1、第七章第七章 金屬及合金的回復與再結晶金屬及合金的回復與再結晶1. 形變金屬材料退火過程中的組織和性能變化2. 回復 3. 再結晶 4. 晶粒長大 5. 金屬的熱加工 變形儲能使金屬內(nèi)能升高，處于熱力學亞穩(wěn)狀態(tài)。退火過程中，原子活動能力升高，形變金屬就能從亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，而變形儲能則是形變金屬退火過程中組織變化的驅(qū)動力。形變儲能: 彈性應變能(312%) 晶格畸變能(8090%)退火： 將材料加熱到一定溫度保持一定時間的熱處理 工藝，按目的又可分為去應力退火、成分均勻 化退火等多種。第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化 1.1 回復與再結晶回 復：冷變形金屬較低溫加熱時，顯微組織無可見

2、變化，但其物理、 力學性能卻部分恢復到冷變形以前的過程。再結晶：冷變形金屬被加熱到適當溫度時，在變形組織內(nèi)部新的無畸 變等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強化效應完全消 除的過程。1.2 顯微組織變化回 復 階 段 ：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化；再 結 晶 階 段：變形晶粒通過形核長大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?新的無畸變的等軸晶粒。晶粒長大階段：晶界移動、晶粒粗化，達到相對穩(wěn)定 的形狀和尺寸。1.2 顯微組織變化1.3 性能變化性能變化力學性能力學性能回 復 階 段 ： 強度、硬度略有下降，塑性略有提高。再結晶階段： 強度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。晶粒長大階段：強度、硬度繼續(xù)下降,塑性繼續(xù)提高，粗

3、化 嚴重時下降。物理性能密 度 : 在回復階段變化不大，在再結晶階段急劇升高；電 阻 ：電阻在回復階段可明顯下降。形變儲能：回復階段部分釋放，再結晶至長大初期完全釋放。1.4 內(nèi)應力變化回 復 階 段： 大部分或全部消除第一類 內(nèi)應力，部分消除第二、 三類內(nèi)應力；再結晶階段： 內(nèi)應力可完全消除。第二節(jié) 回 復（Recovery） 所謂回復，即在加熱溫度較低時，僅因金屬中的一些點缺陷和位錯的遷移而引起的某些晶內(nèi)的變化。2.1 回復時組織性能變化 1) 宏觀應力基本去除，微觀應力仍然殘存；2) 物理性能，如電阻率，有明顯降低，有的可基本回到未變形前的水平；3) 力學性能，如硬度和流變應力，覺察不到

4、有明顯的變化； 4) 光學金相組織看不出任何變化，溫度較高發(fā)生回復，在電子顯微鏡下可見到晶粒內(nèi)部組織的變化。(位錯的胞狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚? 2.2 回復機制 低溫階段 點缺陷的遷移和減少, 表現(xiàn)為:- 空位與間隙原子的相遇而互相中和- 空位或間隙原子運動到刃位錯處消失，引起位錯的攀移- 點缺陷運動到界面處消失。中溫階段: p纏結位錯重新組合; p異號位錯抵消, 位錯密度略有降低。p亞晶粒長大。高溫回復高溫回復1) 位錯攀移和位錯環(huán)縮小；2) 亞晶粒合并；3) 多邊化。 多邊化 是指冷變形金屬加熱時，原來處于滑移面上的位錯，通過滑移和攀移形成與滑移面垂直的亞晶界的過程。多邊化的驅(qū)動力是彈性應變能的

5、降低。 去應力退火 降低應力（保持加工硬化效果） 防止工件變形、開裂，提高耐蝕性。2.4 回復應用回復應用 第三節(jié) 再結晶(Recrystallization)3.1 再結晶的基本過程冷變形后的金屬加熱到一定溫度或保溫足夠時間后，在原來的變形組織中產(chǎn)生了無畸變的新晶粒，新生成的晶粒逐漸全部取代塑性變形過的晶粒，位錯密度顯著降低，性能發(fā)生顯著變化并恢復到冷變形前的水平，這個過程稱為再結晶。再結晶的驅(qū)動力也是變形儲能的降低。p 變化前后的晶粒成分相同，晶體結構并未發(fā)生變化，因此它們是屬于同一個相。p 再結晶過程是不可逆的，相變過程在外界條件變化后可以發(fā)生可逆變化。p 發(fā)生再結晶的熱力學驅(qū)動力是冷塑

