第七章回復(fù)和再結(jié)晶

1、1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授內(nèi)因外因冷變形加熱原子活動(dòng)能力畸變（空位、位錯(cuò)）自由能能（2-10%彈性能）克服亞穩(wěn)態(tài)/穩(wěn)態(tài)間能壘亞穩(wěn)態(tài)2西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 王永欣 教授冷變形前的狀態(tài)（組織、性能）晶體缺陷（空位、位錯(cuò)）重新分布或消失原子重排純Al的回復(fù)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大3西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授4西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授50%65050%35050%15050% 原始組織冷變形金屬退火晶粒形狀大小變化5西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授冷變形金屬退火性能變化William D. Callister. Materials Science and Engineeri

2、ng an Introduction, 8ed. Wiley6西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 王永欣 教授低溫回復(fù) （對(duì)應(yīng)）不同的空位、位錯(cuò)運(yùn)中溫回復(fù)制高溫回復(fù)1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授低溫回復(fù)空位運(yùn)動(dòng)中溫回復(fù)異號(hào)位錯(cuò)抵消高溫回復(fù)2西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授多邊化位錯(cuò)滑移 +攀移位錯(cuò)數(shù)量略減位錯(cuò)滑移位錯(cuò)重組、合并空位大量減少遷移到刃位錯(cuò)下端消失與間隙原子復(fù)合消失空位片崩塌位錯(cuò)環(huán)遷移到晶界、表面消失多邊化3西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授亞晶界位錯(cuò)墻攀移 + 滑移變形位錯(cuò)塞積應(yīng)力迭加高溫回復(fù)機(jī)制4西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授多晶體高溫回復(fù)機(jī)制 多晶體：晶界、位向差多滑移

3、位錯(cuò)纏結(jié) 位錯(cuò)胞位錯(cuò)變直、重排 多邊化 位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)亞晶界 亞晶合并單晶體高溫回復(fù)機(jī)制多邊化亞晶界亞晶合并1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授變形一、回復(fù)的熱力學(xué)外力作功熱能耗散儲(chǔ)存能（2-10）微觀內(nèi)應(yīng)力點(diǎn)陣畸變（80-90）宏觀內(nèi)應(yīng)力一般熱力學(xué)條件：體系自由能下降 驅(qū)動(dòng)力（主要是）點(diǎn)陣畸變能的回復(fù)熱力學(xué)條件：能的2西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授二、回復(fù)的動(dòng)力學(xué)無(wú)孕育期快慢長(zhǎng)時(shí)間趨于平衡值溫度高、速度快屬于熱激活過(guò)程馳豫過(guò)程Fe在不同溫度退火后的性能變化曲線3西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授一、溫度溫度 速度 熱激活過(guò)程二、變形量變形量 能 速度

4、 三、溶質(zhì)原子能 速度 溶質(zhì)原子 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 2西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授四、第二相粒子 彌散強(qiáng)化 能 速度 速度 第二相粒子（細(xì)密） 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 五、原始晶粒原始晶粒 細(xì)晶強(qiáng)化 能 速度 3西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 王永欣 教授1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授2西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授3西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授原理：亞結(jié)構(gòu)：性能：應(yīng)用：4西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授去應(yīng)力退火物理性能基本恢復(fù)力學(xué)性能基本不變內(nèi)應(yīng)力基本消除位錯(cuò)的重排、抵消空位的消失晶體缺陷的移動(dòng)與重排消除內(nèi)應(yīng)力穩(wěn)定穩(wěn)定形狀保持高強(qiáng)度、硬度 成品熱處理5去應(yīng)力退火一、再結(jié)晶晶粒的形

5、核機(jī)制以回復(fù)后多邊化亞晶為基礎(chǔ)1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授變形量大（>20%）變形量?。?lt;20%）層錯(cuò)能易攀移層錯(cuò)能難攀移晶粒變形量差位錯(cuò)密度差畸變能差通過(guò)亞晶界遷移通過(guò)大角晶界遷移通過(guò)攀移、滑移吞并相鄰亞晶界部分亞晶界消失，相鄰大角晶界向錯(cuò)密度的亞晶合并晶粒突出亞晶長(zhǎng)大形核機(jī)制亞晶合并形核機(jī)制大角晶界凸出形核機(jī)制形成形成大角晶界，無(wú)應(yīng)變區(qū)無(wú)應(yīng)變區(qū)（大角晶界掃過(guò)區(qū)）形成2西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授再結(jié)晶晶核3西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授4西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授5西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授二、再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大機(jī)制6西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)

