第七章_金屬及合金的回復(fù)再結(jié)晶

1、第七章第七章 金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶1. 形變金屬材料退火過程中的組織和性能變化2. 回復(fù) 3. 再結(jié)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(xué)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(yīng)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(shí)間的熱處理 工藝，按目的又可分為去應(yīng)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(shí)的組織與性能變化 1.1 回復(fù)與再結(jié)晶回 復(fù)：冷變形金屬較低溫加熱時(shí)，顯微組織無可見

2、變化，但其物理、 力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前的過程。再結(jié)晶：冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，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(qiáng)化效應(yīng)完全消 除的過程。1.2 顯微組織變化回 復(fù) 階 段 ：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化；再 結(jié) 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(dá)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(xué)性能力學(xué)性能回 復(fù) 階 段 ： 強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高。再結(jié)晶階段： 強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。晶粒長大階段：強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降,塑性繼續(xù)提高，粗

3、化 嚴(yán)重時(shí)下降。物理性能密 度 : 在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急劇升高；電 阻 ：電阻在回復(fù)階段可明顯下降。形變儲能：回復(fù)階段部分釋放，再結(jié)晶至長大初期完全釋放。1.4 內(nèi)應(yīng)力變化回 復(fù) 階 段： 大部分或全部消除第一類 內(nèi)應(yīng)力，部分消除第二、 三類內(nèi)應(yīng)力；再結(jié)晶階段： 內(nèi)應(yīng)力可完全消除。第二節(jié) 回 復(fù)（Recovery） 所謂回復(fù)，即在加熱溫度較低時(shí)，僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯的遷移而引起的某些晶內(nèi)的變化。2.1 回復(fù)時(shí)組織性能變化 1) 宏觀應(yīng)力基本去除，微觀應(yīng)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(xué)性能，如硬度和流變應(yīng)力，覺察不到

4、有明顯的變化； 4) 光學(xué)金相組織看不出任何變化，溫度較高發(fā)生回復(fù)，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(fù)機(jī)制 低溫階段 點(diǎn)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(yùn)動到刃位錯處消失，引起位錯的攀移- 點(diǎn)缺陷運(yùn)動到界面處消失。中溫階段: p纏結(jié)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(fù)高溫回復(fù)1) 位錯攀移和位錯環(huán)縮??；2) 亞晶粒合并；3) 多邊化。 多邊化 是指冷變形金屬加熱時(shí)，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(yīng)變能的

