1、金屬材料及熱處理第三篇金屬的塑性變形與再結晶回復與再結晶·第七章Ø 本章主要內容Ø 變形金屬退火時的組織與性能變化Ø 回復的過程、機理與應用Ø 再結晶的過程、機理與應用Ø 影響再結晶的因素Ø 晶粒長大的Ø 熱塑性與應用的組織與性能2第七章回復與再結晶Ø 形變金屬處于一種不穩定的狀態：Ø 吸收了一部分變形功Ø 晶體缺陷數量高Ø 存在殘余應力Ø硬化狀態形變金屬有回到變形前組織與性能狀態的趨勢7.1形變金屬及合金在退火過程中的變化Ø 回復、再結晶、晶粒長大是形變

2、金屬退火時經歷的基本過程Ø 1.顯微組織變化圖7-1回復、再結晶、晶粒長大過程示意圖42.儲存能與性能變化Ø 經過回復與再結晶，材料的儲存能完畢，材料的組織與性能能夠逐漸恢復變形前的狀態。57.2回復Ø 回復Ø 指經過冷變形的金屬在退火加熱的過程中，于再結晶過程開始之前、仍保留著變形態組織特點的階段。Ø 回復的驅動力是儲存能Ø 回復階段儲能部分。Ø 不同溫度，回復機制有差異。61.退火溫度和時間對回復過程的影響硬化分數1-R 表示回復進行的程度時：1- R = (s r -s 0) /(s m -s 0)0 ：充分退火材料的

3、強度用剩余m：塑性變形后材料的屈服強度r：經歷一定回復退火材料的強度1-R越小，回復越充分71.退火溫度和時間對回復過程的影響圖7-4經拉伸變形的純鐵在不同溫度退火時，屈服強度的回復動力學曲線Ø 一定溫度下回復時間越長，回復程度越大，但逐漸趨于極限值Ø 回復溫度越高，回復軟化程度越大，且達到極限程度的時間越短。87.2回復Ø 2.回復機理a低溫回復點缺陷的遷移點缺陷密度降低b中溫回復位錯在滑移面上運動位錯密度有所降低，纏結位錯重新排列c高溫回復位錯滑移、攀移多邊化及多邊形亞晶形成，亞晶粒增大910圖7-8純鋁多晶體（冷變形5%）在200回復退火時亞結構變化的a）回

4、復退火前的冷變形狀態b）回復退火0.1h c）回復退火50hd）回復退火300h117.2回復Ø 2.回復機理a. 低溫回復點缺陷的遷移點缺陷密度降低b. 中溫回復位錯在滑移面上運動位錯密度有所降低，纏結位錯重新排列c. 高溫回復位錯滑移、攀移多邊化及多邊形亞晶形成，亞晶粒增大概括：回復過程中點缺陷數量降低；位錯密度下降不多， 但位錯的分布有變化，處于應變能低的狀況。123.回復退火的應用Ø 工業應用：去應力退火Ø 效果：保留腐蝕開裂硬化，降低應力，防止應力Ø 回復退火的溫度、時間可參考回復曲線制定137.3再結晶Ø 再結晶：Ø 指經

5、過冷變形的金屬退火過程中，于變形的基體中重新生成無畸變的等軸狀的新晶粒的過程。再結晶的特點Ø 再結晶的驅動力是儲存能Ø 再結晶階段剩余儲能全部Ø硬化消除Ø 是形核與長大的過程，不改變晶體結構再結晶的應用Ø 消除硬化Ø 再結晶退火（中間退火）151.再結晶的形核Ø問題：變形嚴重的區域位錯密度高，而形成無缺陷的微區可以迅速降低能量。該微區可成為再結晶晶核的孕育地。16(1).晶界弓出形核塑性變形量<40%Ø 晶界兩側位錯密度差異較大Ø 晶界向位錯密度高側弓出后，可使儲存能下降，形成無畸變的圖7-10再結

6、晶形核機制示意圖c）凸出形核17(2)亞晶長大形核變形量大、均勻Ø 亞晶合并機制錯能金屬Ø 由于變形時有交滑移，位錯密度相對低Ø 亞晶通過各種作用合并，長大。亞晶界發展為大角度晶界，能迅速遷移Ø 晶界遷移時掃清前方位錯，留下無畸變的晶體成為再結晶18制低層錯能金屬Ø 亞晶移Ø 變形時沒有交滑移，位錯密度相對高。Ø 相鄰亞晶界位向差大，加熱時易遷移發展為大角度晶界。能迅速遷移，掃清前方位錯，留下無畸變的晶體成為再結晶。192.再結晶晶核長大再結晶形核結束后，會進一步長大。長大驅動力為新晶粒與舊晶粒之間的應變能差。晶界背向其曲率

