第05章 再結晶

1、第五章第五章 回復與再結晶回復與再結晶 形變金屬材料退火過程中的組織和性能變化 回復 再結晶 晶粒長大 金屬的熱加工 變形儲能使金屬內能升高，處于熱力學亞穩(wěn)狀態(tài)。退火過程中，原子活動能力升高，形變金屬就能從亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉變，而變形儲能則是形變金屬退火過程中組織變化的驅動力。形變儲能: 彈性應變能(312%) 晶格畸變能(8090%)退火： 將材料加熱到一定溫度保持一定時間的熱處理 工藝，按目的又可分為去應力退火、成分均勻 化退火等多種。第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化 1.1 回復與再結晶回 復：冷變形金屬較低溫加熱時，顯微組織無可見變化，但其物理、 力學性能卻部分恢復到冷變形以前的

2、過程。再結晶：冷變形金屬被加熱到適當溫度時，在變形組織內部新的無畸 變等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強化效應完全消 除的過程。1.2 顯微組織變化回 復 階 段 ：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化；再 結 晶 階 段：變形晶粒通過形核長大，逐漸轉變?yōu)?新的無畸變的等軸晶粒。晶粒長大階段：晶界移動、晶粒粗化，達到相對穩(wěn)定 的形狀和尺寸。1.2 顯微組織變化1.3 1.3 性能變化性能變化力學性能力學性能回 復 階 段 ： 強度、硬度略有下降，塑性略有提高。再結晶階段： 強度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。晶粒長大階段：強度、硬度繼續(xù)下降,塑性繼續(xù)提高，粗化 嚴重時下降。物理性能密 度 : 在回復

3、階段變化不大，在再結晶階段急劇升高；電 阻 ：電阻在回復階段可明顯下降。形變儲能：回復階段部分釋放，再結晶至長大初期完全釋放。1.4 1.4 內應力變化內應力變化回回 復復 階階 段：段： 大部分或全部消除第一類大部分或全部消除第一類 內應力，部分消除第二、內應力，部分消除第二、 三類內應力；三類內應力；再結晶階段：再結晶階段： 內應力可完全消除。內應力可完全消除。第二節(jié) 回 復 所謂回復，即在加熱溫度較低時，僅因金屬中的一些點缺陷和位錯的遷移而引起的某些晶內的變化?；貜碗A段一般加熱溫度在0.4Tm以下。2.1 回復時組織性能變化 宏觀應力基本去除，微觀應力仍然殘存；物理性能，如電阻率，有明顯

4、降低，有的可基本回到未變形前的水平；力學性能，如硬度和流變應力，覺察不到有明顯的變化； 光學金相組織看不出任何變化，溫度較高發(fā)生回復，在電子顯微鏡下可見到晶粒內部組織的變化。(位錯的胞狀組織轉變?yōu)閬喚? 2.2 回復機制 低溫階段 點缺陷的遷移和減少, 表現為:- 空位與間隙原子的相遇而互相中和- 空位或間隙原子運動到刃位錯處消失，引起位錯的攀移- 點缺陷運動到界面處消失。中溫階段: p纏結位錯重新組合; p異號位錯抵消, 位錯密度略有降低。p亞晶粒長大。2.2 回復機制高溫回復高溫回復位錯攀移和位錯環(huán)縮??；亞晶粒合并；1) 多邊化。 多邊化 是指冷變形金屬加熱時，原來處于滑移面上的位錯，通過

5、滑移和攀移形成與滑移面垂直的亞晶界的過程。多邊化的驅動力是彈性應變能的降低。2.3 2.3 回復動力學回復動力學 冷變形材料性能的回復程度與回復處理的時間和溫度有關?；貜瓦^程是熱激活過程，轉變的速度決定于原子的活動能力。上圖中硬化分數 R 表示為：R=(sm-sr)/(sm-s0)；sm、sr、s0分別為變形后、回復后以及完全退火后的屈服應力。其它材料性能參量的回復過程也具有類似的熱激活特征。設變形前（或完全退火態(tài)）材料的某一可測物性參量(如電阻率等)為P0，冷變形后為Pd，回復過程中其性能P和回復溫度、時間滿足如下動力學關系： 其中A為與材料類型結構有關的常數，Q為回復激活能，R為氣體常數，

