材料科学基础4-回复、再结晶优秀PPT.ppt

第九章第九章 回复、再结晶与热加工回复、再结晶与热加工1 1 变形金属加热时组织性能变化的特点变形金属加热时组织性能变化的特点2 2 回复回复3 3 再结晶再结晶4 4 晶粒长大晶粒长大5 5 金属的热加工金属的热加工6 6 超塑性超塑性1 1 变形金属加热时组织性能变化的特点变形金属加热时组织性能变化的特点 储能是促使冷变形金属发生变化的驱动力。观察冷变形金属加热时的变化，从储能释放及组织结构和性能的变化来分析，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。一、一、变形金属加热时变形金属加热时显微组织的变化显微组织的变化二、二、变形金属加热时变形金属加热时储能的释放储能的释放A:纯金属B：不纯的金属C：合金三、三、变形金属加热时变形金属加热时性能的变化性能的变化2 2 回复回复一、回复动力学一、回复动力学1回复动力学曲线回复动力学回复动力学特点特点：（1）回复过程没有孕育期，随着退火的开始进行,发生软化。（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，以后逐渐变慢，直到最后回复速率为零。（3）每一温度的回复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高,而达到此极限所需时间则越短（4）回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。2 2回复动力学方程回复动力学方程 设P为冷变形后在回复阶段发生变化的某种性能，如临界切应力，P0为变形前该性能的值，P=P-P0为加工硬化造成的该性能的增量，与晶体中晶体缺陷的体积浓度CP成正比。P-P0=P=K CP （1）将（1）式对时间t求导，得出CP与P随时间的变化率为：(2)缺陷的变化是一个热激活的过程，设激活能为Q，仿照化学动力学的方法，对一级反应，反应速度与浓度的一次方成比例则（2）式变为：将（1）式代入：（3）积分得：（4）由（4）式得出：回复阶段性能随时间而衰减，服从指数规律。如果采用两个不同的温度将同一冷变形金属的性能回复到同样的程度，则回复动力学方程回复动力学方程例：已知锌单晶的回复激活能Q=20000cal/mol，在0回复到残留75%的加工硬化需5min，请问在27和-50回复到同样程度需多长时间？解：（min）min13（天）测量出几个不同温度下回复到相同P值所需的时间，利用（4）式并取对数，得到：从 关系可求出激活能，利用Q以推断可能的回复机制。二、回复机制二、回复机制 一般认为是点缺陷和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的组态和分布。1.低温回复：回复的机制主要是过剩空位的消失，趋向于平衡空位浓度。2.中温回复：其主要机制是位错滑移导致位错重新组合；异号位错会聚而互相抵消以及亚晶粒长大。3.高温回复：回复机制是包括攀移在内的位错运动和多边化，以及亚晶粒合并。三、回复退火的应用三、回复退火的应用 主主要要用用作作去去应应力力退退火火，使使冷冷加加工工金金属属在在基基本本上上保保持持加加工工硬硬化化的的状状态态下下降降低低其其内内应应力力，以以稳稳定定和和改改善善性性能能，减减少少变变形和开裂，提高耐蚀性。形和开裂，提高耐蚀性。3 3 再结晶再结晶 冷冷变变形形后后的的金金属属加加热热到到一一定定温温度度后后，在在原原来来的的变变形形组组织织中中产产生生无无畸畸变变的的新新晶晶粒粒，而而且且性性能能恢恢复复到到变变形形以以前前的的完完全全软软化化状状态态，这这个个过过程程称称为为再再结结晶。晶。