7、中心方向移動，直到消耗完所有的畸變晶粒形成無畸變的等軸新晶粒時再結晶完成203.再結晶溫度Ø 指冷變形金屬開始進行再結晶的最低溫度。Ø 規定：Ø 工業生產中則通常以經過大變形量(70以上)的冷變形金屬，經1h退火能完成再結晶(R95) 所對應的溫度定為再結晶溫度。工業純金屬，經強烈冷變形后的最低再結晶溫度TR/K=（0.350.4）TmKØ 中間退火的溫度高于最低再結晶溫度100-20021224.影響再結晶溫度的因素Ø (1) 變形程度增加冷塑性變形的程度可以降低再結晶溫度。存在一最低的再結晶溫度0.4Tm.23(2)微量溶質原子Ø

8、 溶質原子會阻礙位錯運動和晶界的遷移， 提高再結晶溫度。24(3) 原始晶粒原始組織細小，變形產生的儲存能更大，降低再結晶溫度。變形后的晶粒越細小，再結晶速度越快。25(4) 分散相（第二相）粒子Ø 可促進或阻礙基體金屬的再結晶，取決于粒子的 及間距。Ø 細小彌散的第二相粒子一般阻礙亞晶界的遷移， 故阻礙再結晶。26(5)再結晶退藝參數加熱速度、加熱溫度與保溫時間退火溫度愈高，再結晶速度極慢的加熱產生了大量的回復，再結晶溫度上升。極快的加熱，也會引起再結晶溫度上升（一定范圍）延長保溫時間，也會降低再結晶溫度275.再結晶晶粒大小的Ø 受到變形度、退火溫度、成分等的

9、影響Ø （1）變形度影響圖7-12金屬的冷變形度對再結晶晶粒大小的影響Ø臨界變形度：在能引起再結晶的最小變形度附近變形后，再結晶后的晶粒特別粗大， 稱為“臨界變形度”。一般為2-10%。28圖7-13純鋁的再結晶晶粒度與變形度的關系變形度自左至右依次為：3%、4%、5%、6%、7%、8%、10%、12%、14%29（2）退火溫度的影響提高退火溫度：臨界變形度減小 再結晶后晶粒粗大307.4晶粒長大Ø 晶粒長大指再結晶結束后，細小的等軸晶通過晶粒相互吞并導致的長大的過程。Ø 長大驅動力：長大可以降低界面能Ø 正常長大：連續長大Ø 異常長

10、大（二次再結晶）：極少數晶粒長大311.正常長大Ø 晶界移動的驅動力µ s Rfs：比界面能R：晶界曲率半徑直到晶界平直Ø 晶界移動的方向Ø 指向曲率中心Ø 大者長大，小者消失Ø 三個晶粒晶界交角趨于12032332.影響晶粒長大的因素通過影響晶界遷移而作用Ø （1）溫度Ø 溫度越高，長大越快Ø 一定溫度下有一個極限Ø （2）雜質與合金元素雜質元素與微量溶質原子與晶界產生交互作用，阻礙晶界遷移。微量雜質元素含量越高，晶界遷移越慢35Ø （3）第二相（分散相）質點阻礙晶界移動，降低晶粒長

11、大速度4r3j-Dlim =j ：分散相粒子所占的體r：粒子的半徑數。36第二相顆粒所占體數一定時，顆粒愈細，其數量愈多，則晶界遷移所受到的阻力也愈大，晶粒正常長大速度越小。即分散相粒子的越小，再結晶的極限平均晶粒越小。37Ø （4）晶粒間位向差Ø 位向差決定晶界能的高低Ø 大角度晶界晶界能高，晶界遷移快，小角度晶界晶界能低，晶界遷移慢故：Ø 位向差大者，晶界遷移快，晶粒易長大Ø 位向差小者，晶界遷移慢，晶粒難長大Ø 有織構的組織晶粒難以長大383.晶粒異常長大二次再結晶指當正常晶粒長大過程被分散相微粒、織構或表面熱蝕溝等因素強烈阻礙