6、T發(fā)生回復溫度，t為回復進行的時間。 )exp(ln00RTQAtppppd同理，不同的溫度下，回復到相同的程度所需時間可以表示為：即ln t 1/T成線性關系。一方面可以由此測量計算它的激活能；另一方面說明熱激活過程中時間和溫度的等效關系。實際上任何材料變形后都在慢慢的發(fā)生回復，室溫下無明顯變化主要是因為變化的速度很慢所致。 TRQCt1ln 去應力退火 降低應力（保持加工硬化效果） 防止工件變形、開裂，提高耐蝕性。2.4 2.4 回復應用回復應用 第三節(jié) 再結晶 3.1 再結晶的基本過程冷變形后的金屬加熱到一定溫度(一般大于0.4Tm)或保溫足夠時間后，在原來的變形組織中產生了無畸變的新晶

7、粒，新生成的晶粒逐漸全部取代塑性變形過的晶粒，位錯密度顯著降低，性能發(fā)生顯著變化并恢復到冷變形前的水平，這個過程稱為再結晶。再結晶的驅動力也是變形儲能的降低。p 變化前后的晶粒成分相同，晶體結構并未發(fā)生變化，因此它們是屬于同一個相。p 再結晶不像相變那樣，有轉變的臨界溫度點，即沒有確定的轉變溫度。p 再結晶過程是不可逆的，相變過程在外界條件變化后可以發(fā)生可逆變化。p 發(fā)生再結晶的熱力學驅動力是冷塑性變形晶體的畸變能，也稱為儲存能。冷塑性變形后的發(fā)生再結晶，晶粒以形核和晶核長大來進行，但再結晶過程不是相變。原因有：3.2 再結晶形核再結晶的形核是個復雜的過程。最初人們嘗試用經典的形核理論來處理再

8、結晶過程，但計算得到的臨界晶核半徑過大，與試驗結果不符。大量實驗表明，再結晶晶核總是在塑性變形引起的最大畸變處形成，并且回復階段發(fā)生的多變化是再結晶形核的必要準備。3.2.1 亞晶粒長大形核機制亞晶粒長大形核一般在受大變形度的材料中發(fā)生。回復階段，塑性變形所形成的胞狀組織經多變化發(fā)展成亞晶，其中亞晶長大形核的方式有亞晶合并和亞晶界移動兩種機制。a. 亞晶合并機制 相鄰亞晶界的位錯，通過滑移和攀移轉移到周圍晶界或亞晶界上，導致原來亞晶界的消失，最后通過原子擴散和位置的調整，使兩個或多個亞晶粒的取向變?yōu)橐恢?，合并成為一個大的亞晶粒，成為再結晶的晶核。b. 亞晶界移動機制 如上圖，晶粒中某些局部位錯

9、密度很高的亞晶界向周邊移動，吞并相鄰的變形基體和亞晶而成長為再結晶晶核。3.2.2 晶界凸出形核機制 金屬變形是不均勻的，若晶界兩邊一個晶粒的位錯密度高，另一個位錯密度低，加熱時晶界會向密度高的一側突然移動，高密度一側的原子轉移到位錯低的一側，新的排列應為無畸變區(qū)，這個區(qū)域就是再結晶核心。 和結晶形核方式類似，晶界彎曲后，一方面晶界的彎曲面因面積增加會增加界面能，另一方面形核區(qū)中原變形區(qū)內有應變能的釋放 。形核的臨界條件是 ：其中ES為單位體積內的應變畸變能，為界面能，a為生成前晶界的半徑。 晶界凸出形核現象在銅、鎳、銀、鋁及鋁-銅合金中曾直接觀察到。 變形晶粒晶界附近的原子移動到新的未變形晶