其驱动力为冷变形时所产生的储能。其驱动力为冷变形时所产生的储能。一、再结晶的形核与长大一、再结晶的形核与长大1形核1).亚晶粒粗化的形核机制一般发生在冷变形度大时 A.亚晶合并形核，适于高层错能金属。再结晶的形核再结晶的形核亚晶粒粗化的形核之之-B.亚晶粒长大形核 适于低层错能金属，通过亚晶合并和亚晶长大，使亚晶界与基体间的取向差增大，直至形成大角度晶界，便成为再结晶的核心再结晶的形核再结晶的形核-（2）原有晶界弓出的形核机制 一般发生在形变较小的金属中，变形不均匀，位错密度不同2再结晶的长大再结晶的长大 形核之后，无畸变核心与周围畸变的旧晶粒之间的应变能差是核心长大的驱动力，当各个新晶粒彼此接触，原来变形的旧晶粒全部消失时，再结晶过程即告完成。二、再结晶动力学二、再结晶动力学1恒温动力学曲线 冷轧60%的含Si3.25钢的等温再结晶曲线再结晶恒温动力学曲线特点（1）具有S形特征，存在孕育期（2）再结晶速率开始时很小，然后逐渐加快，再结晶体积分数约为0.5时，速度达到最大值，随后逐渐减慢（3）温度越高，转变速度越快。再结晶恒温动力学方程2 2Johnson-MehlJohnson-Mehl（约翰逊（约翰逊梅厄）方程梅厄）方程=1-exp（-G3N 4/3）：已再结晶体积分数 N：形核速度G：长大速度 :退火保温时间3Avrami（阿弗瑞米）方程：=1-exp（-ktn）：已再结晶体积分数 k,n：系数t：退火保温时间 阿弗瑞米方程较约翰逊梅厄方程更为适用。三、三、影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素 通通 常常 把把 再再 结结 晶晶 温温 度度 定定 义义 为为 经经 过过 严严 重重 冷冷 变变 形形 的的 金金 属属（70%70%），加加热热1 1小小时时，再再结结晶晶体体积积占占到到总总体体积积的的95%95%的的温温度度。另另外外，有有的的文文献献把把保保温温30-60min30-60min，开开始始发发生生再再结结晶晶或或完完成成50%50%再再结结晶晶的的温温度度定定义义为为再再结结晶晶温温度度，因因此此，引引用用再再结结晶晶温温度度时时，必必须须注意它的具体条件注意它的具体条件。对于工业纯金属，其起始再结晶温度与熔点之间存在下列关系：对于工业纯金属，其起始再结晶温度与熔点之间存在下列关系：T T再再=（0.3-0.40.3-04）T T熔1 1退火温度影响形核和长大退火温度影响形核和长大 N=N0exp（-QN/RT），G=G0exp（-QG/RT）N0、G0：常数常数 Q QN、Q QG：形核激活能和长大激活能：形核激活能和长大激活能 升高退火温度，将显著提高形核率和升高退火温度，将显著提高形核率和G G，再结晶速度加快。，再结晶速度加快。影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之2 2变变形形程程度度：变变形形程程度度增增高高，再再结结晶晶速速度度加加快快，再再结结晶晶温温度降低，并逐步趋于一稳定值度降低，并逐步趋于一稳定值。例1：纯Zr 当面积缩减13%时，557完成等温再结晶需40h 当面积缩减51%时，557完成等温再结晶需16h：例例2 2影影响响再再结结晶晶速速率率与与再再结结晶晶温温度度的的主主要要因因素素之之3 3微量溶质原子或杂质：微量溶质原子或杂质：微微量量溶溶质质原原子子或或杂杂质质提提高高金金属属的的再再结结晶晶温温度度，降降低低再再结结晶速度晶速度材 料 50%再结晶的温度（）备 注光谱纯铜140Cu的原子半径为1.28光谱纯铜加入0.01%Ag205Ag的原子半径为1.44 光谱纯铜加入0.01%Cd305Cd 原子半径为1.52 影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之4 4第二相：第二相：第二相可能促进，也可能阻碍再结晶，主要取决第二相可能促进，也可能阻碍再结晶，主要取决于基体上第二相粒子的大小及其分布于基体上第二相粒子的大小及其分布。