金屬學(xué)與熱處理7.金屬及合金的回復(fù)與結(jié)晶(上)

1、12n隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱性、韌性下降，稱：溶質(zhì)原子與位錯(cuò)相互作用，在位錯(cuò)附：溶質(zhì)原子與位錯(cuò)相互作用，在位錯(cuò)附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯(cuò)被釘扎住。近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯(cuò)被釘扎住。330%壓縮率（3000） 50%壓縮率（3000） 99%壓縮率（3000）銅經(jīng)不同程度冷軋后的光學(xué)顯微組織6.56.5 變形后的組織和性能變形后的組織和性能430%壓縮率（30000） 50%壓縮率（30000） 99%壓縮率（30000）銅經(jīng)不同程度冷軋后的透射電鏡相5隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑隨冷塑性變形量增加，金屬的

2、強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化加工硬化。6位錯(cuò)密度與強(qiáng)度關(guān)系位錯(cuò)密度與強(qiáng)度關(guān)系7 8第第7 7章章 金屬及合金的回復(fù)及再結(jié)晶金屬及合金的回復(fù)及再結(jié)晶9形變金屬在退火過程中的變化形變金屬在退火過程中的變化回復(fù)回復(fù)再結(jié)晶再結(jié)晶晶粒長大晶粒長大金屬的熱加工金屬的熱加工107.1 7.1 形變金屬在退火過程中的變化形變金屬在退火過程中的變化 冷變形后的金屬材料存在加工硬化和殘余內(nèi)應(yīng)力冷變形后的金屬材料存在加工硬化和殘余內(nèi)應(yīng)力等性能變化，在很多情況下并不是人們希望的，可以等性能變化，在很多情況下并不是人們希望的，可以通過加熱引起的組織變化來改變這些性能。通過加熱引起的

3、組織變化來改變這些性能。 塑性變形后，在材料的內(nèi)部的晶粒破碎拉長，位塑性變形后，在材料的內(nèi)部的晶粒破碎拉長，位錯(cuò)等缺陷大量增加和存在的內(nèi)應(yīng)力都使材料存在彈性錯(cuò)等缺陷大量增加和存在的內(nèi)應(yīng)力都使材料存在彈性應(yīng)變能，使其內(nèi)能升高處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，系統(tǒng)本身應(yīng)變能，使其內(nèi)能升高處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，系統(tǒng)本身就存在釋放能量的潛力，當(dāng)溫度提高后，原子的活動(dòng)就存在釋放能量的潛力，當(dāng)溫度提高后，原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，原子在熱運(yùn)動(dòng)中會(huì)使材料朝著減少缺陷、能力增強(qiáng)，原子在熱運(yùn)動(dòng)中會(huì)使材料朝著減少缺陷、降低能量的方向發(fā)展，造成組織和性能的變化。降低能量的方向發(fā)展，造成組織和性能的變化。 11：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化

4、；：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化；n ：變形晶粒通過形核長大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾拢鹤冃尉ЯＭㄟ^形核長大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臒o畸變的等軸晶粒。的無畸變的等軸晶粒。n ：晶界移動(dòng)、晶粒粗化，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定：晶界移動(dòng)、晶粒粗化，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的形狀和尺寸。的形狀和尺寸。12：冷變形金屬在低溫加熱時(shí)，其顯微組織無可見：冷變形金屬在低溫加熱時(shí)，其顯微組織無可見變化，但其物理、力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前變化，但其物理、力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前的過程。的過程。：冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，在變形組：冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，在變形組織內(nèi)部新的無畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而織內(nèi)部新的無畸變的等軸晶粒

5、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。使形變強(qiáng)化效應(yīng)完全消除的過程。131415（2）電阻）電阻（3）密度）密度（4）內(nèi)應(yīng)力）內(nèi)應(yīng)力16n由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使其由冷塑由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使其由冷塑性變形時(shí)的無序狀態(tài)變?yōu)樾宰冃螘r(shí)的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，垂直分布，形成亞晶界，這一過程稱這一過程稱多邊形化多邊形化。7.2 7.2 回復(fù)回復(fù)17n在回復(fù)階段，金屬組織變?cè)诨貜?fù)階段，金屬組織變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。下降。n工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬

6、低溫加熱，將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱化，這種熱處理方法稱去去應(yīng)力退火應(yīng)力退火。18n 宏觀應(yīng)力基本去除，微觀應(yīng)力仍然殘存；宏觀應(yīng)力基本去除，微觀應(yīng)力仍然殘存；n 物理性能，如電阻率，有明顯降低，有的可基本回物理性能，如電阻率，有明顯降低，有的可基本回到未變形前的水平；到未變形前的水平；n 力學(xué)性能，如硬度和流變應(yīng)力，覺察不到有明顯的力學(xué)性能，如硬度和流變應(yīng)力，覺察不到有明顯的變化；變化；n 光學(xué)金相組織看不出任何變化，溫度較高發(fā)生回復(fù)，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。在電子顯微鏡下