6、性變形晶體的畸變能，也稱為儲存能。冷塑性變形后的發(fā)生再結晶，晶粒以形核和晶核長大來進行，但再結晶過程不是相變。原因有：3.2 再結晶形核再結晶的形核是個復雜的過程。最初人們嘗試用經(jīng)典的形核理論來處理再結晶過程，但計算得到的臨界晶核半徑過大，與試驗結果不符。大量實驗表明，再結晶晶核總是在塑性變形引起的最大畸變處形成，并且回復階段發(fā)生的多變化是再結晶形核的必要準備。3.2.1 亞晶粒長大形核機制亞晶粒長大形核一般在受大變形度的材料中發(fā)生。回復階段，塑性變形所形成的胞狀組織經(jīng)多變化發(fā)展成亞晶，其中亞晶長大形核的方式有亞晶合并和亞晶界移動兩種機制。a. 亞晶合并機制 相鄰亞晶界的位錯，通過滑移和攀移轉(zhuǎn)

7、移到周圍晶界或亞晶界上，導致原來亞晶界的消失，最后通過原子擴散和位置的調(diào)整，使兩個或多個亞晶粒的取向變?yōu)橐恢拢喜⒊蔀橐粋€大的亞晶粒，成為再結晶的晶核。b. 亞晶界移動機制 如上圖，晶粒中某些局部位錯密度很高的亞晶界向周邊移動，吞并相鄰的變形基體和亞晶而成長為再結晶晶核。3.2.2 晶界凸出形核機制 金屬變形是不均勻的，若晶界兩邊一個晶粒的位錯密度高，另一個位錯密度低，加熱時晶界會向密度高的一側(cè)突然移動，高密度一側(cè)的原子轉(zhuǎn)移到位錯低的一側(cè)，新的排列應為無畸變區(qū)，這個區(qū)域就是再結晶核心。 晶界凸出形核現(xiàn)象在銅、鎳、銀、鋁及鋁-銅合金中曾直接觀察到。 變形晶粒晶界附近的原子移動到新的未變形晶粒上，

8、從而可以減少變形應變能，新晶粒不斷長大到相遇，最后全部為新晶粒，再結晶完成。 3.3 長大長大3.3.4 影響再結晶的因素影響再結晶的因素 原子結合力大，熔點高的材料，再結晶進行較慢； 材料的純度，純凈材料如純金屬，進行較快，而溶入了其它元素，特別是易在晶界處存在聚集的元素時，將降低再結晶的速度； 第二相質(zhì)點特別是呈彌散分布時，將明顯降低再結晶的速度。 材料因素材料因素加熱溫度愈高，再結晶速度愈快；變形量大，彈性畸變能大，再結晶速度也快。變形量過小，形變儲能不能滿足形核的基本要求時，再結晶就不能發(fā)生。發(fā)生再結晶需要一定的變形量，稱為臨界變形量C，大多金屬材料的臨界變形量在210%之間。 3.3

9、.4 影響再結晶的因素 工藝因素第四節(jié) 晶粒長大 再結晶剛完成時，得到的是等軸細晶粒組織。繼續(xù)提高退火溫度或延長保溫時間，就會發(fā)生晶粒相互吞并而長大的現(xiàn)象，晶粒長大包括均勻長大的正常長大過程和反常的長大過程。4.1 正常的晶粒長大1) 晶粒長大的動力 晶粒的長大是一自發(fā)過程，其驅(qū)動力是降低其總界面能。長大過程中，晶粒變大，則晶界的總面積減小，總界面能也就減小。 為減小表面能晶粒長大的熱力學條件總是滿足的，長大與否還需滿足動力學條件，這就是界面的活動性，溫度是影響界面活動性的最主要因素。 1) 晶粒長大的動力兩晶粒界面形狀如圖所示，三維空間中的任一曲面可用兩個主要的曲率半徑（r1、r2）來描述，