设粒子间距为设粒子间距为 ，粒子直径为，粒子直径为didi：1m1m，di0.3m di0.3m 第第 二二 相相 粒粒 子子 降降 低低 再再 结结 晶晶 温温 度度，提提 高高 再结晶速度再结晶速度 1m1m，di0.3m di0.3m 第二相粒子提高再结晶温度，降低第二相粒子提高再结晶温度，降低 再结晶速度再结晶速度合 金（m）di对再结晶的影响Cu+B4C52m促进Cu+Al2O32.5300阻碍Cu+Co+SiO20.5-1.0m800阻碍影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之5 5原始晶粒原始晶粒 原始晶粒细小使再结晶速度增加，再结晶温度原始晶粒细小使再结晶速度增加，再结晶温度 降低。降低。6 6加热速度加热速度 极快的加热或加热速度过于缓慢时，再结晶速度极快的加热或加热速度过于缓慢时，再结晶速度降低，再结晶温度上升。降低，再结晶温度上升。7 7加热时间加热时间 在一定范围内延长加热时间会降低再结晶温度在一定范围内延长加热时间会降低再结晶温度例：例：纯纯AlAl的加热时间与再结晶温度的关系的加热时间与再结晶温度的关系：加热时间14天40小时6小时1分钟5秒T再254060100150四、再结晶后晶粒大小的控制四、再结晶后晶粒大小的控制再再 结结 晶晶 后后 晶晶 粒粒 尺尺 寸寸 d d与与 G G和和 之之 间间 存存 在在 下下 列列 关关 系系：d=d=常常 数数（G/NG/N）1/41/4）上上式式表表明明：增增大大形形核核率率或或减减小小长长大大速速率率G G可可以以得得到到细细的的再再结结晶晶晶晶粒粒 1 1变形程度变形程度对应于再结晶后对应于再结晶后得到特别粗大晶得到特别粗大晶粒的变形程度称粒的变形程度称为为“临界变形度临界变形度”，一般为一般为2-10%2-10%，当变形量超过临当变形量超过临界变形度以后，界变形度以后，随变形度增加，随变形度增加，再结晶晶粒变细。再结晶晶粒变细。四、再结晶后晶粒大小的控制之四、再结晶后晶粒大小的控制之2 2原始晶粒大小原始晶粒大小 原始晶粒越细，再结晶后晶粒越细原始晶粒越细，再结晶后晶粒越细。四、再结晶后晶粒大小的控制之四、再结晶后晶粒大小的控制之-3 3退火温度退火温度 当变形程度和保温时间一定时，退火温度当变形程度和保温时间一定时，退火温度越高，所得到的晶粒越粗大。越高，所得到的晶粒越粗大。如图，如图，H68H68合金随终轧温度由合金随终轧温度由a a至至d d的的的提高，再结晶晶粒越大的提高，再结晶晶粒越大 四、再结晶后晶粒大小的控制之四、再结晶后晶粒大小的控制之4.4.加热速度加热速度 加热速度很慢将使晶粒粗化加热速度很慢将使晶粒粗化 5 5合金元素及第二相合金元素及第二相 在在其其他他条条件件相相同同的的情情况况下下，凡凡延延缓缓再再结结晶晶及及阻阻碍碍晶晶粒粒长长大大的的合合金金元元素素或或杂杂质质均使金属再结晶后得到细晶粒组织均使金属再结晶后得到细晶粒组织。五、再结晶全图五、再结晶全图 将变形程度、退火温度与再结晶后晶将变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系（保温时间一定）表示在一个立体图上，就构成了粒大小的关系（保温时间一定）表示在一个立体图上，就构成了“再结再结晶全图晶全图”。六、再结晶织构六、再结晶织构1 1定义定义：冷变形金属在再结晶过程中形成的织构。