金屬學(xué)與熱處理課件.講解學(xué)習(xí)

1、第一頁，共55頁。 形變金屬材料退火過程中的組織和形變金屬材料退火過程中的組織和性能變化性能變化 回復(fù)回復(fù) 再結(jié)晶再結(jié)晶 晶粒長大晶粒長大(chn d) (chn d) 金屬的熱加工金屬的熱加工 內(nèi)容內(nèi)容(nirng)目目錄錄第二頁，共55頁。引引 言言形變形變(xngbin)儲能儲能彈性彈性(tnxng)應(yīng)變能應(yīng)變能(312%)晶格晶格(jn )畸變能畸變能(8090%)退火退火將材料加熱到一定溫度保持一定時(shí)間的熱將材料加熱到一定溫度保持一定時(shí)間的熱處理工藝，按目的又可分為去應(yīng)力退火、處理工藝，按目的又可分為去應(yīng)力退火、成分均勻化退火等多種。成分均勻化退火等多種。形變儲能使金屬內(nèi)能升高，處于

2、熱力學(xué)亞穩(wěn)狀態(tài)。退火時(shí)，原子形變儲能使金屬內(nèi)能升高，處于熱力學(xué)亞穩(wěn)狀態(tài)。退火時(shí)，原子活動(dòng)能力升高，形變金屬從亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，而形變儲能則是活動(dòng)能力升高，形變金屬從亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，而形變儲能則是形變金屬退火過程中組織變化的驅(qū)動(dòng)力。形變金屬退火過程中組織變化的驅(qū)動(dòng)力。第三頁，共55頁。第一節(jié)第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織冷變形金屬在加熱時(shí)的組織(zzh)(zzh)與性能變化與性能變化 1.1 回復(fù)回復(fù)(huf)與再與再結(jié)晶結(jié)晶回回 復(fù)復(fù)冷變形金屬低溫加熱時(shí)，顯微組織無可見冷變形金屬低溫加熱時(shí)，顯微組織無可見變化變化(binhu)(binhu)，但其物理、力學(xué)性能卻部，但其物理、力學(xué)性能卻部分

3、恢復(fù)到冷變形以前的過程。分恢復(fù)到冷變形以前的過程。再結(jié)晶再結(jié)晶冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，在變形組織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，內(nèi)部新的無畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強(qiáng)化效應(yīng)完全消除的過程。而使形變強(qiáng)化效應(yīng)完全消除的過程。第四頁，共55頁。u 回復(fù)階段：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化；回復(fù)階段：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化；u 再結(jié)晶階段：變形再結(jié)晶階段：變形(bin xng)(bin xng)晶粒通過形核長大，逐漸轉(zhuǎn)變晶粒通過形核長大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臑樾碌?無畸變的等軸晶粒。無畸變的等軸晶粒。u 晶粒長大階段：晶界移動(dòng)、晶

4、粒粗化，達(dá)到相對穩(wěn)定的晶粒長大階段：晶界移動(dòng)、晶粒粗化，達(dá)到相對穩(wěn)定的 形狀和尺寸。形狀和尺寸。1.2 顯微組織顯微組織(zzh)變化變化第五頁，共55頁。1.2 顯微顯微(xin wi)組織變化組織變化第六頁，共55頁。回回 復(fù)復(fù) 階階 段：段： 強(qiáng)度強(qiáng)度(qingd)(qingd)、硬度略有下降，塑性略有提、硬度略有下降，塑性略有提 高。高。再再 結(jié)結(jié) 晶晶 階段：階段： 強(qiáng)度強(qiáng)度(qingd)(qingd)、硬度明顯下降，塑性明顯提高。、硬度明顯下降，塑性明顯提高。晶粒長大晶粒長大 階段：階段： 強(qiáng)度強(qiáng)度(qingd)(qingd)、硬度繼續(xù)下降、硬度繼續(xù)下降, ,塑性繼續(xù)提高，塑性繼續(xù)

5、提高， 粗化嚴(yán)重時(shí)塑性也下降。粗化嚴(yán)重時(shí)塑性也下降。密密 度度: : 在回復(fù)階段在回復(fù)階段(jidun)(jidun)變化不大，在再結(jié)晶階段變化不大，在再結(jié)晶階段(jidun)(jidun)急劇升高；急劇升高；電電 阻：阻： 電阻在回復(fù)階段電阻在回復(fù)階段(jidun)(jidun)可明顯下降?？擅黠@下降。形變儲能：形變儲能： 回復(fù)階段回復(fù)階段(jidun)(jidun)部分釋放，再結(jié)晶至長大初期完全釋部分釋放，再結(jié)晶至長大初期完全釋放。放。1.3 性能性能(xngnng)變化變化力學(xué)性能力學(xué)性能物理性能物理性能第七頁，共55頁。第八頁，共55頁?；鼗?復(fù)復(fù) 階段階段(jidun)(jidun)

6、： 大部分或全部消除第一類內(nèi)大部分或全部消除第一類內(nèi)應(yīng)力，部分消除第二、三類內(nèi)應(yīng)力；應(yīng)力，部分消除第二、三類內(nèi)應(yīng)力；再結(jié)晶階段再結(jié)晶階段(jidun)(jidun)： 內(nèi)應(yīng)力可完全消除。內(nèi)應(yīng)力可完全消除。1.4 內(nèi)應(yīng)力變化內(nèi)應(yīng)力變化(binhu)第九頁，共55頁。所謂回復(fù)，即在加熱溫度較低時(shí)，僅因金屬中的所謂回復(fù)，即在加熱溫度較低時(shí)，僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移而引起的某些晶內(nèi)的變一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移而引起的某些晶內(nèi)的變化?；貜?fù)階段化。回復(fù)階段(jidun)(jidun)一般加熱溫度在一般加熱溫度在0.4Tm0.4Tm以以下。下。第二節(jié)第二節(jié) 回回 復(fù)復(fù) 第十頁，共55頁。低溫階段低溫