10、粒上，從而可以減少變形應變能，新晶粒不斷長大到相遇，最后全部為新晶粒，再結晶完成。 3.3 3.3 核心的長大核心的長大t0時間t半徑RdR/dt = G晶粒彼此接觸孕育期3.4 形核率和長大線速率的影響因素p 變形程度提高、原始晶粒尺寸減小，材料中變形儲能提高，高能區(qū)域增多，再結晶形核率N和長大速率G增大。p 形核率和長大速率與溫度的關系滿足：N=N0exp(-QN/RT)；G=G0exp(-QG/RT) N0、G0為常數，QN、QG分別為形核和長大激活能，當變形程度為12%左右時，兩者大體相等。p 固溶于合金中的微量元素或雜質，往往聚集在點陣缺陷（空位、位錯、亞晶界）周圍，使它們難以運動，

11、不易形成再結晶核心，降低形核率。p粗大第二相雜質粒子存在于基體中時，塑性變形后在分界面會產生局部的點陣畸變很嚴重的區(qū)域，使鄰近的第二相的基體中容易形核，促使形核率增大。p極為細小的二相粒子(70%)后，可能產生明顯織構，在退火溫度高時發(fā)生晶粒的異常長大。退火溫度和時間：退火溫度和時間：退火溫度高，完成再結晶用的時間少，長大的時間就長，所以隨退火溫度的提高而晶粒尺寸增大。再結晶退火一般均采用保溫 2小時，保證再結晶充分完成而晶粒不過分長大，延長保溫時間顯然會造成晶粒尺寸的長大。 5.2 影響再結晶后的晶粒尺寸因素5.2 影響再結晶后的晶粒尺寸因素雜質：無論是固溶于晶體內的異類原子，還是在材料組織

12、中存在的第二相質點，特別是彌散分布時，都將促進再結晶后的晶粒細化。 原始晶粒大?。涸谄渌麠l件相同時，材料變形前的晶粒尺寸愈細小，晶界面多，有利形核，再結晶后的晶粒也細小。 變形溫度：材料變形溫度較高，或再結晶退火前進行較有效的回復處理，因降低了畸變能，可使再結晶后的晶粒變粗。 p 應避免在臨界變形量；p 同時一次不宜進行過大的變形，防止產生組織織構或出現晶粒的異常長大；p 嚴格控制再結晶退火的溫度和保溫時間，以保證再結晶能充分完成而晶粒不過分長大?？刂品椒ㄔ俳Y晶晶粒尺寸和凝固結晶一樣，決定于形核率和長大速率的比值。為了防止再結晶后晶粒粗大，材料需要進行再結晶退火時：5.2 影響再結晶后的晶粒尺

13、寸因素5.3 其他組織變化 再結晶織構材料的冷變形程度較大，如果產生了變形織構，在再結晶后晶粒取向的遺傳，組織依然存在擇優(yōu)取向，這時的織構稱為再結晶織構。 再結晶織構對進一步的加工不利。如沖壓再結晶銅板形成制耳。經常在Cu中加入少量P、Be、Cd、Sn等雜質，退火孿晶有些結構的金屬及合金，再結晶退火后經常出現孿晶組織，這種孿晶稱為退火孿晶或再結晶孿晶。 第六節(jié)第六節(jié) 金屬的熱加工金屬的熱加工 熱加工熱加工 熱加工的流變應力熱加工的流變應力熱加工時的軟化機制熱加工時的軟化機制 熱加工對材料組織性能的影響熱加工對材料組織性能的影響 6.1 6.1 何謂熱加工？何謂熱加工？p 熱加工：再結晶溫度以上

14、的加工稱為“熱加工”。p 溫加工：低于再結晶溫度高于室溫的加工。p 冷加工：室溫加工。p Sn的再結晶溫度低于室溫，因此室溫下對錫的加工即為熱加工。6.2 熱加工的流變應力熱加工所需的應力稱為流變應力。塑性變形一方面產生加工硬化，進一步變形需要加大應力，另一方面在再結晶溫度以上，材料會發(fā)生再結晶軟化，可使變形應力減小，并且加工硬化程度越高，再結晶速度越快，二者達到動態(tài)平衡后，繼續(xù)變形就不需要再加大應力，也就是在這個應力作用下能一直變形，這個應力就是流變應力。流變應力的大小和材料的本質有關，由材料成分所決定的強度高，對應的流變應力必然也高。此外，還和變形溫度和變形速度有直接的關系，流變應力隨變形