5、降低。 去應(yīng)力退火 降低應(yīng)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(fù)應(yīng)用回復(fù)應(yīng)用 第三節(jié) 再結(jié)晶(Recrystallization)3.1 再結(jié)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(shí)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(fù)到冷變形前的水平，這個過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)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(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，因此它們是屬于同一個相。p 再結(jié)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(jié)晶的熱力學(xué)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(jié)晶，晶粒以形核和晶核長大來進(jìn)行，但再結(jié)晶過程不是相變。原因有：3.2 再結(jié)晶形核再結(jié)晶的形核是個復(fù)雜的過程。最初人們嘗試用經(jīng)典的形核理論來處理再結(jié)晶過程，但計(jì)算得到的臨界晶核半徑過大，與試驗(yàn)結(jié)果不符。大量實(shí)驗(yàn)表明，再結(jié)晶晶核總是在塑性變形引起的最大畸變處形成，并且回復(fù)階段發(fā)生的多變化是再結(jié)晶形核的必要準(zhǔn)備。3.2.1 亞晶粒長大形核機(jī)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(fù)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(jī)制。a. 亞晶合并機(jī)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(dǎo)致原來亞晶界的消失，最后通過原子擴(kuò)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(jié)晶的晶核。b. 亞晶界移動機(jī)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(jié)晶晶核。3.2.2 晶界凸出形核機(jī)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(shí)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(yīng)為無畸變區(qū)，這個區(qū)域就是再結(jié)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(yīng)變能，新晶粒不斷長大到相遇，最后全部為新晶粒，再結(jié)晶完成。 3.3 長大長大3.3.4 影響再結(jié)晶的因素影響再結(jié)晶的因素 原子結(jié)合力大，熔點(diǎn)高的材料，再結(jié)晶進(jìn)行較慢； 材料的純度，純凈材料如純金屬，進(jìn)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(shí)，將降低再結(jié)晶的速度； 第二相質(zhì)點(diǎn)特別是呈彌散分布時(shí)，將明顯降低再結(jié)晶的速度。 材料因素材料因素加熱溫度愈高，再結(jié)晶速度愈快；變形量大，彈性畸變能大，再結(jié)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(shí)，再結(jié)晶就不能發(fā)生。發(fā)生再結(jié)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(jié)晶的因素 工藝因素第四節(jié) 晶粒長大 再結(jié)晶剛完成時(shí)，得到的是等軸細(xì)晶粒組織。繼續(xù)提高退火溫度或延長保溫時(shí)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(xué)條件總是滿足的，長大與否還需滿足動力學(xué)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(shí)作用在圖中曲面單位面積上的驅(qū)動力DP為：當(dāng)曲面為球面時(shí)，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(jié)晶時(shí)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(xué)Beck及其同事首先建立了純金屬和單相合金等溫退火時(shí)晶粒長大動力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)公式：Kt其中：t是退火時(shí)間，而和是與材料和溫度有關(guān)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(diǎn)時(shí)才等于0.5。由此可見純金屬和單相合金，在較低溫退火時(shí)，隨保溫時(shí)間的延長，晶粒長大得較慢。相反，在高溫退火時(shí)，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(dāng)三個晶粒相交晶界夾角不等于120o時(shí)，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(guān)，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(biāo)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(dāng)晶界邊數(shù)為6時(shí)，晶界很平直且夾角為120o時(shí)，則晶界處于穩(wěn)定狀態(tài)，不再移動，要達(dá)到這樣的平衡狀態(tài)需要很長的保溫時(shí)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(shí)間而變。Johnson-Mehl公式中假設(shè)不變是不符合實(shí)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(shí)，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(diǎn)對于阻礙晶界的運(yùn)動去重要作用。當(dāng)運(yùn)動的晶界遇到球形(簡化起見)第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，第二相質(zhì)點(diǎn)對晶界運(yùn)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?jǐn)?shù)成反比。l二相顆粒愈細(xì)小，數(shù)量愈多，則對晶粒長大的阻滯能力愈強(qiáng)。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?jǐn)?shù)，而二相顆粒本身的性質(zhì)影響相對較小，因?yàn)樗挥绊慳值。l應(yīng)

14、用實(shí)例：燈泡W絲中加ThO2質(zhì)點(diǎn)；鋼中含有Al2O3或AlN質(zhì)點(diǎn)、Mg中加入微量Zr，Al中含有MnAl6質(zhì)點(diǎn)，均可明顯阻止加熱時(shí)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(jié)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(jié)晶”異常長大的實(shí)質(zhì)是一次再結(jié)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(dǎo)致晶粒分布嚴(yán)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(gòu)）粒、織構(gòu)） 強(qiáng)烈強(qiáng)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(jī)制 再結(jié)晶織構(gòu)中位向一致晶粒的合并. 大晶粒吞并小晶粒. 各向異性 織構(gòu)明顯 優(yōu)化磁導(dǎo)率 對組織和性能的影響 性能不均 晶粒粗大 降低強(qiáng)度和塑韌性 提高表面粗糙度第五節(jié) 再結(jié)晶后的組織 p 再結(jié)晶溫度 p 再結(jié)晶后的晶粒尺寸 p 其它組織變化 5. 1 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度 再結(jié)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(jié)晶溫度與材料

16、的類型、純度有關(guān)，而且和材料冷變形程度也有關(guān)。再結(jié)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(jié)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(jié)晶后的晶粒尺寸因素預(yù)變形量：預(yù)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(jié)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(jié)晶后的尺寸很大，有時(shí)甚至可得到單晶；一般情況隨著變形量的增加，再結(jié)晶后的晶粒尺寸不斷減小；當(dāng)變形量過大(70%)后，可能產(chǎn)生明顯織構(gòu)，在退火溫度高時(shí)發(fā)生晶粒的異常長大。退火溫度和時(shí)間：退火溫度和時(shí)間：退火溫度高，完成再結(jié)晶用的時(shí)間少

17、，長大的時(shí)間就長，所以隨退火溫度的提高而晶粒尺寸增大。再結(jié)晶退火一般均采用保溫 2小時(shí)，保證再結(jié)晶充分完成而晶粒不過分長大，延長保溫時(shí)間顯然會造成晶粒尺寸的長大。 5.2 影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素5.2 影響再結(jié)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(diǎn)，特別是彌散分布時(shí)，都將促進(jìn)再結(jié)晶后的晶粒細(xì)化。 4) 原始晶粒大?。涸谄渌麠l件相同時(shí)，材料變形前的晶粒尺寸愈細(xì)小，晶界面多，有利形核，再結(jié)晶后的晶粒也細(xì)小。 5) 變形溫度：材料變形溫度較高，或再結(jié)晶退火前進(jìn)行較有效的回復(fù)處理，因降低了畸變能，可使再結(jié)晶后的晶粒變粗。 p 應(yīng)避免在臨界變形量

