回复与再结晶

第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化一回复与再结晶回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。第八章第一节加热时的变化第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化二显微组织变化（示意图）回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。第八章第一节加热时的变化第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化二显微组织变化（示意图）第八章第一节加热时的变化SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化三性能变化1力学性能（示意图）回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降,塑性继续提高，粗化严重时下降。2物理性能密度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。第八章第一节加热时的变化第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化三性能变化第八章第一节加热时的变化SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化四储存能变化（示意图）1储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％）变形功。弹性应变能（3～12％）2存在形式位错（80～90％）驱动力点缺陷3储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。第八章第一节加热时的变化回复再结晶第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化五内应力变化回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力；再结晶阶段：内应力可完全消除。第八章第一节加热时的变化第二节回复一回复动力学（示意图）1加工硬化残留率与退火温度和时间的关系ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT)x0–原始加工硬化残留率；x－退火时加工硬化残留率；c0－比例常数；t－加热时间；T－加热温度。第八章第二节回复第二节回复一回复动力学（示意图）2动力学曲线特点（1）没有孕育期；（2）开始变化快，随后变慢；（3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。第八章第二节回复第二节回复二回复机理1低温回复（0.1－0.3Tm）移至晶界、位错处点缺陷运动空位＋间隙原子消失缺陷密度降低空位聚集（空位群、对）第八章第二节回复第二节回复二回复机理2中温回复（0.3－0.5Tm）异号位错相遇而抵销位错滑移位错密度降低位错缠结重新排列第八章第二节回复第二节回复二回复机理3高温回复（0.5Tm）位错攀移（＋滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚晶粒）弹性畸变能降低。第八章第二节回复第二节回复二回复机理第八章第二节回复SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E第二节回复三回复退火的应用1回复机制与性能的关系内应力降低: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。2去应力退火降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。第八章第二节回复第三节再结晶一再结晶的形核与长大1形核a.亚晶长大形核机制（变形量较大时）亚晶合并形核亚晶界移动(长大)形核(亚晶蚕食)b.凸出形核（变形量较小时,20%）晶核伸向小位错胞晶粒(畸变能较高区域)内.第八章第三节再结晶第三节再结晶一再结晶的形核与长大1形核a亚晶长大第八章第三节再结晶亚晶合并亚晶蚕食第三节再结晶一再结晶的形核与长大b晶界凸出形核晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向.第八章第三节再结晶1．小变形量的弓出形核机制当变形量较小时，由于变形不均匀，相邻晶粒的位错密度相差可以很大，此时晶界中的一小段会向位错密度高的一侧突然弓出，如图。晶界弓出部分是原晶界的一小段，两端被钉锚住，如图b.此晶界由Ⅱ位置移动到Ⅰ位置，扫掠出来的体积为dV,表面积增加dA。假定扫掠过后的小区域储存能全部释放。该区域就可成为再结晶核心。弓出形核单位体积自由能的变化为式中Es为两侧单位体积的储存能之差，是驱动力，阻力是晶界能的增加。当部分晶界弓出一球表面时，则1．小变形量的弓出形核机制代人前式，并令△G＜0得到由图7b可见R=L/sinα,当α＝π/2时，即晶界弓出成半球形，如图中虚线sinα＝1，R达到一极小值，即Rmin=L,此时2σ/Rmin取得极大值，因此弓出形核的最大阻力是晶界弓出成半球时。克服这一阻力需满足由上式，△Es增大，L可减小，说明形核容易。晶界弓出一旦超过半球形，由于R逐渐增大，2σ/R逐渐减小，晶核可自动长大。2．亚晶合并机制变形量较大的高层错能金属再结晶核心通过亚晶合并来产生。采用多边化和亚晶界的“Y'’过程或通过相邻亚晶的转动，逐步使小亚晶A,B,C合并成大的亚晶(ABC)，如图7-8所示，成为位错密度很低，尺寸较大的亚晶，随亚晶尺寸的增大，与四周的亚晶粒的位向差必然越来越大，最后形成大角度晶界。大角度晶界可动性大，可迅速移动，扫除移动路径中存在的位错，在其后留下无应变的晶体，这就形成了再结晶核心。3．亚晶蚕食机制变形量很大的低层错能金属扩展位错宽度大，不易束集，交滑移困难，位错密度很高。在位错密度很大的小区域，通过位错的攀移和重新分布，形成位错密度很低的亚晶。这个亚晶便向周围位错密度高的区域生长。相应的，亚晶界的位错密度逐渐增大，亚晶与周围形变基体取向差逐渐变大，最终由小角度晶界演变成大角度晶界。大角度晶界一旦形成，可突然弓出，迁移，蚕食途中所遇位错，留下无畸变晶体，成为再结晶核心，如图。总之，三种形核机制都是大角度晶界的突然迁移。所不同的是获得大角度晶界途径不同。