15、速率(單位時間內的變形量)加大而增加，隨變形溫度升高而下降。 6.3 6.3 熱加工時的軟化機制熱加工時的軟化機制 在高溫下，塑性變形的同時，發(fā)生組織結構的軟化，盡管軟化本身的方式也是屬于回復和再結晶，由于變形硬化和軟化同時發(fā)生，軟化具有自己的特點，熱加工時軟化有以下類型：1 1）動態(tài)回復：）動態(tài)回復：在熱加工的溫度下，材料可以進行較快回復過程。它不同于靜態(tài)回復，材料在變形的同時，一方面變形在增加缺陷，另一方面以回復方式減少部分缺陷，某些性能因二者的同時作用可達到動態(tài)平衡，維持在某一固定的水平。 2 2）動態(tài)再結晶）動態(tài)再結晶：多晶材料發(fā)生塑性變形，部分區(qū)域的變形量超過臨界變形量后，以再結晶方

16、式形核，變形量增加，形核的部位也在增加，形成的核心不斷的長大。由于變形在繼續(xù)進行，長大的晶粒也在變形中，一邊長大的同時，內部又因變形而增加缺陷硬化，長大前后不同，內部的缺陷密度也不同。這些在再結晶中生成長大的晶粒當變形超過一定程度會再次形核長大，如此周而復始。材料中的平均統計缺陷的密度決定于變形速率，變形速率高，平均硬化程度維持在較高的水平，材料在變形中表現出較高的流變應力。 6.3 6.3 熱加工時的軟化機制熱加工時的軟化機制 3 3）亞動態(tài)再結晶：）亞動態(tài)再結晶：變形過程中形成的再結晶核心或長大未完成的小晶體，在變形過程停止后的繼續(xù)長大。4 4）靜態(tài)回復和靜態(tài)再結晶：）靜態(tài)回復和靜態(tài)再結晶

17、：變形過程停止后，由于在較高的溫度下，這時所發(fā)生的回復過程和重新形核并長大的再結晶過程。 6.3 6.3 熱加工時的軟化機制熱加工時的軟化機制 6.4 6.4 熱加工對材料組織性能的影響熱加工對材料組織性能的影響 熱加工過程中，盡管加工硬化和再結晶軟化互相抵消，但材料經過熱加工后，組織性能也會帶來一系列的變化。 為了控制材料的最后組織，如晶粒尺寸，必需控制好最后的變形量和變形停止時的溫度，又稱為終鍛溫度，終鍛溫度過高，最后會導致材料的晶粒尺寸粗大，特別是終鍛變形量在臨界變形量附近時，晶粒尺寸更大，使材料的性能下降。但終鍛溫度過低或變形量過大可能會在零件上帶來殘余應力，甚至出現開裂。 壓力加工可

18、以焊合鑄態(tài)材料中的氣孔疏松，提高材料致密度和性能。所以有些零件必須通過壓力加工來成形。 壓力加工可以打碎粗大枝晶和柱狀晶，細化晶粒尺寸；對多相材料，反復的鐓拔，可以均勻材料的成分，都將有益于材料的使用性能。 熱加工的溫度較高，表面較易發(fā)生氧化現象，盡管有一些精密鍛造工藝，但產品的表面光潔度和尺寸精度不可能達到機械加工能達到的高度。 6.4 6.4 熱加工對材料組織性能的影響熱加工對材料組織性能的影響 6.4 6.4 熱加工對材料組織性能的影響熱加工對材料組織性能的影響在熱加工時，僅在一個方向上變形，如熱軋、拔長等，會造成雜質或第二相沿加工方向分布，形成所謂熱加工纖維組織，有時也稱為“流線”，材料的機械性能具有明顯的各向異性，通?？v向的強度、塑性和韌性顯著大于橫向。在零件成形中