10、此時作用在圖中曲面單位面積上的驅(qū)動力DP為：當曲面為球面時，r1 = r2 =R，則：DP=2s/R。由于晶界向曲率中心方向（即由凹凸）移動，晶界總面積縮小，所以晶粒長大總是與再結晶時晶界移動方向相反。晶界向晶粒 I 邊遷移，會降低自由能，所以自發(fā)過程是界面向凹邊遷移。 2) 晶粒長大的動力學Beck及其同事首先建立了純金屬和單相合金等溫退火時晶粒長大動力學的經(jīng)驗公式：Kt其中：t是退火時間，而和是與材料和溫度有關的參量。通常隨退火溫度的升高而增大，一般小于0.5，只有接近熔點時才等于0.5。由此可見純金屬和單相合金，在較低溫退火時，隨保溫時間的延長，晶粒長大得較慢。相反，在高溫退火時，晶粒長

11、大得較快。3) 晶界移動的規(guī)律 為降低表面能，彎曲晶界趨于平直化，即晶界向曲率半徑中心移動以減小表面積。II 當三個晶粒相交晶界夾角不等于120o時，則晶界總是向角度較銳的晶粒方向移動，力圖使三個夾角趨于相等。其原因是由于大角度晶界的表面張力與位向無關，幾乎相等，即TA=TB=TC ，因此三夾角必須相等各為120oOOIIIIIITATBTC3) 晶界移動的規(guī)律 二維坐標中，晶界邊數(shù)少于6的晶粒（其晶界外凸）必然逐步縮小乃至消失。而邊數(shù)大于6的晶粒（晶界內(nèi)凹）則逐漸長大。當晶界邊數(shù)為6時，晶界很平直且夾角為120o時，則晶界處于穩(wěn)定狀態(tài)，不再移動，要達到這樣的平衡狀態(tài)需要很長的保溫時間。 晶界

12、遷移的速度隨晶界曲率半徑的增大而減小，因此它隨時間而變。Johnson-Mehl公式中假設不變是不符合實際的。p 可溶解雜質(zhì)及合金元素可溶解雜質(zhì)及合金元素 溶質(zhì)原子都能阻礙晶界移動，特別是晶界偏聚(內(nèi)吸附)顯著的原子，能有效降低晶界的界面能，拖住晶界使之不易移動，溫度很高時，吸附在晶界的溶質(zhì)原子被驅(qū)散，其擬制作用減弱乃至消失。p 溫度：溫度：晶界移動速率可表示為：G=G0exp(-QG/RT)； G0為常數(shù)，QG為晶界遷移激活能。通常一定溫度下晶粒長大到一定尺寸就不再長大了，提高溫度晶粒會繼續(xù)長大。4) 影響晶界移動的因素4) 影響晶界移動的因素p 相鄰晶粒的位向差晶界的界面決定于相鄰晶粒間的

13、位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而驅(qū)使界面移動的力又與界面能成正比，因此前者的遷移速度要小于后者。4) 影響晶界移動的因素p 不溶解的第二相彌散的第二相質(zhì)點對于阻礙晶界的運動去重要作用。當運動的晶界遇到球形(簡化起見)第二相質(zhì)點時，第二相質(zhì)點對晶界運動產(chǎn)生阻力。 討 論：frKR lR是平衡狀態(tài)下的晶粒半徑，也即是該條件下晶粒長大的極限尺寸。l晶粒長大的極限尺寸與二相顆粒的半徑成正比，與顆粒的體積分數(shù)成反比。l二相顆粒愈細小，數(shù)量愈多，則對晶粒長大的阻滯能力愈強。l二相顆粒對晶粒長大的阻礙作用主要取決于其大小和體積分數(shù)，而二相顆粒本身的性質(zhì)影響相對較小，因為它只影響a值。l應

