表面能为γ，单位体积形变储能为Es，则单位体积自由能变化为；dVdAEGs⋅+−=γΔrrdrddVdA2)3/4()4(32==ππ设弓出的晶界为球面，则rEGs/2γΔ+−=所以LErEGss//minmaxγγ22+−=+−=Δ形核的能量条件为⊿G0，即LELEss/:/γγ202+−或晶粒1（储能高）晶粒1（储能低）2LLr=min（2）亚晶合并形核对于层错能高的金属，扩展位错窄而易于束集并攀移和交滑移。某些取相差较小的亚晶界上的位错通过攀移和交滑移转移到其它亚晶界上，导致亚晶界的消失而形成亚晶间的合并，同时由于不断有位错运动到新亚晶晶界上，因而其逐渐转变为大角度晶界，该亚晶成为再结晶核心。CBAABCABC（3）亚晶长大形核对于层错能低的金属，扩展位错宽而不易于束集，因而不能通过攀移和交滑移转移。某些取向差较大的亚晶界具有较高的移动性，在加热过程中发生迁移并吸收更多的位错，并转渐变为大角度晶界，而晶界扫过区域为无畸变区域，成为再结晶核心。7.3.2再结晶动力学与回复不同，在结晶动力学曲线呈“S”形。①再结晶速度先慢后快，转变50%时达昀快，然后减慢；②有孕育期；③温度升高，再结晶速度加快。98%冷轧纯铜再结晶动力学曲线0101001000020406080100135.2℃119.0℃112.6℃102.2℃88.2℃时间/min再结晶体积分数/%再结晶动力学特点假定再结晶形核率N和长大速率G与时间无关，并均匀形核，晶核为球形，则再结晶体积分数与时间的关系为方程——Mehl-Johnson)3exp(143tNGRπϕ−−=上述的假设不易满足，为此采用下式进行描述tkBlgln-11lglnR+=ϕ或。值，截距即直线的斜率即图，确定：作均为常数，可通过实验和式中，BktkBlnln--11lglnRϕ一维生长，k=1~2；二维生长，k=2~3；三维生长，k=3~4再结晶动力学方程方程——Avrmi)exp(1kRBt−−=ϕ温度对再结晶速度的影响)/exp(/RTQAtvRR−==ϕRTQAt−′=1ln式中，Q－再结晶激活能；A－与形变储能有关的常数。令ϕR为一确定值，并对上式取对数，则发生一定量再结晶所需时间与温度的关系。利用该式可求再结晶激活能Q：作ln(1/t)-1/T图，直线的斜率即(-Q/R)值。分别在T1和T2温度进行相同程度的再结晶，则)11(2112TTRQett−−=7.3.3再结晶温度及影响因素再结晶温度——①冷变形金属发生再结晶的昀低温度。②大量冷变形金属1小时完成再结晶(95%)所需的温度。a.变形量的影响临界变形量——能够发生再结晶的昀小变形量。0204060801000246810开始再结晶温度/℃变形度/%电解铁铝(wAl=99%)形变量增加→储能高→驱动力大→再结晶温度降低。)(4.0~35.0KTTmR=经验公式b.原始晶粒尺寸原始晶粒越细①形变储能（位错密度）越高再结晶温度降低②形核位置（晶界）越多c.微量溶质（杂质）原子溶质（杂质）原子：与位错和晶界交互作用，阻碍位错的滑移和攀移及晶界的迁移，因而阻碍再结晶的形核和长大，显著提高再结晶温度。d.第二相粒子①变形时阻碍位错运动，增加形变储能(位错密度)。作用②再结晶时阻碍位错运动和晶界迁移，抑制再结晶。细小弥散的第二相粒子：阻碍位错运动和晶界迁移，抑制再结晶。粗大的第二相粒子：其周围时高位错密度的形变区，为形核提供有利位置，促进再结晶。e.再结晶退火工艺参数加热速度过慢，再结晶之前有足够时间回复，形变储能减小，再结晶驱动力降低，使再结晶温度升高；加热速度过快，因来不及形核和长大，使再结晶温度升高。在一定范围内延长保温时间会降低再结晶温度。7.3.4再结晶后的晶粒大小再结晶后晶粒直径d与形核率和长大速率的关系4/1)(NGd⋅=常数所以，影响（N/G）值的因素均影响再结晶后的晶粒大小。a.变形度的影响变形量低于临界变形度，形变储能太小，不足以驱动再结晶，只能发生回复；变形量大于临界变形度后，随形变量增加，N/G增加，再结晶后晶粒细化。