7、階段 點(diǎn)缺陷的遷移點(diǎn)缺陷的遷移(qiny)(qiny)和減少和減少, , 表現(xiàn)為表現(xiàn)為: : 空位與間隙原子的相遇而互相中和空位與間隙原子的相遇而互相中和 空位或間隙原子運(yùn)動(dòng)到刃位錯(cuò)處消失，引起位錯(cuò)的攀移空位或間隙原子運(yùn)動(dòng)到刃位錯(cuò)處消失，引起位錯(cuò)的攀移 點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)到界面處消失。點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)到界面處消失。中溫階段中溫階段: : 纏結(jié)位錯(cuò)重新組合纏結(jié)位錯(cuò)重新組合; ; 異號位錯(cuò)抵消異號位錯(cuò)抵消, , 位錯(cuò)密度略有降低位錯(cuò)密度略有降低(jingd)(jingd)。亞晶粒長大。亞晶粒長大。2.1 回復(fù)回復(fù)(huf)機(jī)制機(jī)制 第十一頁，共55頁。高溫階段回復(fù)：高溫階段回復(fù)：位錯(cuò)攀移和位錯(cuò)環(huán)縮??；位錯(cuò)攀移和

8、位錯(cuò)環(huán)縮??；亞晶粒合并亞晶粒合并(hbng)(hbng)；多邊化。多邊化。 多邊化多邊化 是指冷變形是指冷變形金屬加熱金屬加熱(ji r)(ji r)時(shí)，時(shí)，原來處于滑移面上的原來處于滑移面上的位錯(cuò)，通過滑移和攀位錯(cuò)，通過滑移和攀移形成與滑移面垂直移形成與滑移面垂直的亞晶界的過程。多的亞晶界的過程。多變化的驅(qū)動(dòng)力是彈性變化的驅(qū)動(dòng)力是彈性應(yīng)變能的降低。應(yīng)變能的降低。2.1 回復(fù)回復(fù)(huf)機(jī)制機(jī)制 第十二頁，共55頁。上圖中硬化分?jǐn)?shù)上圖中硬化分?jǐn)?shù)(fnsh) R (fnsh) R 表示為：表示為：R=(sm-sr)/(sm-s0)R=(sm-sr)/(sm-s0)；smsm、sr sr、s0s

9、0分別為變形后、回復(fù)后以及完全退火后的屈服應(yīng)力。分別為變形后、回復(fù)后以及完全退火后的屈服應(yīng)力。2.2 回復(fù)回復(fù)(huf)動(dòng)動(dòng)力學(xué)力學(xué) 冷變形材料性能冷變形材料性能(xngnng)的回復(fù)的回復(fù)程度與回復(fù)處理的程度與回復(fù)處理的時(shí)間和溫度有關(guān)。時(shí)間和溫度有關(guān)?；鼗貜?fù)過程是熱激活過復(fù)過程是熱激活過程，轉(zhuǎn)變的速度決定程，轉(zhuǎn)變的速度決定于原子的活動(dòng)能力。于原子的活動(dòng)能力。第十三頁，共55頁。u 降低應(yīng)力降低應(yīng)力u （保持加工硬化效果（保持加工硬化效果(xiogu)(xiogu)）u 防止工件變形、開防止工件變形、開 裂，裂，提高耐蝕性。提高耐蝕性。2.3 回復(fù)回復(fù)(huf)應(yīng)應(yīng)用用 去應(yīng)力去應(yīng)力(yngl

10、)退火退火第十四頁，共55頁。p 冷變形后的金屬加熱到一定溫度冷變形后的金屬加熱到一定溫度(一般大于一般大于0.4Tm)或?；虮刈銐驎r(shí)間后，在原來的變形組織中產(chǎn)生了無畸變的溫足夠時(shí)間后，在原來的變形組織中產(chǎn)生了無畸變的新晶粒新晶粒;p 新生成的晶粒逐漸全部取代塑性變形過的晶粒，位錯(cuò)新生成的晶粒逐漸全部取代塑性變形過的晶粒，位錯(cuò)密度顯著降低密度顯著降低(jingd)，性能發(fā)生顯著變化并恢復(fù)到冷，性能發(fā)生顯著變化并恢復(fù)到冷變形前的水平，這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。變形前的水平，這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。p 再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也是變形儲能的降低再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也是變形儲能的降低(jingd)。第三節(jié)第三節(jié) 再結(jié)晶再結(jié)

11、晶 3.1 再結(jié)晶的基本再結(jié)晶的基本(jbn)過程過程第十五頁，共55頁。3.2 再結(jié)晶形核再結(jié)晶形核再結(jié)晶的形核是個(gè)復(fù)雜的過程。最初人們嘗試用再結(jié)晶的形核是個(gè)復(fù)雜的過程。最初人們嘗試用經(jīng)典的形核理論來處理再結(jié)晶過程，但計(jì)算經(jīng)典的形核理論來處理再結(jié)晶過程，但計(jì)算(j sun)得到的臨界晶核半徑過大，與試驗(yàn)結(jié)果不符。得到的臨界晶核半徑過大，與試驗(yàn)結(jié)果不符。大量實(shí)驗(yàn)表明，再結(jié)晶晶核總是在塑性變形引大量實(shí)驗(yàn)表明，再結(jié)晶晶核總是在塑性變形引起的最大畸變處形成，并且回復(fù)起的最大畸變處形成，并且回復(fù)(huf)階段發(fā)階段發(fā)生的多邊形化是再結(jié)晶形核的必要準(zhǔn)備。生的多邊形化是再結(jié)晶形核的必要準(zhǔn)備。第十六頁，共5