7、可見到晶粒內(nèi)部組織的變化。( (位位錯(cuò)的胞狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚уe(cuò)的胞狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚? ) 19（0.1 0.3Tm） 20回復(fù)過程中的位錯(cuò)攀移與滑移21位錯(cuò)在多邊化過程中重新分布222324n當(dāng)變形金屬被加熱到較當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由破狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長的晶粒變?yōu)橥暾槔L的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。的等軸晶粒。n這種冷變形組織在加熱這種冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過程時(shí)重新徹底改組的過程稱稱再結(jié)晶再結(jié)晶。鐵素體變形鐵素體變形80%670加熱加熱650加熱加熱7.3 7.3 再結(jié)晶再結(jié)晶25

8、 冷塑性變形后的發(fā)生再結(jié)晶，晶粒以形核和晶核冷塑性變形后的發(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：長大來進(jìn)行，但再結(jié)晶過程不是相變。原因有：n 變化前后的晶粒成分相同，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變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(gè)相?；?，因此它們是屬于同一個(gè)相。n 再結(jié)晶不像相變那樣，有轉(zhuǎn)變的臨界溫度點(diǎn)，即再結(jié)晶不像相變那樣，有轉(zhuǎn)變的臨界溫度點(diǎn)，即沒有確定的轉(zhuǎn)變溫度。沒有確定的轉(zhuǎn)變溫度。n 再結(jié)晶過程是不可逆的，相變過程在外界條件變?cè)俳Y(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?；罂梢园l(fā)生可逆變化。n 發(fā)生再結(jié)晶的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)

9、力是冷塑性變形晶體的發(fā)生再結(jié)晶的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力是冷塑性變形晶體的畸變能，也稱為儲(chǔ)存能。畸變能，也稱為儲(chǔ)存能。26n再結(jié)晶也是一個(gè)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。冷冷變形奧氏體不銹鋼變形奧氏體不銹鋼加熱時(shí)的再結(jié)晶形核加熱時(shí)的再結(jié)晶形核SEM-再結(jié)晶晶粒在原再結(jié)晶晶粒在原變形組織晶界上形核變形組織晶界上形核TEM-再結(jié)晶晶粒形核再結(jié)晶晶粒形核于高密度位錯(cuò)基體上于高密度位錯(cuò)基體上27n （變形量較小時(shí),20%） 晶界弓出形核，凸向亞晶粒小的方向。晶界弓出形核28晶界弓出形核模型rdrrddrrddVdA2)34(/)4(32dVdAEGsrEGs2Lr

10、min單位體積自由能的變化為單位體積自由能的變化為為為晶界的表面能，晶界的表面能，Es為為冷冷變變形形晶粒中晶粒中單單位體位體積積的的儲(chǔ)儲(chǔ)存能。存能。LEs/2一段長度為一段長度為2L的晶界，其弓出形的晶界，其弓出形核的能量條件為核的能量條件為G0G70%）的金屬，）的金屬，在在1h完成再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)完成再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)95%所對(duì)應(yīng)的溫度。所對(duì)應(yīng)的溫度。n 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度TR與其熔點(diǎn)與其熔點(diǎn)Tm間有如下關(guān)系：間有如下關(guān)系： TR (0.35-0.45)Tm。 3334TR (0.35-0.45)Tm= 0.4Tm =0.4（1538+273）=723KTR =0.4（1083+273）=5

11、42K3536n 變形程度變形程度 金屬的冷變形程度越金屬的冷變形程度越大，其儲(chǔ)存的能量亦越大，其儲(chǔ)存的能量亦越高，再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也高，再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也越大，因此再結(jié)晶溫度越大，因此再結(jié)晶溫度隨變形量增加而降低。隨變形量增加而降低。同時(shí)等溫再結(jié)晶退火時(shí)同時(shí)等溫再結(jié)晶退火時(shí)的再結(jié)晶速度也越快。的再結(jié)晶速度也越快。37n 微量溶質(zhì)原子微量溶質(zhì)原子 微量溶質(zhì)原子的存在一般微量溶質(zhì)原子的存在一般會(huì)顯著提高金屬的再結(jié)晶溫會(huì)顯著提高金屬的再結(jié)晶溫度，主要原因可能是溶質(zhì)原度，主要原因可能是溶質(zhì)原子與位錯(cuò)及晶界間存在交互子與位錯(cuò)及晶界間存在交互作用，傾向于在位錯(cuò)和晶界作用，傾向于在位錯(cuò)和晶界附近偏聚，從而對(duì)再