18、；p 同時(shí)一次不宜進(jìn)行過大的變形，防止產(chǎn)生組織織構(gòu)或出現(xiàn)晶粒的異常長大；p 嚴(yán)格控制再結(jié)晶退火的溫度和保溫時(shí)間，以保證再結(jié)晶能充分完成而晶粒不過分長大?？刂品椒ㄔ俳Y(jié)晶晶粒尺寸和凝固結(jié)晶一樣，決定于形核率和長大速率的比值。為了防止再結(jié)晶后晶粒粗大，材料需要進(jìn)行再結(jié)晶退火時(shí)：5.2 影響再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素5.3 其他組織變化 再結(jié)晶織構(gòu)材料的冷變形程度較大，如果產(chǎn)生了變形織構(gòu)，在再結(jié)晶后晶粒取向的遺傳，組織依然存在擇優(yōu)取向，這時(shí)的織構(gòu)稱為再結(jié)晶織構(gòu)。 再結(jié)晶織構(gòu)對進(jìn)一步的加工不利。如沖壓再結(jié)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(jié)構(gòu)的金屬及合金，再結(jié)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(jié)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(yīng)力3.熱加工時(shí)的軟化機(jī)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(jié)晶溫度以上的加工稱為“熱加工”。p 溫加工：低于再結(jié)晶溫度高于室溫的加工。p 冷加工：室溫加工。p Sn的再結(jié)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(yīng)力熱加工所需的應(yīng)力稱為流變應(yīng)力。塑性變形一方面產(chǎn)生加工硬化，進(jìn)一步變形需要加大應(yīng)力，另一方面在再結(jié)晶溫度以上，材料會發(fā)生再結(jié)晶軟化，可使變形應(yīng)力減小，并且加工硬化程度越高，再結(jié)晶速度越快，二者達(dá)到動態(tài)平衡后

20、，繼續(xù)變形就不需要再加大應(yīng)力，也就是在這個應(yīng)力作用下能一直變形，這個應(yīng)力就是流變應(yīng)力。流變應(yīng)力的大小和材料的本質(zhì)有關(guān)，由材料成分所決定的強(qiáng)度高，對應(yīng)的流變應(yīng)力必然也高。此外，還和變形溫度和變形速度有直接的關(guān)系，流變應(yīng)力隨變形速率(單位時(shí)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(shí)的軟化機(jī)制熱加工時(shí)的軟化機(jī)制 在高溫下，塑性變形的同時(shí)，發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的軟化，盡管軟化本身的方式也是屬于回復(fù)和再結(jié)晶，由于變形硬化和軟化同時(shí)發(fā)生，軟化具有自己的特點(diǎn)，熱加工時(shí)軟化有以下類型：1）動態(tài)回復(fù)：）動態(tài)回復(fù)：在熱加工的溫度下，材料可以進(jìn)行較快回復(fù)過程。它不同于靜態(tài)回復(fù)，材料在變形的同時(shí)，一方

21、面變形在增加缺陷，另一方面以回復(fù)方式減少部分缺陷，某些性能因二者的同時(shí)作用可達(dá)到動態(tài)平衡，維持在某一固定的水平。 2）動態(tài)再結(jié)晶）動態(tài)再結(jié)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(jié)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(jìn)行，長大的晶粒也在變形中，一邊長大的同時(shí)，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(jié)晶中生成長大的晶粒當(dāng)變形超過一定程度會再次形核長大，如此周而復(fù)始。材料中的平均統(tǒng)計(jì)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(yīng)力。 6.3 熱加

22、工時(shí)的軟化機(jī)制熱加工時(shí)的軟化機(jī)制 3）亞動態(tài)再結(jié)晶：）亞動態(tài)再結(jié)晶：變形過程中形成的再結(jié)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(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶：）靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶：變形過程停止后，由于在較高的溫度下，這時(shí)所發(fā)生的回復(fù)過程和重新形核并長大的再結(jié)晶過程。 6.3 熱加工時(shí)的軟化機(jī)制熱加工時(shí)的軟化機(jī)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(jié)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(shí)的溫度，又稱為終鍛溫度，終鍛溫度過高，最后