12、5頁?；貜?fù)階段，塑性變形所形成的胞狀組織經(jīng)多邊回復(fù)階段，塑性變形所形成的胞狀組織經(jīng)多邊(dubin)化發(fā)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(dòng)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(dòng)兩種機(jī)制。兩種機(jī)制。3.2.1 亞晶粒長大亞晶粒長大(chn d)形核機(jī)形核機(jī)制制亞晶粒長大形核一般在受大變形亞晶粒長大形核一般在受大變形(bin xng)度的材料中發(fā)生。度的材料中發(fā)生。第十七頁，共55頁。a. a. 亞晶合并亞晶合并(hbng)(hbng)機(jī)制機(jī)制 相鄰亞晶界的位錯(cuò)，通過滑移和攀移轉(zhuǎn)移到周圍相鄰亞晶界的位錯(cuò)，通過滑移和攀移轉(zhuǎn)移到周圍晶界或亞晶界上，導(dǎo)致原來亞晶界

13、的消失，最后晶界或亞晶界上，導(dǎo)致原來亞晶界的消失，最后通過原子擴(kuò)散通過原子擴(kuò)散(kusn)和位置的調(diào)整，使兩個(gè)或和位置的調(diào)整，使兩個(gè)或多個(gè)亞晶粒的取向變?yōu)橐恢?，合并成為一個(gè)大的多個(gè)亞晶粒的取向變?yōu)橐恢?，合并成為一個(gè)大的亞晶粒，成為再結(jié)晶的晶核。亞晶粒，成為再結(jié)晶的晶核。第十八頁，共55頁。如上圖，晶粒中某些如上圖，晶粒中某些(mu xi)局部位錯(cuò)密度很高的亞晶界向局部位錯(cuò)密度很高的亞晶界向周邊移動(dòng)，吞并相鄰的變形基體和亞晶而成長為再結(jié)晶晶核。周邊移動(dòng)，吞并相鄰的變形基體和亞晶而成長為再結(jié)晶晶核。b. b. 亞晶界移動(dòng)亞晶界移動(dòng)(ydng)(ydng)機(jī)制機(jī)制 第十九頁，共55頁。當(dāng)金屬的變形度

14、較小時(shí)，金屬變形是不均勻的。若晶界兩邊一個(gè)晶當(dāng)金屬的變形度較小時(shí)，金屬變形是不均勻的。若晶界兩邊一個(gè)晶粒的位錯(cuò)密度高，另一個(gè)位錯(cuò)密度低，加熱時(shí)晶界會向密度高的一粒的位錯(cuò)密度高，另一個(gè)位錯(cuò)密度低，加熱時(shí)晶界會向密度高的一側(cè)突然側(cè)突然(trn)(trn)移動(dòng)，高密度一側(cè)的原子轉(zhuǎn)移到位錯(cuò)低的一側(cè)，新的移動(dòng)，高密度一側(cè)的原子轉(zhuǎn)移到位錯(cuò)低的一側(cè)，新的排列應(yīng)為無畸變區(qū)，這個(gè)區(qū)域就是再結(jié)晶核心。排列應(yīng)為無畸變區(qū)，這個(gè)區(qū)域就是再結(jié)晶核心。 3.2.2 晶界凸出晶界凸出(t ch)形核形核機(jī)制機(jī)制 第二十頁，共55頁。和結(jié)晶形核方式類似，晶界彎曲后，一方面晶界的彎和結(jié)晶形核方式類似，晶界彎曲后，一方面晶界的彎曲

15、面因面積增加會增加界面能，另一方面形核區(qū)中原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(nèi)變形區(qū)內(nèi)(q ni)(q ni)有應(yīng)變能的釋放。有應(yīng)變能的釋放。3.2.2 晶界凸出晶界凸出(t ch)形核形核機(jī)制機(jī)制 第二十一頁，共55頁。晶界凸出形核現(xiàn)象在銅、鎳、銀、鋁及鋁晶界凸出形核現(xiàn)象在銅、鎳、銀、鋁及鋁- -銅合銅合金中曾直接金中曾直接(zhji)(zhji)觀察到。觀察到。 第二十二頁，共55頁。變形晶粒晶界附近的原子移動(dòng)變形晶粒晶界附近的原子移動(dòng)(ydng)(ydng)到新的未變形晶粒上，到新的未變形晶粒上，從而可以減少變形應(yīng)變能，新從而可以減少變形應(yīng)變能，新晶粒不斷長大到相遇，

16、最后全晶粒不斷長大到相遇，最后全部為新晶粒，再結(jié)晶完成。部為新晶粒，再結(jié)晶完成。 t0時(shí)間時(shí)間t t半半徑徑R RdR/dt = G晶粒彼此接觸晶粒彼此接觸孕育期孕育期3.3 核心核心(hxn)的長大的長大第二十三頁，共55頁。原子結(jié)合力大，熔點(diǎn)高的材料，再結(jié)晶進(jìn)行較慢；原子結(jié)合力大，熔點(diǎn)高的材料，再結(jié)晶進(jìn)行較慢；材料的純度，純凈材料如純金屬，進(jìn)行較快，而溶入了材料的純度，純凈材料如純金屬，進(jìn)行較快，而溶入了其它元素其它元素(yun s)(yun s)，特別是易在晶界處存在聚集的元素，特別是易在晶界處存在聚集的元素(yun s)(yun s)時(shí)，將降低再結(jié)晶的速度；時(shí)，將降低再結(jié)晶的速度；第二

17、相質(zhì)點(diǎn)特別是呈彌散分布時(shí)，將明顯降低再結(jié)晶的第二相質(zhì)點(diǎn)特別是呈彌散分布時(shí)，將明顯降低再結(jié)晶的速度。速度。 材料材料(cilio)(cilio)因素因素3.4 影響影響(yngxing)再再結(jié)晶的因素結(jié)晶的因素 第二十四頁，共55頁。加熱溫度愈高，再結(jié)晶速度愈快；加熱溫度愈高，再結(jié)晶速度愈快；變形變形(bin xng)量大，彈性畸變能大，再結(jié)晶速量大，彈性畸變能大，再結(jié)晶速度也快。度也快。工藝工藝(gngy)(gngy)因素因素變形變形(bin xng)量過小，形變儲能不能滿足形核的基本要求時(shí)，再量過小，形變儲能不能滿足形核的基本要求時(shí)，再結(jié)晶就不能發(fā)生。結(jié)晶就不能發(fā)生。發(fā)生再結(jié)晶需要一定的變形