14、用實例：燈泡W絲中加ThO2質(zhì)點；鋼中含有Al2O3或AlN質(zhì)點、Mg中加入微量Zr，Al中含有MnAl6質(zhì)點，均可明顯阻止加熱時晶粒的長大。p 不溶解的第二相4.3 晶粒的非正常長大 再結晶晶粒通常緩慢均勻長大，但如有少數(shù)晶粒處在特別有利的環(huán)境，它們將吞食周圍晶粒，迅速長大，這種現(xiàn)象稱為晶粒的異常長大。早期的研究以為異常長大也是形核和核心的生長過程，因此稱為“二次再結晶”異常長大的實質(zhì)是一次再結晶后的長大過程中，某些晶粒的環(huán)境特殊而產(chǎn)生的優(yōu)先長大，不存在再次形核過程。 異常長大導致晶粒分布嚴重不均，長大后期可能造成材料晶粒尺寸過大，對材料的性能帶來十分不利的影響。 基本條件基本條件: :正常

15、晶粒長大過程正常晶粒長大過程被被( (第二分散相微第二分散相微粒、織構）粒、織構） 強烈強烈阻礙。阻礙。驅(qū)動力：驅(qū)動力：界面能變化。界面能變化。( (不不是重新形核是重新形核) )4.3 晶粒的非正常長大 釘扎晶界的第二相溶于基體. 機制 再結晶織構中位向一致晶粒的合并. 大晶粒吞并小晶粒. 各向異性 織構明顯 優(yōu)化磁導率 對組織和性能的影響 性能不均 晶粒粗大 降低強度和塑韌性 提高表面粗糙度第五節(jié) 再結晶后的組織 p 再結晶溫度 p 再結晶后的晶粒尺寸 p 其它組織變化 5. 1 再結晶溫度再結晶溫度 再結晶并不是只能在固定的溫度以上才能發(fā)生，而是溫度愈高，轉(zhuǎn)變速度愈快。 再結晶溫度與材料

16、的類型、純度有關，而且和材料冷變形程度也有關。再結晶溫度隨著變形量的增加而降低，最終有一下限值，對于高純金屬，再結晶溫度約為0.25-0.35TM，對于工業(yè)純金屬來講，5.2 影響再結晶后的晶粒尺寸因素預變形量：預變形量：在臨界變形量(不同材料不相同，一般金屬在210%之間)以下，材料不發(fā)生再結晶，維持原來的晶粒尺寸；在臨界變形量附近，剛能形核，因核心數(shù)量很少而再結晶后的尺寸很大，有時甚至可得到單晶；一般情況隨著變形量的增加，再結晶后的晶粒尺寸不斷減小；當變形量過大(70%)后，可能產(chǎn)生明顯織構，在退火溫度高時發(fā)生晶粒的異常長大。退火溫度和時間：退火溫度和時間：退火溫度高，完成再結晶用的時間少

17、，長大的時間就長，所以隨退火溫度的提高而晶粒尺寸增大。再結晶退火一般均采用保溫 2小時，保證再結晶充分完成而晶粒不過分長大，延長保溫時間顯然會造成晶粒尺寸的長大。 5.2 影響再結晶后的晶粒尺寸因素5.2 影響再結晶后的晶粒尺寸因素3) 雜質(zhì)：無論是固溶于晶體內(nèi)的異類原子，還是在材料組織中存在的第二相質(zhì)點，特別是彌散分布時，都將促進再結晶后的晶粒細化。 4) 原始晶粒大小：在其他條件相同時，材料變形前的晶粒尺寸愈細小，晶界面多，有利形核，再結晶后的晶粒也細小。 5) 變形溫度：材料變形溫度較高，或再結晶退火前進行較有效的回復處理，因降低了畸變能，可使再結晶后的晶粒變粗。 p 應避免在臨界變形量

18、；p 同時一次不宜進行過大的變形，防止產(chǎn)生組織織構或出現(xiàn)晶粒的異常長大；p 嚴格控制再結晶退火的溫度和保溫時間，以保證再結晶能充分完成而晶粒不過分長大。控制方法再結晶晶粒尺寸和凝固結晶一樣，決定于形核率和長大速率的比值。為了防止再結晶后晶粒粗大，材料需要進行再結晶退火時：5.2 影響再結晶后的晶粒尺寸因素5.3 其他組織變化 再結晶織構材料的冷變形程度較大，如果產(chǎn)生了變形織構，在再結晶后晶粒取向的遺傳，組織依然存在擇優(yōu)取向，這時的織構稱為再結晶織構。 再結晶織構對進一步的加工不利。如沖壓再結晶銅板形成制耳。經(jīng)常在Cu中加入少量P、Be、Cd、Sn等雜質(zhì)，退火孿晶有些結構的金屬及合金，再結晶退火