冷变形金属在再结晶过程中形成的织构六、再结晶织构对性能的影响六、再结晶织构对性能的影响六六、再再结结晶晶织织构构-2 2形成理论形成理论定向生长理论定向生长理论-取向取向有利的晶核，其晶界有利的晶核，其晶界可获得最快的移动速可获得最快的移动速率，（率，（FCCFCC中，两个中，两个晶粒最佳取向差为晶粒最佳取向差为30304040时，晶界时，晶界的移动速率最快，如的移动速率最快，如图），较合理图），较合理定向成核理论定向成核理论-再结再结晶有形核过程，母体晶有形核过程，母体有织构，再结晶后的有织构，再结晶后的晶体也会形成新的织晶体也会形成新的织构。构。七、退火孪晶七、退火孪晶 。面面心心立立方方金金属属和和合合金金（如如铜铜、黄黄铜铜、不不锈锈钢钢等等）经经加加工工及再结晶退火后，经常在再结晶退火组织中发现孪晶。及再结晶退火后，经常在再结晶退火组织中发现孪晶。退火孪晶是由于新晶粒界面退火孪晶是由于新晶粒界面 在推进过程中由于某些原因（如热在推进过程中由于某些原因（如热 应力等）而出现堆垛层错而造成的。应力等）而出现堆垛层错而造成的。111111面面 ABCABCBACBACBABCABCABCABCABCBACBACBABCABCABC 孪晶带孪晶带 七七、退退火火孪晶孪晶退退火火孪孪晶晶的的形形成成与与层层错错能能有有关关。CuCu和和奥奥氏氏体体钢钢的的层层错错能能低低，易易形形成成孪孪晶。晶。4 4 晶粒长大晶粒长大 晶粒长大的驱动力是晶界能的下降晶粒长大的驱动力是晶界能的下降,即长大前后的界面能差值。即长大前后的界面能差值。一、晶粒的正常长大一、晶粒的正常长大 1.1.定定义义：指指晶晶体体中中有有许许多多晶晶粒粒获获得得长长大大条条件件，晶晶粒粒的的长长大大是是连连续续地地，均均匀匀地地进进行行，晶晶粒粒长长大大过过程程中中晶晶粒粒的的尺尺寸寸是是比比较较均均匀匀的的，晶晶粒粒平平均均尺尺寸寸的的增增大大也也是连续的。是连续的。2.2.晶粒长大的方式晶粒长大的方式（1 1）弯曲的晶界总是趋向于平直化，即向曲率中心移动以减少）弯曲的晶界总是趋向于平直化，即向曲率中心移动以减少界面积，同时，大角度晶界的迁移率总是大于小角度晶界的迁界面积，同时，大角度晶界的迁移率总是大于小角度晶界的迁移率。移率。当晶界为三维空间的任意曲面时，作用在单位界面上的力当晶界为三维空间的任意曲面时，作用在单位界面上的力P P为：为：P=P=（1/R1/R1 1+1/R+1/R2 2）晶粒长大晶粒长大-晶粒长大的方式晶粒长大的方式P：晶界迁移的驱动力晶界迁移的驱动力 ，：晶界单位面积：晶界单位面积 的界面能的界面能 R1R1、R2R2：曲面的两个主曲率半径：曲面的两个主曲率半径 如果空间曲面为球面时，如果空间曲面为球面时，R R1 1=R=R2 2 P=2/R P=2/R，即：晶界迁移的驱动力与其曲率半径即：晶界迁移的驱动力与其曲率半径R R成反比，与界面能成正比。成反比，与界面能成正比。晶晶粒粒长长大大-晶粒长大的方式晶粒长大的方式（2 2）晶晶界界总总是是向向角角度度较较锐锐的的晶晶粒粒方方向向移移动动，力力图图使使三三个个夹夹角角都都等等于于120120o o。当界面张力平衡时：当界面张力平衡时：因因 为为 大大 角角 度度 晶晶 界界T TA A=T=TB B=T=TC C，而而 A+B+C=360A+B+C=360o o A=B=C=120 A=B=C=120o o晶粒长大晶粒长大-晶粒长大的方式晶粒长大的方式（3 3）在二维坐标中，）在二维坐标中，晶界边数少于晶界边数少于6 6的晶的晶粒，其晶界向外凸出，粒，其晶界向外凸出，必然逐渐缩小，甚至必然逐渐缩小，甚至消失，而边数大于消失，而边数大于6 6的晶粒，晶界向内凹的晶粒，晶界向内凹进，逐渐长大，当晶进，逐渐长大，当晶粒的边数为粒的边数为6 6时，处时，处于稳定状态。