18、量，稱為臨界變形量發(fā)生再結(jié)晶需要一定的變形量，稱為臨界變形量C，大多，大多金屬材料的臨界變形量在金屬材料的臨界變形量在210%之間。之間。3.4 影響再結(jié)晶的因素影響再結(jié)晶的因素 第二十五頁，共55頁。再結(jié)晶剛完成時(shí)，得到的是等軸再結(jié)晶剛完成時(shí)，得到的是等軸細(xì)晶粒組織。繼續(xù)提高退火溫度細(xì)晶粒組織。繼續(xù)提高退火溫度或延長或延長(ynchng)保溫時(shí)間，就保溫時(shí)間，就會發(fā)生晶粒相互吞并而長大的現(xiàn)會發(fā)生晶粒相互吞并而長大的現(xiàn)象，晶粒長大包括均勻長大的正象，晶粒長大包括均勻長大的正常長大過程和反常的長大過程。常長大過程和反常的長大過程。第四節(jié)第四節(jié) 晶粒長大晶粒長大(chn d) (chn d) 第二

19、十六頁，共55頁。4.1 正常正常(zhngchng)的晶粒長大的晶粒長大4.1.1 晶粒長大晶粒長大(chn d)的動(dòng)力的動(dòng)力 晶粒的長大晶粒的長大(chn d)是一自發(fā)過程，其驅(qū)動(dòng)力是降低其總界面是一自發(fā)過程，其驅(qū)動(dòng)力是降低其總界面能。長大能。長大(chn d)過程中，晶粒變大，則晶界的總面積減小，過程中，晶粒變大，則晶界的總面積減小，總界面能也就減小。總界面能也就減小。為減小表面能，晶粒長大的熱力學(xué)條件總是滿足的，長為減小表面能，晶粒長大的熱力學(xué)條件總是滿足的，長大與否還需滿足動(dòng)力學(xué)條件，這就是界面的活動(dòng)性。而大與否還需滿足動(dòng)力學(xué)條件，這就是界面的活動(dòng)性。而溫度溫度是影響界面活動(dòng)性的最主

20、要因素。是影響界面活動(dòng)性的最主要因素。第二十七頁，共55頁。 為降低表面能，彎曲晶界趨于平為降低表面能，彎曲晶界趨于平直直(pn zh)化，即晶界向曲率化，即晶界向曲率半徑中心移動(dòng)以減小表面積。半徑中心移動(dòng)以減小表面積。II當(dāng)三個(gè)晶粒相交晶界夾角不等于當(dāng)三個(gè)晶粒相交晶界夾角不等于120o120o時(shí)，則晶時(shí)，則晶界總是向角度較銳的晶粒方向移動(dòng)，力圖使三界總是向角度較銳的晶粒方向移動(dòng)，力圖使三個(gè)夾角趨于相等。其原因是由于大角度晶界的個(gè)夾角趨于相等。其原因是由于大角度晶界的表面張力與位向無關(guān)，幾乎相等，即表面張力與位向無關(guān)，幾乎相等，即TA=TB=TC TA=TB=TC ，因此，因此(ync)(yn

21、c)三夾角必須相等各為三夾角必須相等各為120o120oOOIIIIIITATBTC4.1.2 晶界移動(dòng)晶界移動(dòng)(ydng)的規(guī)的規(guī)律律 第二十八頁，共55頁。 二維坐標(biāo)中，晶界邊數(shù)少于二維坐標(biāo)中，晶界邊數(shù)少于6的晶粒（其晶界外的晶粒（其晶界外凸）必然逐步縮小乃至消失。而邊數(shù)大于凸）必然逐步縮小乃至消失。而邊數(shù)大于6的晶的晶粒（晶界內(nèi)凹）則逐漸長大。當(dāng)晶界邊數(shù)為粒（晶界內(nèi)凹）則逐漸長大。當(dāng)晶界邊數(shù)為6時(shí)，時(shí)，晶界很平直且夾角為晶界很平直且夾角為120o時(shí)，則晶界處于時(shí)，則晶界處于(chy)穩(wěn)定狀態(tài)，不再移動(dòng)，要達(dá)到這樣的平衡狀態(tài)需穩(wěn)定狀態(tài)，不再移動(dòng)，要達(dá)到這樣的平衡狀態(tài)需要很長的保溫時(shí)間。要很

22、長的保溫時(shí)間。4.1.2 晶界移動(dòng)晶界移動(dòng)(ydng)的規(guī)的規(guī)律律 第二十九頁，共55頁。p 可溶解雜質(zhì)及合金元素可溶解雜質(zhì)及合金元素p 溶質(zhì)原子都能阻礙晶界移動(dòng)，特別是晶界偏聚溶質(zhì)原子都能阻礙晶界移動(dòng)，特別是晶界偏聚(內(nèi)內(nèi)吸附吸附)顯著的原子，能有效降低晶界的界面能，拖住晶顯著的原子，能有效降低晶界的界面能，拖住晶界使之不易移動(dòng)，溫度很高時(shí)，吸附在晶界的溶質(zhì)原界使之不易移動(dòng)，溫度很高時(shí)，吸附在晶界的溶質(zhì)原子被驅(qū)散，其抑制作用減弱乃至消失。子被驅(qū)散，其抑制作用減弱乃至消失。p 溫度：晶界移動(dòng)速率可表示溫度：晶界移動(dòng)速率可表示(biosh)為：為：G=G0exp(-QG/RT)； G0為常數(shù)，為