12、時，局部位置此類因素的缺少或消失而造成的突發性的晶粒快速長大 的現象。會降低力學性能，一般應避免。圖7-12金屬的冷變形度對再結晶晶粒大小的影響驅動力：晶界能的降低。404.再結晶退火后的組織Ø （1）晶粒大小避開晶粒粗大區Ø 可用再結晶圖來圖7-23工業純鋁的再結晶圖圖7-24純鐵退火1h的再結晶圖414.再結晶退火后的組織Ø （2）再結晶織構Ø 由于再結晶退火所產生的擇優取向Ø 與形變織構可以相同或不同Ø 大變形與高溫退火易促進再結晶織構Ø 產生各向異性424.再結晶退火后的組織Ø （3）退火孿晶Ø

13、低層錯能材料（Cu，奧氏體鋼）中出現Ø 與形變孿晶機理不同，與切變無關435.再結晶退火的應用Ø 效果：消除硬化；去除應力Ø 應用：軟化變形金屬的中間退火Ø 溫度：最低再結晶溫度以上100-20044小結：冷變形在金屬材料內部產生了儲存能，退火過程中原子活動能力增強，儲存能逐漸材料內部發生回復、再結晶與晶粒長大。退火溫度較低時，產生回復。儲存能部分，材料中的宏觀殘余應力基本消除，力學性能及顯微組織均保持變形后的特點。退火溫度較高時，產生再結晶。儲存能完全，材料重新軟化，晶粒為細小的等軸晶。再結晶完成后繼續加熱保溫，晶粒會長大以降低晶界能。457.5T&g

14、t;T再金屬的熱成形Ø 熱變形的特點：硬化與軟化同時存在，變形抗力小。Ø 軟化機制：Ø 動態回復：合金，純鐵等，錯能金屬與合金：Al及其Ø 動態再結晶：低層錯能金屬：Cu及其合金，奧氏體不銹鋼等，461.動態回復錯能金屬Ø 隨著變形進行，硬化速度降低，直到實現在一個穩定應力下變形。Ø 變形金屬內有異號位錯的互毀和位錯的重新分布。Ø 晶粒變形而亞晶粒為等軸狀2.動態再結晶低層錯能金屬Ø 隨著變形進行，硬化速度降低，軟化，逐漸實現在一個穩定應力下變形。Ø 變形金屬內發生再結晶，變形抗力小Ø 晶粒變為

15、等軸狀Ø 熱變形結束后，還可發生進一步的（靜態）再結晶，消除儲存能Ø 熱變形后快冷，可以保留較錯密度和細小晶粒，強度高于靜態再結晶組織Ø 動態回復組織強度高于動態再結晶組織493. 熱Ø對組織與性能的影響鑄態組織缺陷Ø 焊合氣孔、疏松，致密化Ø 細化鑄態組織Ø夾雜物與脆性相的形態、大小與分布Ø 部分消除偏析Ø 形成熱織Ø 注意流線（組織）、帶狀組熱變形度與晶粒50熱流線Ø 夾雜物、偏析、第二相等沿變形方向伸長，在浸蝕后的宏觀磨面上出現.51Ø熱流線的利用Ø 縱向（沿

16、橫向（垂直方向），塑性、韌性增加方向），塑性、韌性降低但抗剪切能力顯著增強。Ø 縱向具有最大的抗拉強度，橫向具有最大的抗剪切強度.52熱流線的合理利用Ø 流線沿零件輪廓分布不中斷Ø 最大拉應力方向沿流線Ø 最大剪應力方向垂直于流線5354帶狀組織Ø 多相合金中的各相熱分布時沿變形方向交替呈帶狀Ø 引起各向異性Ø 可由正火處理或除變形在奧氏體單相區完成來消556.超塑性變形Ø 主要條件Ø 一定的變形溫度Ø 低的應變速率Ø 極細小的等軸晶粒Ø 較高的應變速率敏感性指數-m

17、6; 例:Ø 利用鈦合金的超塑成型工藝制造噴氣式飛 機的艙門、尾艙、骨架，原工藝需個零件， 經各種方法連接組裝而成。如用超塑性合金，可 一次成型做成，使尾艙架的重量減輕，成 本降低。56金屬與合金的冷熱變形比較Ø 冷塑性變形產生熱塑性變形同時存在硬化、變形抗力大；硬化與動態回復、動態再結晶造成的軟化，變形抗力小Ø 無論室溫變形還是高溫變形，單相固溶體組織都表現出比多相合金更好的變形能力Ø 合金中存在的晶界、溶質原子、位錯、第二相粒子都具有抵抗外力造成變形的能力Ø 冷、熱塑性變形均會對組織與性能產生影響57金屬塑性成形Ø 特點的特點及應用&#