原始晶粒尺寸晶粒尺寸变形量临界变形度临界变形度——能够发生再结晶的昀低变形量。再结晶刚完成时，晶粒尺寸主要取决于变形量，而与退火温度关系不大，如图所示。b.退火温度的影响α黄铜再结晶终了晶粒尺寸和变形量的关系晶粒尺寸/mm形变率%0102030400.00.10.20.30.4600℃500℃450℃400℃700℃临界变形度在相同的形变量的条件下，若给定退火时间，则晶粒尺寸随退火温度增加而增加，这是再结晶后晶粒长大的结果。随温度升高，临界变形度降低。实际生产中应避开临界变形度。一般金属的临界变形度约为2%～10%。晶粒度单位面积中的晶粒数应变%7906500481216202410010187654321低碳钢晶粒大小随变形量及退火温度的变化7007.4晶粒长大正常长大——再结晶结束后的长大过程异常长大（二次再结晶）晶粒长大的驱动力——总界面能的降低晶界迁移的驱动力——来自界面的曲率（指向曲率中心）因晶界三叉结点处界面张力平衡，所以大晶粒晶界向外凸，小晶粒晶界向内凸。故在长大过程中，大晶粒长大，小晶粒缩小，昀终消失。正常晶粒长大——大多数晶粒同时并均匀长大的过程。1.晶粒的正常长大及其影响因素通过晶界）激活能。－晶界迁移（原子扩散－晶粒平均长大速度；－晶界平均迁移率；式中，QtDm/ddRpbγ2=长大时，晶界平均迁移平均驱动力为晶界平均迁移速度为)/exp(20RTQmmdtDdRmpmvb−=≈⋅=⋅=其中，γ－晶界表面张力bγ－晶界平均曲率半径R则晶界的平均曲率半径—，令)(RDR=∫∫−=⋅−=tbDDbdtRTQmDdDDRTQmdtDd000)/exp(22)/exp(0γγ，即所以值—由此可求—，取对数，则有QRTQktDDtRTQkDD−=−−=−ln)ln()/exp(202202，则若0DD在等温时tDD⋅=−α202tD⋅=α2a.退火温度的影响)/exp(RTQ−晶粒平均长大速率与成正比，所以温度越高，晶粒长大速度越快。DRTQmdtDdbγ2)/exp(0⋅−=Cu-10%Zn合金等温晶粒长大曲线03060901201500122436486072时间/minD2t/108cm700℃650℃600℃550℃tRTQkD2)/exp(−=θrγbθγsinbγbθγsinb接触线θπcos2rl⋅=球形粒子晶界迁移方向b.分散相粒子的影响第二相粒子阻碍晶界迁移，故阻碍晶粒长大。①单个粒子的阻力：设晶粒为球形，晶界的表面张力为γb，则晶界迁移的阻力为θγπθπθγ2sincos2sin⋅=⋅=bbrrF所以brFπγ=max②单位面积晶界所受的阻力：单位面积粒子数×Fmax2rS=1设粒子的体积分数为ϕ，则单位面积上的粒子数为2323342rrr⋅=⋅⋅πϕπϕ22max2323rrrFb⋅⋅⋅=⋅⋅πϕγππϕ单位面积晶界所受昀大迁移阻力为即rfb23maxγϕ⋅=③晶粒长大的极限尺寸：第二相粒子的体积分数↑晶粒长大阻力↑第二相粒子的直径↓晶粒细化当晶界迁移的驱动力昀大阻力时，晶界停止迁移，既晶粒停止长大。=)(/2DRb即γ令，rDbb232ϕγγ=则ϕ34limrD=c.晶粒间位向差的影响小角晶界（15°）和孪晶界的迁移速度很小；大角晶界的迁移速度较大；一些特殊晶界的迁移速度昀快。d.杂质与微量合金元素的影响吸附在晶界上，与晶界产生交互作用，钉扎晶界，阻碍晶界迁移；一些特殊晶界所受影响很小。2.再结晶织构与二次再结晶再结晶织构——具有形变织构的金属，再结晶后的新晶粒通常仍具有择优取向，称为再结晶织构。①形成新的织构再结晶织构②与原形变织构相同③无织构（少见）①定向形核理论形成机制定向形核-定向生长理论②定向生长理论——一次再结晶后的晶粒长大过程中，某些晶粒吞并其他晶粒而突出长大的现象。二次再结晶织构（异常晶粒长大）①有再结晶织构原因②或第二相粒子部分溶解③或薄板样品表面形成热蚀沟对材料的影响：力学性能下降：强度、塑性和韧性降低。对硅钢片，可通过二次再结晶形成高斯织构，获得磁性材料。7.5退火孪晶——再结晶退火过程中形成的孪晶。A