23、常數(shù)，QG為晶界遷移激活能。通常為晶界遷移激活能。通常一定溫度下晶粒長大到一定尺寸就不再長大了，提高一定溫度下晶粒長大到一定尺寸就不再長大了，提高溫度晶粒會繼續(xù)長大。溫度晶粒會繼續(xù)長大。4.1.3 影響影響(yngxing)晶界晶界移動(dòng)的因素移動(dòng)的因素第三十頁，共55頁。小角度晶界的界面能小于小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而大角度晶界的界面能，而驅(qū)使界面移動(dòng)的力又與界驅(qū)使界面移動(dòng)的力又與界面能成正比，因此面能成正比，因此(ync)(ync)前者的遷移速度要小于后前者的遷移速度要小于后者。者。4.1.4 影響影響(yngxing)晶界移晶界移動(dòng)的因素動(dòng)的因素p 相鄰相鄰(xin ln

24、)晶粒的位晶粒的位向差向差第三十一頁，共55頁。p 不溶解(rngji)的第二相rFf fa ab bf fs s周長周長2 rcosf f顆粒顆粒s s晶界晶界彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)對于阻礙彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)對于阻礙(z i)(z i)晶界的運(yùn)動(dòng)有重要作晶界的運(yùn)動(dòng)有重要作用。右圖中當(dāng)運(yùn)動(dòng)的晶界遇用。右圖中當(dāng)運(yùn)動(dòng)的晶界遇到球形到球形( (簡化起見簡化起見) )第二相質(zhì)第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，第二相質(zhì)點(diǎn)對晶界運(yùn)點(diǎn)時(shí)，第二相質(zhì)點(diǎn)對晶界運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力。動(dòng)產(chǎn)生阻力。如果達(dá)到平衡，則阻力必須等于總張力在垂直方向的分力。如果達(dá)到平衡，則阻力必須等于總張力在垂直方向的分力。晶界與質(zhì)點(diǎn)接觸的周長為晶界與質(zhì)點(diǎn)接觸的周長為: L=2

25、rcosf; 所以所以(suy)總張力為總張力為: 2rscosf；它在垂直方向的分量則應(yīng)為：；它在垂直方向的分量則應(yīng)為：2rscosfsinb；而；而 b = 90oaf4.1.4 影響晶界移動(dòng)的因素影響晶界移動(dòng)的因素第三十二頁，共55頁。所以平衡時(shí)總阻力應(yīng)為：所以平衡時(shí)總阻力應(yīng)為：F = 2rs cosf sin(90oaf) = 2rs cosf cos(a-f)對于對于(duy)固定材料體系和質(zhì)點(diǎn)，固定材料體系和質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)和晶粒間的表面張力固定，質(zhì)點(diǎn)和晶粒間的表面張力固定，a也不變，而也不變，而f隨晶界與質(zhì)點(diǎn)的相對隨晶界與質(zhì)點(diǎn)的相對位置而變化。位置而變化。對對f f求極值，令求極值，令

26、dF/df=0dF/df=0，則有：，則有：f=a/2f=a/2，代入上述，代入上述(shngsh)(shngsh)表達(dá)表達(dá)式中可得：式中可得：max= 2max= 2 rs cosf cos(a-f) = 2rs cosf cos(a-f) = 2 rs cos2a /2 = rs cos2a /2 = rs(1+ rs(1+ cosa)cosa)若單位體積中二相質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)為若單位體積中二相質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)為NvNv，當(dāng)單位面積的晶界移動(dòng)，當(dāng)單位面積的晶界移動(dòng)2r2r距離時(shí)，距離時(shí)，橫切的顆粒數(shù)為：橫切的顆粒數(shù)為：N = 2rNvN = 2rNvp 不溶解(rngji)的第二相rFf fa ab bf

27、 fs s周長周長2 rcosf f顆粒顆粒s s晶界晶界第三十三頁，共55頁。因此作用在單位面積晶界上的總阻力為：因此作用在單位面積晶界上的總阻力為：F F總總= FmaxN = 2= FmaxN = 2r2s Nv(1+ cosa)r2s Nv(1+ cosa)另一方面，對于球形晶粒（半徑為另一方面，對于球形晶粒（半徑為R R），驅(qū)動(dòng)其晶界移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)），驅(qū)動(dòng)其晶界移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力力P P為：為： P = 2s/RP = 2s/R阻力驅(qū)動(dòng)力平衡時(shí)有：阻力驅(qū)動(dòng)力平衡時(shí)有： 2s/R=22s/R=2r2s Nv (1+cosa )r2s Nv (1+cosa )因此：因此： R = R = r2 N

28、v (1+cosa )-1r2 Nv (1+cosa )-1由于由于(yuy)Nv(yuy)Nv為單位體積中二相質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)為單位體積中二相質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù), , 則其體積分?jǐn)?shù)為：則其體積分?jǐn)?shù)為：f = 4f = 4r3Nv /3r3Nv /3；將；將NvNv換算成體積分?jǐn)?shù)換算成體積分?jǐn)?shù) f f 代入得：代入得：若若a a角在遷移過程中保持不變，則：角在遷移過程中保持不變，則：frKR =+=acos1134frRp 不溶解(rngji)的第二相第三十四頁，共55頁。 討討 論：論：frKR =p 不溶解(rngji)的第二相l(xiāng)R R是平衡狀態(tài)下的晶粒半徑，也即是該條件下晶粒長大的極限是平衡狀態(tài)下的晶粒半