6、院 王永欣 教授無(wú)應(yīng)變區(qū)直到新晶粒相互接觸大角度晶界自發(fā)遷移掃過(guò)應(yīng)變區(qū)形成黃銅冷變形量33580保溫3 s580保溫4 s580保溫 8 s引自：William D. Callister. Materials Science and Engineering an Introduction, 8ed. Wiley7西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授一、再結(jié)晶的熱力學(xué)冷塑性變形外力作功熱能耗散儲(chǔ)存能（2-10）微觀內(nèi)應(yīng)力點(diǎn)陣畸變（80-90）宏觀內(nèi)應(yīng)力一般熱力學(xué)條件：體系自由能下降 驅(qū)動(dòng)力（主要是）點(diǎn)陣畸變能的再結(jié)晶熱力學(xué)條件：能的2西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院

7、王永欣 教授二、再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)有孕育期慢快慢溫度高速度快屬熱激活過(guò)程形核 +長(zhǎng)大過(guò)程3西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授一、再結(jié)晶溫度1理論再結(jié)晶溫度開(kāi)始發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度實(shí)際準(zhǔn)確測(cè)量很難2工業(yè)再結(jié)晶溫度指經(jīng)過(guò)大約70%冷變形，退火一小時(shí)， 能完全（或95%以上）再結(jié)晶的最低溫度1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授3測(cè)定方法金相法：理論再結(jié)晶溫度：第一個(gè)新晶粒形成，或出現(xiàn)凸出形核鋸齒狀邊緣的溫度引自：William D. Callister. Materials Science and Engineering an Introduction, 8ed. Wiley工業(yè)再結(jié)晶溫度：完全再結(jié)晶

8、8075硬度法：測(cè)硬度退火曲線，硬度開(kāi)始明顯下降，或軟化50%的退火溫度706560100 200300400500600 700退火溫度 2西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院王永欣 教授硬度 HRC二、影響再結(jié)晶的因素1溫度熱激活過(guò)程 溫度速度退火時(shí)間 （s）Fe在不同溫度等溫退火后的再結(jié)晶曲線3西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授再結(jié)晶量（）2變形度變形度 畸變能 驅(qū)動(dòng)力 速度 、T再 3原始晶?；兡茯?qū)動(dòng)力形核位置 原始晶粒 變形抗力速度、T再4西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院王永欣 教授4溶質(zhì)原子微量溶質(zhì)原子阻礙形核阻礙長(zhǎng)大速度、T再 (次要)速度、T再 (主要)速度、T再5西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣

9、教授驅(qū)動(dòng)力增大能偏聚晶界晶界遷移阻力柯氏氣團(tuán)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力提高變形抗力合金元素對(duì)鐵再結(jié)晶溫度影響6西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授5分散相粒子7西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授粒子間距大 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力 驅(qū)動(dòng)力 > 阻力 速度、T再 粒子間距小 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力 驅(qū)動(dòng)力 < 阻力 速度、T再冷變形時(shí) 變形抗力 畸變能 驅(qū)動(dòng)力 促進(jìn)再結(jié)晶阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)再結(jié)晶時(shí) 阻礙再結(jié)晶阻礙晶界遷移一、退火溫度溫度 再結(jié)晶晶粒越大二、原始晶粒原始晶粒越細(xì) 畸變能 驅(qū)動(dòng)力 再結(jié)晶晶粒越細(xì)1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授三、變形度不同變形量，純Al的再結(jié)晶晶粒大小2西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教

10、授低碳鋼變形度及退火溫度對(duì)再結(jié)晶晶粒大小的影響3西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授4西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授極粗大再結(jié)晶晶粒臨界變形度不發(fā)生再結(jié)晶變形程度越大形成晶核越多再結(jié)晶晶粒越細(xì)驅(qū)動(dòng)力很小不能形成再結(jié)晶晶核變形量>10%變形量2-10%變形不均勻（個(gè)別大）形成少數(shù)再結(jié)晶晶核變形量<2%四、溶質(zhì)原子提高驅(qū)動(dòng)力阻礙形核和長(zhǎng)大溶質(zhì)原子 （一般地）細(xì)化晶粒五、第二相粒子細(xì)小彌散 阻礙再結(jié)晶 細(xì)化晶粒粗大稀疏 促進(jìn)再結(jié)晶 晶粒粗大第二相粒子5西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授 正常長(zhǎng)大連續(xù)、均勻長(zhǎng)大 異常長(zhǎng)大少數(shù)晶粒突發(fā)、非均勻長(zhǎng)大（二次再結(jié)晶）1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院