第三节再结晶一再结晶的形核与长大驱动力：畸变能差2长大方式:晶核向畸变晶粒扩展,至新晶粒相互接触。注：再结晶不是相变过程。第八章第三节再结晶第三节再结晶二再结晶动力学（1）再结晶速度与温度的关系v再＝Aexp(-QR/RT)1/t=A/·exp（–QR/RT）（2）规律有孕育期;温度越高,变形量越大孕育期越短;在体积分数为0.5时速率最大，然后减慢。第八章第三节再结晶第三节再结晶三再结晶温度1再结晶温度：经严重冷变形（变形量70%）的金属或合金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数95%）最低温度。高纯金属：T再＝(0.25~0.35)Tm。2经验公式工业纯金属：T再＝(0.35~0.45)Tm。合金：T再＝(0.4~0.9)Tm。注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。第八章第三节再结晶第三节再结晶四影响再结晶的因素1.加热温度:(退火)退火温度越高,原子扩散越容易进行,V再↑,完成再结晶时间短.2.预先变形量变形度越大,则T再越低∵储存能大,再结晶驱动力大.第八章第三节再结晶3.溶质原子溶质原子,使T再↑∵偏聚在晶界处,阻碍位错运动和晶界迁移.4.原始晶粒大小5.分散相粒子间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶。第三节再结晶五再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）再结晶晶粒的平均直径d=k[G/N]1/41变形量。存在临界变形量，生产中应避免临界变形量。第八章第三节再结晶第三节再结晶五再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）2原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多，使晶粒细化。3合金元素和杂质。增加储存能，阻碍晶界移动，有利于晶粒细化。4温度。退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大。第八章第三节再结晶第三节再结晶六再结晶的应用恢复变形能力改善显微组织再结晶退火消除各向异性提高组织稳定性再结晶温度：T再＋100～200℃。第八章第三节再结晶第四节晶粒长大驱动力：界面能差.长大方式：正常长大--再结晶后的晶粒均匀连续的长大；异常长大（二次再结晶）--个别一些晶粒过分长大、使材料内晶粒大小相差悬殊。第八章第四节晶粒长大1．晶粒长大的驱动力从个别晶粒长大的微观过程来说，晶界具有不同的曲率则是造成晶界迁移的直接原因。设想有一如图所示的双晶体，B晶粒呈球状存在于A晶粒之中，两晶粒的交界是半径为R的球面。显然，如果晶界向减小R的方向移动，即向曲率中心移动，使体系总量下降。A、B双晶体的界面能为晶界能随R的变化导致的变化是作用于晶界上的力，此力指向曲率中心，。所以晶界移动的单位面积上的驱动力为一晶粒的正常长大1．晶粒长大的驱动力考虑到空间任一曲面情况下，取两个主曲率半径R1，R2来描述任意曲面晶界的驱动力由上式，晶界迁移驱动力随Y的增大而增大，随晶界的曲率半径增大而减小。晶界的移动方向总是指向曲率中心。∴高温下晶粒自发长大*晶界向曲率中心方向移动(见图)∴晶粒长大是大晶粒吞并小晶粒.2．晶粒的稳定形貌相同体积情况下，球形晶粒的晶界面积最小，但如果晶粒呈球形，会出现堆砌的空隙。所以实际晶粒的平衡形貌，如图呈十四面体。当三个晶粒相交于一直线时，其二维晶粒形状如图所示。由作用于0点的张力平衡可得到2．晶粒的稳定形貌比界面能通常为常数，故Ф1=Ф2=Ф3=120°，,故其平衡形貌如图,三叉晶界，晶界角120°。2.晶粒的稳定形状（1）若晶粒小于六边（小晶粒）若为直线，夹角120度若满足120度，晶界必向外凸∴小晶粒只能逐渐缩小，直至消失。（2）若晶粒大于六边若为直线，夹角大于120度若满足120度，晶界必向内凹。∴晶粒长大规律是大晶粒吞并小晶粒。3.影响晶粒长大的因素晶粒长大，是通过晶界处的原子扩散迁移实现。（1）温度温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。（2）杂质与合金元素异类原子吸附晶界处，降低晶界能，减少驱动力，阻碍晶粒长大。（3）第二相质点第二相粒子越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大能力越强。（4）相邻晶粒位向差位向差越大，则晶面能越高，驱动力越大，晶界移动快。第四节晶粒长大二晶粒的异常长大1异常长大:少数再结晶晶粒的急剧长大现象。(二次再结晶）2基本条件:正常晶粒长大过程被(第二分散相微粒、织构）强烈阻碍。3驱动力：界面能变化。（不是重新形核）第八章第四节晶粒长大第四节晶粒长大二晶粒的异常长大钉扎晶界的第二相溶于基体.4机制再结晶织构中位向一致晶粒的合并.金属薄板形成的热蚀沟大晶粒吞并小晶粒.各向异性织构明显优化磁导率5对组织和性能的影响晶粒大小不均性能不均降低强度和塑韧性晶粒粗大提高表面粗糙度第八章第四节晶粒长大第四节晶粒长大三再结晶退火的组织1再结晶图。退火温度、变形量与晶粒大小的关系图。2再结晶织构:再结晶退火后形成的织构。退火可将形变织构消除，也可形成新织构。择优形核（沿袭形变织构）择优生长（特殊位向的再结晶晶核快速长大）3退火孪晶:再结晶退火后出现的孪晶。是由于再结晶过程中因晶界迁移出现层错形成的。第八章第四节晶粒长大第五节金属的热变形一动态回复与动态再结晶1动态回复：在塑变过程中发生的回复。（静态…)2动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。（静态…)特点反复形核，有限长大，晶粒较细。包含亚晶粒，位错密度较高,强度硬度高。应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、快的冷却速度可获得细小晶粒。第八章第五节热变形第五节金属的热变形二金属的热加工1加工的分类冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。发生加工硬化。热加工：在再结晶温度以上的加工过程（硬化、回复、再结晶）。如高温下：锻造、轧制、拉拔、挤压等。2热加工温度：T再T热加工T固－100～200℃。第八章第五节热变形二金属的热加工3热加工后的组织与性能热加工对组织和性能有如下影响：1）.改善铸锭组织和性能(1)焊合气孔、疏松，使材料密度升高；(2