29、徑，也即是該條件下晶粒長大的極限(jxin)(jxin)尺尺寸。寸。l晶粒長大晶粒長大(chn d)的極限尺寸與二相顆粒的半徑成正比，與顆粒的體的極限尺寸與二相顆粒的半徑成正比，與顆粒的體積分?jǐn)?shù)成反比。積分?jǐn)?shù)成反比。l二相顆粒愈細(xì)小，數(shù)量愈多，則對晶粒長大的阻滯能力愈強(qiáng)。二相顆粒愈細(xì)小，數(shù)量愈多，則對晶粒長大的阻滯能力愈強(qiáng)。l二相顆粒對晶粒長大的阻礙作用主要取決于其大小和體積分?jǐn)?shù)，而二相顆粒對晶粒長大的阻礙作用主要取決于其大小和體積分?jǐn)?shù)，而二相顆粒本身的性質(zhì)影響相對較小，因?yàn)樗挥绊懚囝w粒本身的性質(zhì)影響相對較小，因?yàn)樗挥绊慳 a值。值。l應(yīng)用實(shí)例：燈泡應(yīng)用實(shí)例：燈泡W絲中加絲中加ThO2質(zhì)

30、點(diǎn)；鋼中含有質(zhì)點(diǎn)；鋼中含有Al2O3或或AlN質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)、Mg中中加入微量加入微量Zr，Al中含有中含有MnAl6質(zhì)點(diǎn)，均可明顯阻止加熱時(shí)晶粒的長大。質(zhì)點(diǎn)，均可明顯阻止加熱時(shí)晶粒的長大。第三十五頁，共55頁。再結(jié)晶晶粒通常緩慢均勻長大，但如有少數(shù)晶粒處在特別有利再結(jié)晶晶粒通常緩慢均勻長大，但如有少數(shù)晶粒處在特別有利的環(huán)境，它們將吞食周圍晶粒，迅速長大，這種現(xiàn)象稱為晶粒的環(huán)境，它們將吞食周圍晶粒，迅速長大，這種現(xiàn)象稱為晶粒的異常長大。早期的研究的異常長大。早期的研究(ynji)以為異常長大也是形核和核以為異常長大也是形核和核心的生長過程，因此稱為心的生長過程，因此稱為“二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶”4.

31、2 晶粒的非正常長大晶粒的非正常長大(chn d) 異常異常(ychng)長大的實(shí)質(zhì)是一次再結(jié)晶后的長大過程中，某些晶長大的實(shí)質(zhì)是一次再結(jié)晶后的長大過程中，某些晶粒的環(huán)境特殊而產(chǎn)生的優(yōu)先長大，不存在再次形核過程。粒的環(huán)境特殊而產(chǎn)生的優(yōu)先長大，不存在再次形核過程。異常長大導(dǎo)致晶粒分布嚴(yán)重不均，長大后期可能造成材料晶粒尺異常長大導(dǎo)致晶粒分布嚴(yán)重不均，長大后期可能造成材料晶粒尺寸過大，對材料的性能帶來十分不利的影響。寸過大，對材料的性能帶來十分不利的影響。第三十六頁，共55頁。基本條件基本條件: :正常晶粒長大過正常晶粒長大過程被程被( (第二分散相第二分散相微粒、織構(gòu)）微粒、織構(gòu)） 強(qiáng)強(qiáng)烈阻礙。烈

32、阻礙。驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)力：界面界面(jimin)(jimin)能能變化。變化。( (不是重新不是重新形核形核) )4.2 晶粒的非正常長大晶粒的非正常長大(chn d) 第三十七頁，共55頁。 釘扎晶界的第二相溶于基體釘扎晶界的第二相溶于基體. . 機(jī)制機(jī)制 再結(jié)晶織構(gòu)中位向一致晶粒的合并再結(jié)晶織構(gòu)中位向一致晶粒的合并. . 大晶粒吞并小晶粒大晶粒吞并小晶粒. .對組織和性能的影響對組織和性能的影響 織構(gòu)明顯織構(gòu)明顯 各 向 異 性各 向 異 性 優(yōu)化磁導(dǎo)率優(yōu)化磁導(dǎo)率 性能不均性能不均 降低強(qiáng)度和塑韌性降低強(qiáng)度和塑韌性 晶粒粗大晶粒粗大(cd)(cd) 提高表面粗糙度提高表面粗糙度4.2 晶粒的非

33、正常長大晶粒的非正常長大(chn d) 第三十八頁，共55頁。p 再結(jié)晶溫度 p 再結(jié)晶后的晶粒尺寸 p 其它(qt)組織變化 第五節(jié)第五節(jié) 再結(jié)晶后的組織再結(jié)晶后的組織(zzh) (zzh) 第三十九頁，共55頁。 5. 1 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度(wnd) 再結(jié)晶并不是只能在固定的溫度以上才能再結(jié)晶并不是只能在固定的溫度以上才能(cinng)發(fā)生，而是發(fā)生，而是溫度愈高，轉(zhuǎn)變速度愈快。溫度愈高，轉(zhuǎn)變速度愈快。再再結(jié)結(jié)晶晶溫溫度度(wnd)定義為在一定時(shí)間內(nèi)完成再結(jié)晶所對應(yīng)定義為在一定時(shí)間內(nèi)完成再結(jié)晶所對應(yīng)的溫度，通常規(guī)定在一小時(shí)內(nèi)再結(jié)晶完的溫度，通常規(guī)定在一小時(shí)內(nèi)再結(jié)晶完成成95%95%所對

34、應(yīng)的溫度為再結(jié)晶溫度所對應(yīng)的溫度為再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度與材料的類型、純度有關(guān)，而且和材料冷變形程再結(jié)晶溫度與材料的類型、純度有關(guān)，而且和材料冷變形程度也有關(guān)。再結(jié)晶溫度隨著變形量的增加而降低，最終有一度也有關(guān)。再結(jié)晶溫度隨著變形量的增加而降低，最終有一下限值，對于工業(yè)純金屬來講，經(jīng)驗(yàn)表明最低再結(jié)晶溫度在下限值，對于工業(yè)純金屬來講，經(jīng)驗(yàn)表明最低再結(jié)晶溫度在0.35TM左右，一般再結(jié)晶溫度用左右，一般再結(jié)晶溫度用0.4TM來估計(jì)。來估計(jì)。第四十頁，共55頁。在臨界變形量以下，材料不發(fā)生再在臨界變形量以下，材料不發(fā)生再結(jié)晶，維持原來的晶粒尺寸結(jié)晶，維持原來的晶粒尺寸(ch cun)；在臨界變形量附近

