第四章基于回復(fù)與再結(jié)晶的退火(1)

1、中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院第四章 基于回復(fù)與再結(jié)晶 過程的退火 (1)4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 冷變形金屬在加熱退火過程中組織性能變化冷變形金屬在加熱退火過程中組織性能變化4.3 4.3 回復(fù)退火回復(fù)退火中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院（1) 1) 對象對象: :冷變形或有嚴(yán)重內(nèi)應(yīng)力的金屬及其合金冷變形或有嚴(yán)重內(nèi)應(yīng)力的金屬及其合金4. 1 4. 1 概述概述提高塑性，降低變形抗力，有利于變形材料繼續(xù)的后續(xù)加工（2) 2) 目的目的: :有利于加工制品的最終使用性能退火去內(nèi)應(yīng)力；制造強(qiáng)度和塑性配合良好的半硬制品；提高彈性極限（銅

2、合金的低溫退火硬化現(xiàn)象）；提高耐蝕性和組織穩(wěn)定性。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院（4) 4) 退火過程中主要固態(tài)轉(zhuǎn)變退火過程中主要固態(tài)轉(zhuǎn)變: :回復(fù)、再結(jié)晶與晶粒長大Example:1. A steel wire under cold bending;2. Al-, Cu-alloys plate-annealedu隨著冷變形程度增大，加工硬化，變形抗力增大，塑性降低；u變形不均，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。（3) 3) 原因原因: :中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院冷變形金屬冷變形金屬(1)纖維組織(2)變形織構(gòu)(3)晶格畸變（儲能）(4)晶體缺陷（儲能

3、）：點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、亞晶界、堆垛層錯(cuò)等以及位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)網(wǎng)胞等亞結(jié)構(gòu)金屬冷變形所消耗的變形功大部分（9098%）以熱的形式耗散，小部分（210%）以儲能的形式殘留，存在金屬內(nèi)部。儲能的結(jié)構(gòu)形式是晶格畸變和各種晶體缺陷（如點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、亞晶界、堆垛層錯(cuò)等）4. 2 4. 2 冷變形金屬在加熱退火過程中組織性能變化冷變形金屬在加熱退火過程中組織性能變化中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Al with high purity compressed (strain of 0.3). Polycrystal specimen. Al with high purity compress

4、ed (strain of 1.5). Polycrystal specimen. 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院SEM backscattered micrographsof large-grained Al-0.1Mg: (a) deformed 50%, showing cell bands aligned at 40o to rolling plane, (b) deformed 70%, showing large scale deformation banding of grain A. Large-grained materials中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材

5、料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院EBSD maps for microstructure of medium-sized Al-0.1Mg after deformation at strains: (a) 0.69, (b) 1.2, (c) 2.6, (d) 3.9. Comparison with large-sized materials, here the low angle boundaries are less aligned, and new high angle boundaries through deformation banding is less extensive

6、 and tends to occur mainly at the higher strains.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Optical micrograph of the as-cast AA5754 alloy cold rolled to 95% reduction showing the alignment of particles and particle clusters (arrows) on the longitudinal plane along the rolling direction.For multiphase materials: p

7、recipitates中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院在加熱退火過程中組織變化：在加熱退火過程中組織變化：冷變形儲能使冷變形金屬的自由能提高，這是加熱過程中組織變化的驅(qū)動力。經(jīng)回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大等過程，完全再結(jié)晶的金屬組織和性能恢復(fù)到平衡態(tài)。不完全的可能停留在中間階段。 加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變過程：加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變過程：回復(fù)：儲能降低，能量再分配， 主要是空位、位錯(cuò)等運(yùn)動、重布的過程。再結(jié)晶：儲能差消失，無結(jié)構(gòu)、成分的改變，僅伴隨著缺陷運(yùn)動與消失，是一種組織變化。晶粒長大：晶粒以小吃大，即界面能下降的過程。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Pure Ag d

8、eformed 50% and annealed at 300OC for 30S. Longitudinal, compression, shear bands, recrystallization中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Summary: Upon annealing after cold deformation 1. A large reduction in the number of point defects;2. Dislocations of opposite sign attract and/or annihilate each other;Dis

9、locations rearrange themselves into lower energy configuration.Both point defects and dislocations are absorbed by grain boundaries migrating through the material;5. A reduction in the grain boundary area.Continue: figures中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院TEM images showing a t

10、endency of cell formation of the AA5182 strained to 2.4.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Metal with lower energy of stacking fault:Early stages of recrystallization:Observations were carried out on the longitudinal section within the shear band area of a Ag crystal deformed 67% and annealed at 265C for 3

11、0S.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院冷變形冷變形33%5803sec5804sec5808sec5803min58015minRecrystallization of Mg alloys after deformed then annealed.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Discontinuous recrystallization in large-grained Al-0.1Mg (a)and AA8006 (b) at strain 3.9 annealed for 1 hour at 250oC.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MS

12、E_材料科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院回回復(fù)復(fù)原原位位再再結(jié)結(jié)晶晶再再結(jié)結(jié)晶晶正正常常晶晶粒粒長長大大異常晶粒長大異常晶粒長大非均勻、不連續(xù)長大非均勻、不連續(xù)長大晶粒長大晶粒長大中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院原位再結(jié)晶與再結(jié)晶區(qū)別原位再結(jié)晶與再結(jié)晶區(qū)別：（1 1）小角度晶界（小于）小角度晶界（小于10151015 ）與大角度晶界）與大角度晶界（2 2）退火織構(gòu)仍與原變形織構(gòu)相同）退火織構(gòu)仍與原變形織構(gòu)相同原位再結(jié)晶實(shí)際上是指在一定的條件下，隨著溫度升高，時(shí)間延長，亞晶長大到