11、 王永欣 教授一、正常長(zhǎng)大方式大角晶界的遷移 大晶粒吞并小晶粒 晶粒長(zhǎng)大黃銅33冷變形580保溫8 s再結(jié)晶剛完成580再結(jié)晶完成后保溫15min引自：William D. Callister. Materials Science and Engineering an Introduction, 8ed. Wiley2西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授二、晶粒長(zhǎng)大的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)（異于回復(fù)、再結(jié)晶）驅(qū)動(dòng)力： 體系自由能下降 總界面能下降畸變能不再有影響， 因?yàn)樵俳Y(jié)晶后已完全消除了變形引起的晶格畸變?nèi)?、晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)單純晶粒長(zhǎng)大過(guò)程 先快后慢黃銅33冷變形580再結(jié)晶完成后580再結(jié)晶完成后

12、保溫15min引自：William D. Callister. Materials Science and Engineering an Introduction, 8ed. Wiley3西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授四、晶粒的穩(wěn)定形狀晶界變直二維：三角晶界120°三維：趨向十四面體4西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授驅(qū)動(dòng)力作用總界面能下降五、影響晶粒長(zhǎng)大的因素（注意與再結(jié)晶的影響因素比較）1）溫度（同再結(jié)晶因素） 溫度 長(zhǎng)大速度 熱激活過(guò)程黃銅33冷變形580再結(jié)晶完成后580再結(jié)晶完成后保溫15min引自：William D. Callister580再結(jié)晶完成后，700

13、保溫10min. Materials Science and Engineering an Introduction, 8ed. Wiley5西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授2）分散相顆粒（異于再結(jié)晶無(wú)二重性）分散相顆粒 阻礙晶界遷移 長(zhǎng)大速度 3）微量溶質(zhì)、雜質(zhì)（異于再結(jié)晶無(wú)二重性）微量溶質(zhì)、雜質(zhì) 易偏聚晶界 阻礙晶界遷移 長(zhǎng)大速度 6西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授（再結(jié)晶無(wú)）4）晶粒位向差位向差（影響）晶界活性（影響）長(zhǎng)大速度例：位向差 活性 長(zhǎng)大速度 特殊位向差 （對(duì)應(yīng)于）重合點(diǎn)陣 不利于雜質(zhì)偏聚 晶界活性 速度 7西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授（再結(jié)晶無(wú)）5）表面熱蝕溝

14、形成高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱表面與晶界張力平衡 表面、晶界交界處原子擴(kuò)散離去熱蝕溝晶界移動(dòng)晶界面積增大界面能長(zhǎng)大速度8西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 王永欣 教授 正常長(zhǎng)大連續(xù)、均勻長(zhǎng)大 異常長(zhǎng)大少數(shù)晶粒突發(fā)、非均勻長(zhǎng)大（二次再結(jié)晶）1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授一、異常長(zhǎng)大（二次再結(jié)晶）1現(xiàn)象高純Fe-3Si箔材1200真空退火的二次再結(jié)晶鎳基耐蝕合金Hastelloy G3合金二次再結(jié)晶2西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 王永欣 教授Mg-3Al-0.8Zn合金退火組織a .正常再結(jié)晶，b. 晶粒長(zhǎng)大，c. 二次再結(jié)晶3西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授2. 異常長(zhǎng)大機(jī)理4西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授多

