第六章-回復與再結(jié)晶

1,冷加工變形：加工硬化，可使位錯數(shù)量增加，金屬的強度和硬度增加,冷加工缺點：內(nèi)應力，這種殘余應力在金屬零件進一步加工和使用過程中往往會產(chǎn)生不應有的變形，使用中也會由于大氣環(huán)境與內(nèi)應力的共同作用，造成零件的應力腐蝕；冷加工也可能使電阻率增加等。這時金屬處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。,2,奧氏體不銹鋼易發(fā)生應力腐蝕。即在特定合金-環(huán)境體系中，應力與腐蝕共同作用引起的破壞。應力腐蝕易在含Cl的介質(zhì)中發(fā)生，裂紋為樹枝狀。,3,第六章回復與再結(jié)晶Recoveryandrecrystallization,消除的方法退火處理。退火可使原子擴散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復、再結(jié)晶和晶粒長大過程。,4,recovery,recrystallization,graingrowth,6.1冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化,冷變形金屬在加熱時的組織變化,5,冷變形金屬在加熱時的組織變化,回復recovery是指新的無畸變晶粒出現(xiàn)前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和性能變化的階段，在金相顯微鏡中無明顯變化，仍保持原有的變形晶粒形貌，若通過TEM，則可觀察到位錯組態(tài)或亞結(jié)構(gòu)已開始發(fā)生變化。,recovery,recrystallization,graingrowth,6,冷變形金屬在加熱時的組織變化,recovery,recrystallization,graingrowth,再結(jié)晶recrystallization是指出現(xiàn)無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程。在開始階段，在畸變較大的區(qū)域里產(chǎn)生新的無畸變的晶粒核心，即再結(jié)晶的形核過程；然后通過逐漸消耗周圍變形晶粒而長大，轉(zhuǎn)變成為新的等軸晶，直至冷變形晶粒完全消失。,7,冷變形金屬在加熱時的組織變化,recovery,recrystallization,graingrowth,晶粒長大graingrowth是指再結(jié)晶結(jié)束后晶粒的長大過程，在晶界界面能的驅(qū)動下，新晶粒會發(fā)生合并長大，最終達到一個相對穩(wěn)定的尺寸。,8,冷變形金屬在加熱時的性能變化,A：強度、硬度和塑性strength,hardnessandductility：回復階段變化非常小，再結(jié)晶時硬度降低，塑性升高，晶粒長大后趨于緩慢。,9,B：電阻率resistivity：其大小與點陣中的點缺陷密切相關，隨溫度升高，空位濃度下降，故電阻率呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢。,C：內(nèi)應力innerstress：回復之后，宏觀內(nèi)應力基本消除，微觀內(nèi)應力部分消除；再結(jié)晶后，冷變形造成的內(nèi)應力全部消除。,D：密度density：密度在再結(jié)晶階段急劇增加，主要是由于此時位錯密度顯著降低造成的。,E：儲能的釋放energyrelease：當加熱到足以引起應力松弛的溫度時，儲能就釋放出來，再結(jié)晶階段儲能釋放最多，達到峰值。,10,黃銅的回復、再結(jié)晶和晶粒長大,（a）是黃銅冷加工變形量達到CW38后的組織，可見粗大晶粒內(nèi)的滑移線。（b）經(jīng)過580C保溫3秒后，試樣上開始出現(xiàn)白色小的顆粒，即再結(jié)晶出的新的晶粒。（c）是在580C保溫4秒后，顯示有更多新的晶粒出現(xiàn)。（d）在580C保溫8秒后，粗大的帶有滑移線的晶粒已完全被細小的新晶粒所取代，即完成了再結(jié)晶。（e）是保溫15分后的金相組織。晶粒已有所長大。（f）則是在700C保溫10分后晶粒長大的情形。,11,退火溫度與黃銅強度、塑性和晶粒大小的關系,退火溫度愈高晶粒長得愈大，拉伸強度下降得愈多，塑性則增加得愈多。,12,回復是指在加熱溫度較低時，由于金屬中的點缺陷及位錯近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號位錯相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。,由于位錯運動使其由冷塑性變形時的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植迹纬蓙喚Ы?，這一過程稱多邊形化polygonization。,5.2回復recovery,13,回復機理recoverymechanism,移至晶界、位錯處點缺陷運動空位間隙原子消失缺陷密度降低空位聚集（空位群、對）,1低溫回復機制點缺陷的運動！,14,異號位錯相遇而抵銷位錯密度降低位錯滑移位錯纏結(jié)重新排列亞晶規(guī)整化,2中溫回復機制位錯滑移！,15,位錯攀移（滑移）位錯垂直排列（亞晶界）多邊化（亞晶粒）彈性畸變能降低。,3高溫回復機制位錯攀移和滑移！,16,回復動力學recoverykinetics,R屈服強度回復率m變形后屈服強度r回復后屈服強度0原始態(tài)的屈服強度,（1-R）愈小，即R愈大，則回復程度愈大；回復過程無孕育期，加熱立刻開始回復；初期的回復速率大，隨后逐漸變慢；長時間退火后，性能出現(xiàn)一平衡值；預變形量愈大，起始回復速率愈大。