12、結(jié)晶過附近偏聚，從而對(duì)再結(jié)晶過程中位錯(cuò)和晶界的遷移起著程中位錯(cuò)和晶界的遷移起著牽制的作用，不利于再結(jié)晶牽制的作用，不利于再結(jié)晶的形核和長大，阻礙再結(jié)晶的形核和長大，阻礙再結(jié)晶過程的進(jìn)行過程的進(jìn)行。38n 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸 （1）原始晶粒越小，則晶界越多，其變形抗力愈大，形）原始晶粒越小，則晶界越多，其變形抗力愈大，形變后的儲(chǔ)存能較高，因此再結(jié)晶溫度降低；（變后的儲(chǔ)存能較高，因此再結(jié)晶溫度降低；（2）再結(jié)晶）再結(jié)晶形核通常是在原晶粒邊界處發(fā)生，所以原始晶粒尺寸愈小，形核通常是在原晶粒邊界處發(fā)生，所以原始晶粒尺寸愈小，形核率形核率與長大速度愈大，所形成的再結(jié)晶晶粒更小，而再與長大速度愈大，

13、所形成的再結(jié)晶晶粒更小，而再結(jié)晶溫度也降低。結(jié)晶溫度也降低。 n 第二相顆粒第二相顆粒（1）當(dāng)?shù)诙囝w粒較粗時(shí)，變形時(shí)位錯(cuò)會(huì)繞過顆粒，并）當(dāng)?shù)诙囝w粒較粗時(shí)，變形時(shí)位錯(cuò)會(huì)繞過顆粒，并在顆粒周圍留下位錯(cuò)環(huán)，或塞積在顆粒附近，從而造成顆在顆粒周圍留下位錯(cuò)環(huán)，或塞積在顆粒附近，從而造成顆粒周圍畸變嚴(yán)重，因此會(huì)促進(jìn)再結(jié)晶，降低再結(jié)晶溫度；粒周圍畸變嚴(yán)重，因此會(huì)促進(jìn)再結(jié)晶，降低再結(jié)晶溫度；（2）當(dāng)?shù)诙囝w粒細(xì)小，分布均勻時(shí)，不會(huì)使位錯(cuò)發(fā)生）當(dāng)?shù)诙囝w粒細(xì)小，分布均勻時(shí)，不會(huì)使位錯(cuò)發(fā)生明顯聚集，因此對(duì)再結(jié)晶形核作用不大，相反，其對(duì)再結(jié)明顯聚集，因此對(duì)再結(jié)晶形核作用不大，相反，其對(duì)再結(jié)晶晶核的長大過程中的位

14、錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界遷移起一種阻礙作晶晶核的長大過程中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界遷移起一種阻礙作用，因此使得再結(jié)晶過程更加困難，提高再結(jié)晶溫度。用，因此使得再結(jié)晶過程更加困難，提高再結(jié)晶溫度。 39預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響。預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響。當(dāng)變形度很小時(shí)，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶。當(dāng)變形度很小時(shí)，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶。當(dāng)變形達(dá)到當(dāng)變形達(dá)到210%時(shí)，只有部分晶粒變形，變形極時(shí)，只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結(jié)晶晶粒大不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞小相差懸殊，易互相吞并和長大并和長大, ,再結(jié)晶后晶再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個(gè)變形粒特別粗大

15、，這個(gè)變形度稱度稱臨界變形度臨界變形度。變形量與再結(jié)晶后晶粒尺寸的關(guān)系40當(dāng)超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越當(dāng)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(shí)形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細(xì)均勻，再結(jié)晶時(shí)形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細(xì)而均勻，達(dá)到一定變形量之后，晶粒度基本不變。而均勻，達(dá)到一定變形量之后，晶粒度基本不變。 對(duì)于某些金屬，當(dāng)變對(duì)于某些金屬，當(dāng)變形量相當(dāng)大時(shí)形量相當(dāng)大時(shí)( ( 90%)90%)，再結(jié)晶后晶粒又重新再結(jié)晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認(rèn)為這與形成織構(gòu)有認(rèn)為這與形成織構(gòu)有關(guān)關(guān). .變形量與再結(jié)晶后晶粒尺寸的關(guān)系41預(yù)先變形程度對(duì)