13、相當(dāng)大（如大于10m），晶體取向幾乎保持不變，而并形成新的再結(jié)晶晶核。原位再結(jié)晶是多邊化和胞狀亞組織形成的亞晶通過亞晶界遷移和亞晶粒合并的方式逐漸粗化后進(jìn)一步長大粗化的過程。而這種亞晶進(jìn)一步粗化實(shí)際上仍處于亞晶粗大化范疇，不是真正意義上的再結(jié)晶。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院加熱退火過程中性能變化：加熱退火過程中性能變化：New equiaxed and strain-free grainsLow temperture anneal hardening 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院4. 3 4. 3 回復(fù)退火回復(fù)退火（1)1)本質(zhì)：本質(zhì)：低

14、溫退火過程，包括點(diǎn)缺陷運(yùn)動、位錯(cuò)運(yùn)動與重新組織分布。物理、化學(xué)性能變化明顯軟化，加工硬化減弱，強(qiáng)度下降，塑性提高，但都不明顯。（2)2)力學(xué)性能的變化力學(xué)性能的變化除了與退火溫度和時(shí)間有關(guān)外，還與材料本性（堆垛層錯(cuò)能大小）有關(guān)。金屬可分三類：根據(jù)加熱時(shí)冷變形金屬所發(fā)生過程的本質(zhì)，這類退火可分為回復(fù)退火、消除內(nèi)應(yīng)力退火、再 結(jié)晶退火等；而根據(jù)退火軟化程度，則可分為完全退火和不完全退火。根據(jù)退火溫度高低，則可分為低溫退火、中溫退火和高溫退火。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院11層錯(cuò)能低，如層錯(cuò)能低，如CuCu、NiNi、AgAg、-Fe-Fe等及其合金等及其合金點(diǎn)缺陷動，而

15、位錯(cuò)不變，物理、化學(xué)性能變化明顯，而力學(xué)性能基本不下降，加工硬化幾乎完全保留，甚至有的合金還有所升高（低溫退火硬化）；22層錯(cuò)能中，如層錯(cuò)能中，如AlAl、TiTi、-Fe-Fe等及其合金等及其合金位錯(cuò)較易重排（多邊化、或亞晶粗化），位錯(cuò)密度下降，力學(xué)性能有所下降，加工硬化部分保留 ；33層錯(cuò)能高，如層錯(cuò)能高，如W W、MoMo等及其合金等及其合金位錯(cuò)易重排，多邊化或亞晶粗化強(qiáng)烈，位錯(cuò)密度急劇下降，力學(xué)性能迅速下降，加工硬化基本消失 。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院（3)3)低溫退火硬化現(xiàn)象：低溫退火硬化現(xiàn)象：Cu, NiCu, Ni合金中易出現(xiàn)合金中易出現(xiàn)Cu-Al

16、Cu-32%Zn某些合金及金屬回退（低溫退火），強(qiáng)度，硬度，尤其是屈服極限，彈性極限不僅不下降反而有所升高。較普遍。 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院退火硬化機(jī)理：退火硬化機(jī)理：主要的有兩種。（1）變形材料中的可動位錯(cuò)和退火時(shí)由多邊化產(chǎn)生的位錯(cuò)壁中的可動位錯(cuò)發(fā)生閉鎖;（2）退火時(shí)，雜質(zhì)及合金元素原子形成的氣團(tuán)（在位錯(cuò)處或?qū)渝e(cuò)處產(chǎn)生偏聚，contrell氣團(tuán)、鈴木氣團(tuán) ），固溶體中產(chǎn)生了短程有序等等，釘扎或阻礙位錯(cuò)。退火硬化特點(diǎn)：退火硬化特點(diǎn)：（1）硬化值與合金成份有關(guān) 成份高， 高；（2）硬化值與冷變形程度有關(guān) 冷變形程度高， 高；（3）具有可逆性 冷變形軟化，再退火硬

17、化中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院堆垛層錯(cuò)能強(qiáng)烈影響回復(fù)階段位錯(cuò)重新組合傾向：）（82GbKd 位錯(cuò)分解成兩個(gè)不全位錯(cuò)，夾一層錯(cuò): 位錯(cuò)運(yùn)動需先束集，堆垛層錯(cuò)能低，擴(kuò)展位錯(cuò)寬，難束集，難以發(fā)生交滑移?；貜?fù)階段，Cu及其合金中僅有點(diǎn)缺陷變化，而位錯(cuò)密度變化小，儲能釋放小，力學(xué)性能基本不變化，但與點(diǎn)缺陷有關(guān)的物理、化學(xué)性能變化明顯（如電阻等）。Al及其合金則可多邊化、形成亞晶、發(fā)生亞晶粗化，回復(fù)較強(qiáng)，力學(xué)性能有所下降。W、Mo及其合金則回復(fù)更加強(qiáng)烈，儲能大部分釋放，形成較大的亞晶，加工硬化基本消失。（這一點(diǎn)對W、Mo的生產(chǎn)很重要， 再結(jié)晶退火會導(dǎo)致晶粒粗大，強(qiáng)烈提高脆化溫度，使材料不易加工，通常中間退火須采用回復(fù)退火）。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院（4)4)回復(fù)退火的應(yīng)用回復(fù)退火的應(yīng)用作為最終熱處理： a 半硬制品生產(chǎn) （軟、硬、半硬） b 消除內(nèi)應(yīng)力 工廠中稱之為低溫退火，去應(yīng)力退火