于稳定状态。在三维坐标中，在三维坐标中，晶粒长大最后稳晶粒长大最后稳定的形状是正十定的形状是正十四面体。四面体。晶粒长大晶粒长大-3 3影响晶粒长大（即晶界迁移率）的因素影响晶粒长大（即晶界迁移率）的因素（1 1）温度）温度 温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大 G=G0exp（-QG/RT）G G：晶界迁移速度：晶界迁移速度 G G0 0：常数：常数 Q QG G：晶界迁移的激活能：晶界迁移的激活能（2 2）第二相）第二相 晶粒长大的极限半径晶粒长大的极限半径 R=kr/fR=kr/fK K：常数：常数 r r：第二相质点半径：第二相质点半径 f f：第二相的体积分数：第二相的体积分数 第第二二相相质质点点的的数数量量越越多多，颗颗粒粒越越小小，则则阻阻碍碍晶晶粒粒长长大大的的能能力越强。力越强。（3 3）可可溶溶解解的的杂杂质质或或合合金金元元素素阻阻碍碍晶晶界界迁迁移移，特特别别是是晶晶界界偏偏聚聚现现象象显显著著的的元元素素，其其阻阻碍碍作作用用更更大大。但但当当温温度度很很高高时时，晶晶界偏聚可能消失，其阻碍作用减弱甚至消失。界偏聚可能消失，其阻碍作用减弱甚至消失。晶晶粒粒长长大大-晶晶粒粒长长大大极极限限半半径径公公式式的的推推导导设设第第二二相相颗颗粒粒为为球球形形，对对晶晶界界的的阻阻力力为为F F，与驱动力平衡与驱动力平衡F=.2rcosF=.2rcoscoscos（9090-）=2rcos=2rcoscoscos（-）(1)(1)角角只只取取决决于于第第二二相相颗颗粒粒与与晶晶粒粒间间的的表表面面张张力力，可可看看作作恒恒定值，定值，F，的分量的分量晶粒长大极限半径公式的推导晶粒长大极限半径公式的推导-现将（现将（1 1）式对）式对求极大值，令求极大值，令dF/d=0 dF/d=0，可得：，可得：Fmax=rFmax=r（1+cos1+cos）（2 2）假假设设在在单单位位面面积积的的晶晶界界面面上上有有N NS S个个第第二二相相颗颗粒粒，其其半半径径都为都为r r，则总阻力，则总阻力 F F总总=N=NS Srr（1+cos1+cos）（3 3）设单位体积中有设单位体积中有N NV V个质点，其体积个质点，其体积 分数为分数为f f，f=f=（4/34/3）r r3 3 N NV V/1/1 =（4/34/3）r r3 3 N NV V 故，故，N NV V=3 f/=3 f/（4 r4 r3 3 ）（4 4）晶粒长大极限半径公式的推导晶粒长大极限半径公式的推导-取取单单位位晶晶界界面面积积两两侧侧厚厚度度皆皆为为r r的的正正方方体体，所所有有中中心心位位于于这这个个1 11 12r2r体体积积内内半半径径为为r r的的第第二二相相颗颗粒粒，都都将将与与这这部部分分晶晶界界交交截，单位面积晶界将与截，单位面积晶界将与1 11 12r2rNVNV个晶粒交截。个晶粒交截。N NS S=2rN=2rNV V （5 5）将（将（4 4）、（）、（5 5）式代入（）式代入（3 3）式，有）式，有 F F总总=3f=3f（1+cos1+cos）/（2r 2r）（6 6）这个总阻力与晶界驱动力这个总阻力与晶界驱动力2/R2/R平衡平衡 2/R=3f2/R=3f（1+cos1+cos）/（2r2r）整理得：整理得：R=R=（4r/3f4r/3f）（）（1+1/cos 1+1/cos）（7 7）可看作常数，令可看作常数，令K=1+1/cos K=1+1/cos （8 8）R=Kr/fR=Kr/f二、晶粒的异常长大（二次再结晶）二、晶粒的异常长大（二次再结晶）1.1.