16、再結(jié)晶晶粒尺寸的影響變形變形83%變形變形88%變形變形93%42 再結(jié)晶退火溫度對(duì)剛完成再結(jié)晶時(shí)的晶粒尺寸影響較再結(jié)晶退火溫度對(duì)剛完成再結(jié)晶時(shí)的晶粒尺寸影響較小，但是提高再結(jié)晶退火溫度可使再結(jié)晶速度加快，臨界小，但是提高再結(jié)晶退火溫度可使再結(jié)晶速度加快，臨界變形量減小。形變量、退火溫度以及再結(jié)晶后晶粒尺寸的變形量減小。形變量、退火溫度以及再結(jié)晶后晶粒尺寸的關(guān)系構(gòu)成了再結(jié)晶圖。關(guān)系構(gòu)成了再結(jié)晶圖。4344低碳鋼變形度及退火溫度對(duì)再結(jié)晶晶粒大小的影響45：晶界附近區(qū)域的形變情況比較復(fù)雜，因：晶界附近區(qū)域的形變情況比較復(fù)雜，因而這些區(qū)域的局部儲(chǔ)存能較高，使晶核易于形成。細(xì)晶而這些區(qū)域的局部儲(chǔ)存能較

17、高，使晶核易于形成。細(xì)晶粒金屬的晶界面積大，所以儲(chǔ)存能高的區(qū)域多，形成的粒金屬的晶界面積大，所以儲(chǔ)存能高的區(qū)域多，形成的再結(jié)晶核心也多，故使再結(jié)晶后的晶粒尺寸減小。再結(jié)晶核心也多，故使再結(jié)晶后的晶粒尺寸減小。：金屬中雜質(zhì)的存在可提高強(qiáng)度，因此在同樣的形：金屬中雜質(zhì)的存在可提高強(qiáng)度，因此在同樣的形變量下，雜質(zhì)將增大冷形變金屬中的儲(chǔ)存能，從而使再變量下，雜質(zhì)將增大冷形變金屬中的儲(chǔ)存能，從而使再結(jié)晶時(shí)的結(jié)晶時(shí)的G/N值增大。另一方面，雜質(zhì)對(duì)降低界面的遷移值增大。另一方面，雜質(zhì)對(duì)降低界面的遷移能力是極為有效的，它會(huì)降低再結(jié)晶完成后晶粒的長大能力是極為有效的，它會(huì)降低再結(jié)晶完成后晶粒的長大速率。金屬中的

18、雜質(zhì)將會(huì)使再結(jié)晶后的晶粒變小。速率。金屬中的雜質(zhì)將會(huì)使再結(jié)晶后的晶粒變小。46n再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時(shí)再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個(gè)自發(fā)的過程。間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個(gè)自發(fā)的過程。黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織580C580C保溫保溫1515分后的組織分后的組織700C700C保溫保溫1010分后的組織分后的組織7.4 7.4 晶粒長大晶粒長大47n晶粒的長大是通過晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞晶粒的長大是通過晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度降低，

19、并小晶粒的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度降低，尤其是塑性和韌性降低。尤其是塑性和韌性降低。原子穿過原子穿過晶界擴(kuò)散晶界擴(kuò)散晶界遷晶界遷移方向移方向48冷變形量為冷變形量為38的組織的組織580C保溫保溫3秒后秒后的的組織組織580C保溫保溫4秒后秒后的的組織組織580C保溫保溫8秒后秒后的的組織組織580C保溫保溫15分后分后的的組織組織 700C保溫保溫10分后分后的的組織組織49過程起點(diǎn)過程起點(diǎn)：再結(jié)晶完成，無形變組織；：再結(jié)晶完成，無形變組織；此時(shí)能量狀態(tài)此時(shí)能量狀態(tài)：雖然形變儲(chǔ)存能已完全釋放，但材料仍未：雖然形變儲(chǔ)存能已完全釋放，但材料仍未達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)（含有晶界），為減少總界面能，晶粒

20、力達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)（含有晶界），為減少總界面能，晶粒力求長大。求長大。晶粒長大驅(qū)動(dòng)力晶粒長大驅(qū)動(dòng)力：總界面能的減少；這部分能量約為再結(jié)：總界面能的減少；這部分能量約為再結(jié)晶時(shí)釋放能量的晶時(shí)釋放能量的1/1001/100。 晶粒正常長大晶粒正常長大特點(diǎn)：特點(diǎn)：長大速度比較均勻，在長大過程中，晶粒的尺寸分長大速度比較均勻，在長大過程中，晶粒的尺寸分布和形狀分布幾乎不變。作為一級(jí)近似看，晶粒長大前后布和形狀分布幾乎不變。作為一級(jí)近似看，晶粒長大前后的組織就象一張照片未經(jīng)放大和經(jīng)放大后的情況一樣。的組織就象一張照片未經(jīng)放大和經(jīng)放大后的情況一樣。50 Mg-3Al-0.8Zn合金退火組織 a 正常再結(jié)晶，b 晶粒長大，c 二次再結(jié)晶 結(jié)晶完成后，晶粒不連續(xù)不均勻地長大稱為反常長結(jié)晶完成后，晶粒不連續(xù)不