19、后經(jīng)常出現(xiàn)孿晶組織，這種孿晶稱為退火孿晶或再結晶孿晶。 第六節(jié) 金屬的熱加工 1.熱加工 2.熱加工的流變應力3.熱加工時的軟化機制 4.熱加工對材料組織性能的影響 6.1 何謂熱加工？何謂熱加工？p 熱加工：再結晶溫度以上的加工稱為“熱加工”。p 溫加工：低于再結晶溫度高于室溫的加工。p 冷加工：室溫加工。p Sn的再結晶溫度低于室溫，因此室溫下對錫的加工即為熱加工。6.2 熱加工的流變應力熱加工所需的應力稱為流變應力。塑性變形一方面產(chǎn)生加工硬化，進一步變形需要加大應力，另一方面在再結晶溫度以上，材料會發(fā)生再結晶軟化，可使變形應力減小，并且加工硬化程度越高，再結晶速度越快，二者達到動態(tài)平衡后

20、，繼續(xù)變形就不需要再加大應力，也就是在這個應力作用下能一直變形，這個應力就是流變應力。流變應力的大小和材料的本質(zhì)有關，由材料成分所決定的強度高，對應的流變應力必然也高。此外，還和變形溫度和變形速度有直接的關系，流變應力隨變形速率(單位時間內(nèi)的變形量)加大而增加，隨變形溫度升高而下降。 6.3 熱加工時的軟化機制熱加工時的軟化機制 在高溫下，塑性變形的同時，發(fā)生組織結構的軟化，盡管軟化本身的方式也是屬于回復和再結晶，由于變形硬化和軟化同時發(fā)生，軟化具有自己的特點，熱加工時軟化有以下類型：1）動態(tài)回復：）動態(tài)回復：在熱加工的溫度下，材料可以進行較快回復過程。它不同于靜態(tài)回復，材料在變形的同時，一方

21、面變形在增加缺陷，另一方面以回復方式減少部分缺陷，某些性能因二者的同時作用可達到動態(tài)平衡，維持在某一固定的水平。 2）動態(tài)再結晶）動態(tài)再結晶：多晶材料發(fā)生塑性變形，部分區(qū)域的變形量超過臨界變形量后，以再結晶方式形核，變形量增加，形核的部位也在增加，形成的核心不斷的長大。由于變形在繼續(xù)進行，長大的晶粒也在變形中，一邊長大的同時，內(nèi)部又因變形而增加缺陷硬化，長大前后不同，內(nèi)部的缺陷密度也不同。這些在再結晶中生成長大的晶粒當變形超過一定程度會再次形核長大，如此周而復始。材料中的平均統(tǒng)計缺陷的密度決定于變形速率，變形速率高，平均硬化程度維持在較高的水平，材料在變形中表現(xiàn)出較高的流變應力。 6.3 熱加

22、工時的軟化機制熱加工時的軟化機制 3）亞動態(tài)再結晶：）亞動態(tài)再結晶：變形過程中形成的再結晶核心或長大未完成的小晶體，在變形過程停止后的繼續(xù)長大。4）靜態(tài)回復和靜態(tài)再結晶：）靜態(tài)回復和靜態(tài)再結晶：變形過程停止后，由于在較高的溫度下，這時所發(fā)生的回復過程和重新形核并長大的再結晶過程。 6.3 熱加工時的軟化機制熱加工時的軟化機制 6.4 熱加工對材料組織性能的影響熱加工對材料組織性能的影響 熱加工過程中，盡管加工硬化和再結晶軟化互相抵消，但材料經(jīng)過熱加工后，組織性能也會帶來一系列的變化。 1)為了控制材料的最后組織，如晶粒尺寸，必需控制好最后的變形量和變形停止時的溫度，又稱為終鍛溫度，終鍛溫度過高，最后