15、數(shù)晶粒長(zhǎng)大受阻熱蝕溝釘扎晶界晶界遷移阻力冷變形變形織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)位向差小晶界遷移能力細(xì)小彌散的第二相粒子釘扎晶界晶界遷移阻力5西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授少數(shù)晶粒快速長(zhǎng)大部分晶界遷移能力 少數(shù)再結(jié)晶后較大的晶粒少數(shù)熱蝕溝釘扎，但表面能較低的晶粒（某些位向）少數(shù)再結(jié)晶織構(gòu)中，非擇優(yōu)取向的晶粒少數(shù)第二相溶解的晶界6西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授性能異常粗大的晶粒組織二、異常長(zhǎng)大熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力 體系自由能下降 總晶界能下降 + 總表面能下降（某些特殊位向的晶粒表面自由能較低，薄板工件易發(fā)生）三、異常長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)單純晶粒長(zhǎng)大過(guò)程 先快后慢7西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授1西北工業(yè)大學(xué)

16、材料學(xué)院 王永欣 教授一、再結(jié)晶退火工藝：加熱至T再以上保溫 再結(jié)晶1） 軟化冷變形后金屬 便于后續(xù)2） 細(xì)化晶粒（特別要防止二次再結(jié)晶）目的：2西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授二、再結(jié)晶退火組織1. 再結(jié)晶圖描述變形度、退火溫度對(duì)再結(jié)晶后晶粒大小的三維曲面圖注意：臨界變形度區(qū)及二次再結(jié)晶區(qū)3西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授2. 退火孿晶塑性變形時(shí)，不易生成孿晶的面心立方晶體，再結(jié)晶時(shí)出現(xiàn)孿晶孿晶界能與大角晶界能差 易于形成退火孿晶引自：William D. Callister. Materials Science and Engineering an Introduc ion, 8e

17、d. Wiley4西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授3. 再結(jié)晶織構(gòu)現(xiàn)象：冷變形形變織構(gòu)再結(jié)晶保持原織構(gòu)產(chǎn)生新織構(gòu)稱為再結(jié)晶織構(gòu)進(jìn)一步二次再結(jié)晶織構(gòu)表現(xiàn)出各向異性5西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授機(jī)理：定向（擇優(yōu)）形核理論凸出晶核、亞晶均保持原織構(gòu)取向有利位向晶粒長(zhǎng)大速度快其它位向晶粒長(zhǎng)大受抑制與變織構(gòu)相同的再結(jié)晶織構(gòu)特殊位向織構(gòu)（可能與變織構(gòu)相同或不同）6西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 王永欣 教授擇優(yōu)形核、擇優(yōu)成長(zhǎng)理論定向（擇優(yōu)）成長(zhǎng)理論1西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授一、熱變形再結(jié)晶溫度以上的變形硬化速度 = 軟化速度對(duì)應(yīng)溫度以上的變形2西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院王永欣 教授二、動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)

18、理第一階段，微應(yīng)變階段第二階段，均勻塑性變形，硬化第三階段，穩(wěn)定流變階段，持續(xù)形變動(dòng)態(tài)回復(fù)時(shí)的真應(yīng)力應(yīng)變曲線3西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 王永欣 教授第一階段：位錯(cuò)密度由10101011m-2增至10111012m-2第二階段：位錯(cuò)密度繼續(xù)增大形成位錯(cuò)纏結(jié)和位錯(cuò)胞 位錯(cuò)消失速率隨應(yīng)變?cè)龃蟮谌A段：位錯(cuò)密度達(dá)10141015m-2，位錯(cuò)增殖速率位錯(cuò)消失速率動(dòng)態(tài)回復(fù)時(shí)的真應(yīng)力應(yīng)變曲線穩(wěn)態(tài)流變階段（無(wú)硬化）位錯(cuò)亞晶界，形成亞晶，保持等軸狀4西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 王永欣 教授高應(yīng)變速率：三個(gè)階段硬化階段(0<<c)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的初始階段(c<<s) 穩(wěn)態(tài)流變階段(s)三、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)理低應(yīng)變速率：交替硬化-軟化硬化階段(0<<c)，位錯(cuò)增殖動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化，曲線下降再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力減小硬化占優(yōu)，曲線上升再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力增大再結(jié)晶軟化動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線下降 上升5西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 王永欣 教授四、動(dòng)態(tài)回復(fù) 與 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)態(tài)回復(fù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶適應(yīng)材料錯(cuò)能材料（位錯(cuò)不易擴(kuò)展，易攀移、交滑移）低層錯(cuò)能材料軟化機(jī)制位錯(cuò)增殖與位錯(cuò)抵消平衡變形造成的畸變與 無(wú)畸變