,17,在回復階段，金屬組織變化不明顯，其強度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應力、電阻率等顯著下降。工業(yè)上，常利用回復現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱去應力退火reliefannealing。,18,回復階段退火的作用：提高擴散促進位錯運動釋放內(nèi)應變能,回復退火產(chǎn)生的結(jié)果：電阻率下降硬度、強度下降不多降低內(nèi)應力,19,當變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀：破碎拉長的晶粒等軸晶粒。這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱再結(jié)晶。,再結(jié)晶是一個晶核形成和長大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。,5.3再結(jié)晶recrystallization,20,由于再結(jié)晶后組織的復原，因而金屬的強度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。,驅(qū)動力：變形金屬經(jīng)回復后未被釋放的儲存能（相當于變形總儲能的90%）。,新晶粒長大通過短程擴散，再結(jié)晶程度依賴于溫度和時間。,再結(jié)晶的驅(qū)動力？,21,22,新晶粒的形核,形核：是在現(xiàn)存的局部高能區(qū)域內(nèi)，以多邊化形成的亞晶為基礎形核,變形程度較小時（小于20%），各晶粒間由于變形不均勻而引起位錯密度不同，相應亞晶尺寸不同，為降低系統(tǒng)的自由能，位錯密度小的晶粒中的亞晶通過晶界凸入另外晶粒中，以吞食方式開始形成無畸變的再結(jié)晶晶核。,1.晶界弓出形核（應變誘導晶界移動、凸出形核）,形核機制,23,2.亞晶形核：變形程度較大時發(fā)生此機制，又分為兩種,（a）亞晶合并機制：相鄰亞晶界上的位錯網(wǎng)絡通過解離、拆散、位錯的攀移、滑移，逐漸轉(zhuǎn)移到周圍其它亞晶界上，導致亞晶合并。（b）亞晶遷移機制：位錯密度較大的亞晶界，向位向差較大的周圍亞晶方向遷移，并逐漸轉(zhuǎn)化為大角晶界，成為成核中心并長大。,（a）,（b）,24,再結(jié)晶的形核率和長大速率,再結(jié)晶的形核率是指單位時間、單位體積內(nèi)形成的再結(jié)晶核心的數(shù)目，一般用N表示；晶核一旦形成便會繼續(xù)長大至相鄰晶粒彼此相遇，長大速率用G表示。,25,變形程度的影響：冷變形越大，儲能越多，驅(qū)動力越大，長大越快，T再越低,再結(jié)晶的形核與長大都受到儲存能的驅(qū)動，主要影響因素有：,原始晶粒尺寸：晶粒越細，變形抗力越大，變形后的儲能越高，T再越低；,微量溶質(zhì)原子：易于位錯交互作用，阻礙形核和長大，提高T再；,第二相粒子：可提高、或降低再結(jié)晶溫度；,退火工藝：加熱速度、加熱溫度、保溫時間等工藝參數(shù)的影響。,26,再結(jié)晶動力學再結(jié)晶體積分數(shù)vs.時間,約翰遜-梅厄（Johnson-Mehl）方程：,阿弗拉密（Avrami）方程：,假定條件：均勻成核、球形晶核，N、G不隨時間改變、恒溫,假定條件：均勻成核、球形晶核，N隨時間指數(shù)衰減、恒溫,27,再結(jié)晶與固態(tài)相變異同,再結(jié)晶的晶核不是新相，晶體結(jié)構(gòu)未變，而固態(tài)相變出現(xiàn)新相；固態(tài)相變傾向于晶界成核，而再結(jié)晶以亞晶為基礎；兩者動力學過程相似。,固態(tài)相變,再結(jié)晶,28,再結(jié)晶溫度recrystallizationtemperature,定義1：冷變形金屬開始進行再結(jié)晶的最低溫度。定義2：工業(yè)生產(chǎn)中，以經(jīng)過大變形量（70%以上）的變形金屬，經(jīng)1h退火后完成再結(jié)晶（R95%）所對應的溫度。,再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)進行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。,29,T再與的關系,影響再結(jié)晶溫度的因素：1、金屬的預先變形度：金屬預先變形程度越大,再結(jié)晶溫度越低。當變形度達到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結(jié)晶溫度。,純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間的近似關系:T再(0.35-0.4)T熔，其中T再、T熔為絕對溫度K.金屬熔點越高,T再也越高.,T再=(T熔+273)0.4273，如Fe的T再=(1538+273)0.4273=451,Fe的再結(jié)晶溫度？,30,2、金屬的純度金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點元素起阻礙擴散和晶界遷移作用，使再結(jié)晶溫度顯著提高.eg.C加入到純Fe中變成低C鋼，再結(jié)晶溫度變?yōu)?40。,3.原始晶粒尺寸：晶粒越細，再結(jié)晶溫度越低；4.第二相粒子：可提高、或降低再結(jié)晶溫度；,31,5、加熱速度和保溫時間,提高加熱速度會使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生,延長加熱時間,使原子擴散充分,再結(jié)晶溫度降低。