35、，剛能形核，因在臨界變形量附近，剛能形核，因核心數(shù)量很少而再結(jié)晶后的尺寸核心數(shù)量很少而再結(jié)晶后的尺寸(ch cun)很大，有時(shí)甚至可得到單晶；很大，有時(shí)甚至可得到單晶；一般一般(ybn)情況隨著變形量的增加，再結(jié)晶后的晶粒尺寸不斷減??；情況隨著變形量的增加，再結(jié)晶后的晶粒尺寸不斷減??；當(dāng)變形量過大當(dāng)變形量過大(70%)后，可能產(chǎn)生明顯織構(gòu)，在退火溫度高時(shí)發(fā)生后，可能產(chǎn)生明顯織構(gòu)，在退火溫度高時(shí)發(fā)生晶粒的異常長大。晶粒的異常長大。5.2 影響影響(yngxing)再結(jié)晶后的晶再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素粒尺寸因素1) 1) 預(yù)變形量預(yù)變形量第四十一頁，共55頁。退火退火(tu hu)(tu hu)溫度

36、高，完成再結(jié)溫度高，完成再結(jié)晶用的時(shí)間少，長大的時(shí)間就長，晶用的時(shí)間少，長大的時(shí)間就長，所以隨退火所以隨退火(tu hu)(tu hu)溫度的提高溫度的提高而晶粒尺寸增大。而晶粒尺寸增大。再結(jié)晶退火一般均采用保溫再結(jié)晶退火一般均采用保溫 2 2小時(shí)，保證再結(jié)晶充分完成而晶粒小時(shí)，保證再結(jié)晶充分完成而晶粒不過分長大，延長保溫時(shí)間顯然會造成不過分長大，延長保溫時(shí)間顯然會造成(zo chn)(zo chn)晶粒尺寸的晶粒尺寸的長大。長大。 5.2 影響影響(yngxing)再結(jié)晶后的晶再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素粒尺寸因素2)2)退火溫度和時(shí)間退火溫度和時(shí)間第四十二頁，共55頁。5.2 影響影響(yngx

37、ing)再結(jié)晶后的晶再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素粒尺寸因素3)3)雜質(zhì)雜質(zhì)(zzh)(zzh)無論是固溶于晶體內(nèi)的異類原子，還是無論是固溶于晶體內(nèi)的異類原子，還是(hi shi)在材料組織中存在的第二相質(zhì)點(diǎn)，在材料組織中存在的第二相質(zhì)點(diǎn)，特別是彌散分布時(shí)，都將促進(jìn)再結(jié)晶后的特別是彌散分布時(shí)，都將促進(jìn)再結(jié)晶后的晶粒細(xì)化。晶粒細(xì)化。4)4)原始晶粒大小原始晶粒大小在其他條件相同時(shí)，材料變形前的晶在其他條件相同時(shí)，材料變形前的晶粒尺寸愈細(xì)小，晶界面多，有利形核，粒尺寸愈細(xì)小，晶界面多，有利形核，再結(jié)晶后的晶粒也細(xì)小。再結(jié)晶后的晶粒也細(xì)小。5)5)變形溫度變形溫度材料變形溫度較高，或再結(jié)晶退火前進(jìn)材料變形溫

38、度較高，或再結(jié)晶退火前進(jìn)行較有效的回復(fù)處理，因降低了畸變能，行較有效的回復(fù)處理，因降低了畸變能，可使再結(jié)晶后的晶粒變粗?？墒乖俳Y(jié)晶后的晶粒變粗。 第四十三頁，共55頁。p 應(yīng)避免在臨界變形量；應(yīng)避免在臨界變形量；p 同時(shí)一次不宜進(jìn)行過大的變形，防止產(chǎn)生組織織構(gòu)或出現(xiàn)晶同時(shí)一次不宜進(jìn)行過大的變形，防止產(chǎn)生組織織構(gòu)或出現(xiàn)晶粒的異常長大；粒的異常長大；p 嚴(yán)格控制再結(jié)晶退火的溫度和保溫時(shí)間，以保證再結(jié)晶能充嚴(yán)格控制再結(jié)晶退火的溫度和保溫時(shí)間，以保證再結(jié)晶能充分完成分完成(wn chng)而晶粒不過分長大。而晶粒不過分長大。5.2 影響影響(yngxing)再結(jié)晶后的晶粒再結(jié)晶后的晶粒尺寸因素尺寸因素

39、控制控制(kngzh)(kngzh)方法方法再結(jié)晶晶粒尺寸和凝固結(jié)晶一樣，決定再結(jié)晶晶粒尺寸和凝固結(jié)晶一樣，決定于形核率和長大速率的比值。為了防止于形核率和長大速率的比值。為了防止再結(jié)晶后晶粒粗大，材料需要進(jìn)行再結(jié)再結(jié)晶后晶粒粗大，材料需要進(jìn)行再結(jié)晶退火時(shí)：晶退火時(shí)：第四十四頁，共55頁。有些結(jié)構(gòu)的金屬及合金有些結(jié)構(gòu)的金屬及合金(hjn)(hjn)，再結(jié)晶退火后經(jīng)常出現(xiàn)孿，再結(jié)晶退火后經(jīng)常出現(xiàn)孿晶組織，這種孿晶稱為退火孿晶或再結(jié)晶孿晶。晶組織，這種孿晶稱為退火孿晶或再結(jié)晶孿晶。 5.3 其他其他(qt)組織組織變化變化 再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)材料的冷變形程度較大，如果材料的冷變形程度較大，如果(