定定义义：将将再再结结晶晶完完成成后后的的金金属属继继续续加加热热至至某某一一温温度度以以上上，或或更更长长时时间间的的保保温温，会会有有少少数数晶晶粒粒优优先先长长大大，成成为为特特别别粗粗大大的的晶晶粒粒，而而其其周周围围较较细细的的晶晶粒粒则则逐逐渐渐被被吞吞食食掉掉，整整个个金金属属由由少少数数比比再结晶后晶粒要大几十倍甚至几百倍的特大晶粒组成。再结晶后晶粒要大几十倍甚至几百倍的特大晶粒组成。二、晶粒的异常长大二、晶粒的异常长大（二次再结晶）（二次再结晶）2.2.驱驱动动力力：同同正正常常晶晶粒粒长长大大一一样样，是是长长大大前前后的界面能差后的界面能差3.3.产生条件产生条件：正常晶粒正常晶粒长大过程被弥散的第长大过程被弥散的第二相质点或杂质、织二相质点或杂质、织构等所强烈阻碍。构等所强烈阻碍。4.4.对性能的影响对性能的影响：得到得到粗大组织，降低材料粗大组织，降低材料的室温机械性能，大的室温机械性能，大多数情况下应当避免。多数情况下应当避免。5 5 金属的热加工金属的热加工 将将金金属属或或合合金金加加热热至至再再结结晶晶温温度度以以上上进进行行的的压压力力加加工称为热加工。工称为热加工。热热加加工工时时，硬硬化化过过程程与与软软化化过过程程是是同同时时进进行行的的，按按其特征不同，可分为下述五种形式：其特征不同，可分为下述五种形式：(1)动态回复(2)动态再结晶 （1）、（）、（2）是在温度和负荷联合作用下发生的。）是在温度和负荷联合作用下发生的。(3)亚动态再结晶(4)静态再结晶(5)静态回复 （3）、（4）、（5）是是在在变变形形停停止止之之后后，即即在在无无负负荷作用下发生的。荷作用下发生的。一一、动动态态回回复复和动态再结晶和动态再结晶1 1动态回复动态回复（1）真真应应力力真应变曲线真应变曲线 I微应变阶段微应变阶段 II动动态态回回复复的的初初始阶段始阶段 III稳稳态态变变形形阶阶段段动态回复动态回复-（2 2）组织结）组织结构的变化构的变化 热加工后热加工后的晶粒沿变的晶粒沿变形方向伸长，形方向伸长，同时，晶粒同时，晶粒内部出现动内部出现动态回复所形态回复所形成的等轴亚成的等轴亚晶粒。晶粒。亚晶尺寸与稳亚晶尺寸与稳态流变应力态流变应力成反比，并成反比，并随变形温度随变形温度升高和变形升高和变形速度降低而速度降低而增大。增大。动态回复动态回复-(3(3）动态回复的机制）动态回复的机制 是是位位错错的的攀攀移移和和交交滑滑移移，攀攀移移在在动动态态回复中起主要的作用。回复中起主要的作用。层层错错能能的的高高低低是是决决定定动动态态回回复复进进行行充充分与否的关键因素。分与否的关键因素。动动态态回回复复易易在在层层错错能能高高的的金金属属，如如铝铝及铝合金中发生。及铝合金中发生。2 2动态再结晶动态再结晶（1）真真应应力力真应变曲线真应变曲线I加加工工硬硬化化阶阶段段 （0c)II动态再结晶的动态再结晶的初始阶段初始阶段 （c0.5T熔 3等轴、复相的极细晶粒（d10m）三、组织超塑性变形后的组织变化三、组织超塑性变形后的组织变化1晶粒保持为等轴状，但产生粗化晶粒保持为等轴状，但产生粗化2有有明明显显的的晶晶界界滑滑动动和和晶晶粒粒转转动动，没没有有明明显显的的晶晶内内滑滑移移，也也没没有有位位错错密密度度的显著升高，看不到晶内亚结构。的显著升高，看不到晶内亚结构。3不产生织构。不产生织构。四、组织超塑性变形的机制四、组织超塑性变形的机制目前倾向于认为是晶界滑动和晶粒回转为主，伴有原子的扩散目前倾向于认为是晶界滑动和晶粒回转为主，伴有原子的扩散。微晶超塑变形机制（a）晶粒转换机制的二维表示法（b）伴随定向扩散的晶界滑动机制，虚线箭头代表体扩散方向总目录