生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火recrystallizationannealing。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100200。,32,再結(jié)晶后晶粒的大小,由約翰遜-梅厄方程得再結(jié)晶晶粒尺寸d為：,33,預先變形度的影響，實質(zhì)上是變形均勻程度的影響.當變形度很小時，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶.當變形達到210%時，只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個變形度稱臨界變形度。,1、預先變形度,當超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結(jié)晶時形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細而均勻，達到一定變形量之后，晶粒度基本不變。對于某些金屬，當變形量相當大時(90%)，再結(jié)晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認為這與形成織構(gòu)有關.,預先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響,再結(jié)晶晶粒大小的控制（晶粒大小變形量關系圖）,34,2原始晶粒尺寸:晶粒越小，驅(qū)動力越大，形核位置越多，使晶粒細化。3合金元素和雜質(zhì):增加儲存能，阻礙晶界移動，有利于晶粒細化。4溫度:變形溫度越高，回復程度越大，儲存能減小，晶粒粗化；退火溫度越高，臨界變形度越小，晶粒粗大。,再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響,35,再結(jié)晶的應用恢復變形能力改善顯微組織再結(jié)晶退火消除各向異性提高組織穩(wěn)定性再結(jié)晶退火溫度：T再100200。,36,黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大,580C保溫8秒后的組織,580C保溫15分后的組織,700C保溫10分后的組織,5.4再結(jié)晶后的晶粒長大graingrowth,再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個自發(fā)的過程。,37,驅(qū)動力：界面能差長大方式：正常長大；異常長大（二次再結(jié)晶）,38,晶粒長大Graingrowth正常長大,正常長大：大多數(shù)晶粒幾乎同時長大，晶粒長大的驅(qū)動力是降低其界面能，晶粒界面的不同曲率是造成界面遷移的直接原因，界面總是向曲率中心的方向移動。,晶粒長大示意圖,39,晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的強度，尤其是塑性和韌性降低。,40,影響晶粒長大的因素(1)溫度。溫度越高，晶界易遷移，晶粒易粗化。(2)分散相粒子。阻礙晶界遷移，降低晶粒長大速率。(3)雜質(zhì)與合金元素?！皻鈭F”作釘扎晶界,不利于晶界移動。(4)晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界，因而前者的移動速率低于后者。,41,晶粒長大Graingrowth異常長大,異常長大（不連續(xù)晶粒長大、二次再結(jié)晶）：少數(shù)晶粒突發(fā)性不均勻長大，使晶粒之間尺寸差別顯著增大，直至這些迅速長大的晶粒完全相互接觸為止。,形成條件：正常晶粒長大過程被分散相粒子、織構(gòu)或表面熱蝕溝等強烈阻礙，能夠長大的晶粒數(shù)目較少，致使晶粒大小相差懸殊。,42,各向異性織構(gòu)明顯優(yōu)化磁導率對組織和性能的影響晶粒大小不均性能不均降低強度和塑韌性晶粒粗大提高表面粗糙度,43,金屬經(jīng)過塑性變形后,回復,加工硬化,殘余應力,退化處理,再結(jié)晶,晶粒長大,特點,特點晶粒形核和長大再結(jié)晶溫度,長大特點,44,再結(jié)晶退火的組織1再結(jié)晶織構(gòu):對于變形織構(gòu)的金屬及合金，退火可將形變織構(gòu)消除，也可形成新織構(gòu)。擇優(yōu)形核（沿襲形變織構(gòu)）擇優(yōu)生長（特殊位向的再結(jié)晶晶核快速長大）2退火孿晶:因晶界遷移出現(xiàn)層錯形成的。,700C保溫10分后的組織,45,5.5金屬的熱加工,1冷加工與熱加工的區(qū)別,低于再結(jié)晶溫度的加工變形稱為冷加工,高于再結(jié)晶溫度的加工變形稱為熱加工,熱加工：加工硬化動態(tài)回復與再結(jié)晶,Fe的再結(jié)晶溫度為451，其在400以下仍為冷加工。而Sn的再結(jié)晶溫度為-71，則其在室溫下為熱加工。,軟化,抵消,46,自由鍛,47,金屬的冷熱加工,48,動態(tài)回復與動態(tài)再結(jié)晶1動態(tài)回復：在塑變過程中發(fā)生的回復。2動態(tài)再結(jié)晶：在塑變過程中發(fā)生的再結(jié)晶。特點反復形核，有限長大，晶粒較細。包含亞晶粒，位錯密度較高，強度硬度高。應用：采用低的變形終止溫度、大的最終變形量、快的冷卻速度可獲得細小晶粒。,49,2熱加工對金屬組織和性能的影響,熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹枝晶或拄狀晶破碎，從而使組織致密、成分均勻、晶粒細化，力學性能提高。,熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