40、rgu)產(chǎn)產(chǎn)生了變形織構(gòu)，在再結(jié)晶后晶粒取向的生了變形織構(gòu)，在再結(jié)晶后晶粒取向的遺傳，組織依然存在擇優(yōu)取向，這時(shí)的遺傳，組織依然存在擇優(yōu)取向，這時(shí)的織構(gòu)稱為再結(jié)晶織構(gòu)?？棙?gòu)稱為再結(jié)晶織構(gòu)。再結(jié)晶織構(gòu)對進(jìn)一步的加工不利。如沖壓再結(jié)晶銅板形成制再結(jié)晶織構(gòu)對進(jìn)一步的加工不利。如沖壓再結(jié)晶銅板形成制耳。經(jīng)常在耳。經(jīng)常在Cu中加入少量中加入少量P、Be、Cd、Sn等雜質(zhì)預(yù)防。等雜質(zhì)預(yù)防。退火孿晶退火孿晶第四十五頁，共55頁。熱加工熱加工 熱加工時(shí)的軟化機(jī)制熱加工時(shí)的軟化機(jī)制 熱加工對材料熱加工對材料(cilio)(cilio)組織性能組織性能的影響的影響 第六節(jié)第六節(jié) 金屬金屬(jnsh)(jnsh)的

41、熱的熱加工加工 第四十六頁，共55頁。p熱加工熱加工(ji gng)(ji gng)：再結(jié)晶溫度以上的加工：再結(jié)晶溫度以上的加工(ji (ji gng)gng)稱為稱為“熱熱 加工加工(ji gng)”(ji gng)”。p溫加工溫加工(ji gng)(ji gng)：低于再結(jié)晶溫度高于室溫的加：低于再結(jié)晶溫度高于室溫的加工工(ji gng)(ji gng)。p冷加工冷加工(ji gng)(ji gng)：室溫加工：室溫加工(ji gng)(ji gng)。6.1 何謂何謂(hwi)熱熱加工？加工？SnSn的再結(jié)晶溫度的再結(jié)晶溫度(wnd)(wnd)低于室溫，因此室溫低于室溫，因此室溫下對錫的

42、加工即為熱加工。下對錫的加工即為熱加工。第四十七頁，共55頁。在熱加工的溫度下，材料可以進(jìn)行較快回復(fù)過程在熱加工的溫度下，材料可以進(jìn)行較快回復(fù)過程(guchng)(guchng)。它。它不同于靜態(tài)回復(fù)，材料在變形的同時(shí)，一方面變形在增加缺陷，不同于靜態(tài)回復(fù)，材料在變形的同時(shí)，一方面變形在增加缺陷，另一方面以回復(fù)方式減少部分缺陷，某些性能因二者的同時(shí)作用另一方面以回復(fù)方式減少部分缺陷，某些性能因二者的同時(shí)作用可達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，維持在某一固定的水平。可達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，維持在某一固定的水平。 6.2 熱加工時(shí)的軟化熱加工時(shí)的軟化(runhu)機(jī)制機(jī)制 在高溫下，塑性變形的同時(shí)，發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的軟化，盡管軟

43、在高溫下，塑性變形的同時(shí)，發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的軟化，盡管軟化本身的方式也是屬于回復(fù)和再結(jié)晶，由于變形硬化化本身的方式也是屬于回復(fù)和再結(jié)晶，由于變形硬化(ynghu)和軟化同時(shí)發(fā)生，軟化具有自己的特點(diǎn)，熱加工時(shí)和軟化同時(shí)發(fā)生，軟化具有自己的特點(diǎn)，熱加工時(shí)軟化有以下類型：軟化有以下類型：1 1）動(dòng)態(tài)回復(fù)）動(dòng)態(tài)回復(fù)第四十八頁，共55頁。熱塑性變形熱塑性變形(bin xng)再結(jié)晶方式再結(jié)晶方式(fngsh)形核形核超過臨界超過臨界(ln ji)變形變形量量核心長大核心長大長大的晶粒也在變形長大的晶粒也在變形超過臨界量超過臨界量再次形核長大再次形核長大6.3 熱加工時(shí)的軟化機(jī)制熱加工時(shí)的軟化機(jī)制 2 2）動(dòng)

44、態(tài)再結(jié)晶）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶第四十九頁，共55頁。3 3）亞動(dòng)態(tài)）亞動(dòng)態(tài)(dngti)(dngti)再結(jié)晶再結(jié)晶6.3 熱加工時(shí)的軟化熱加工時(shí)的軟化(runhu)機(jī)制機(jī)制 變形過程中形成的再結(jié)晶核心變形過程中形成的再結(jié)晶核心(hxn)或長大或長大未完成的小晶體，在變形過程停止后的繼續(xù)未完成的小晶體，在變形過程停止后的繼續(xù)長大。長大。4 4）靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶）靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶變形過程停止后，由于在較高的溫度下，這時(shí)所變形過程停止后，由于在較高的溫度下，這時(shí)所發(fā)生的回復(fù)過程和重新形核并長大的再結(jié)晶過程。發(fā)生的回復(fù)過程和重新形核并長大的再結(jié)晶過程。第五十頁，共55頁。為了控制材料的最后組織為了控制材料的最后組織(zzh)(zzh)，如晶粒尺寸，必需控制好最，如晶粒尺寸，必需控制好最后的變形量和變形停止時(shí)的溫度，又稱為終鍛溫度，終鍛溫度過后的變形量和變形停止時(shí)的溫度，又稱為終鍛溫度，終鍛溫度過高，最后會導(dǎo)致材料的晶粒尺寸粗大，特別是終鍛變形量在臨界高，最后會導(dǎo)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(shí)，晶粒尺寸更大，使材料的性能下降。