材料科學基礎(chǔ)-回復再結(jié)晶和熱加工

1、第九章第九章 回復、再結(jié)晶和金屬熱加工回復、再結(jié)晶和金屬熱加工 9.1 變形金屬加熱時的變化 9.2 回復 9.3 再結(jié)晶 9.4 再結(jié)晶后的晶粒長大 9.5 動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶 9.6 金屬的熱加工9.1 變形金屬加熱時的變化變形金屬加熱時的變化1.概述l金屬冷變形后，金屬中晶體缺陷密度增大，自 由焓增高，組織和性能都發(fā)生了明顯的變化。其變化程度隨著形變量加大而加大，而且形式也越來越復雜。l形變過程中大部分機械能都轉(zhuǎn)化為熱，只有約百分之幾的儲存在形變材料中，依附于點缺陷、位錯、層錯等缺陷形式存在。l從熱力學角度看，冷變形金屬是不穩(wěn)定的，只要有合適的動力學條件，它就有釋放此儲存能，向低能量狀

2、態(tài)轉(zhuǎn)變的傾向。也就是消除形變所帶來的“損傷”，恢復形變前組織結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。l 退火 ：任何能導致減小火消除“形變損傷”的熱 處理都稱為退火。l 形變金屬退火包括一系列使形變不斷轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍艿倪^ 程，習慣上把這些過程分為三個階段：回復再結(jié)晶晶粒長大。 （各階段經(jīng)常發(fā)生重疊）2.形變金屬加熱時變化的幾個方面l顯微組織的變化 經(jīng)大量冷變形的金屬加熱到大約（1/2）Tm（Tm為金屬熔點），經(jīng)過一定時間后，就會有晶體缺陷密度大為降低的新等軸晶粒在冷變形的基體內(nèi)形核長大，直到冷變形晶粒完全耗盡為止。l儲存能的變化 金屬變形后，在退火過程中，原形變后依附于各缺陷而存在的儲存能以熱的形式釋放來，作為回復與再結(jié)晶的

3、驅(qū)動力。l 性能的變化 伴隨著回復、再結(jié)晶和晶粒長大過程的進行，冷變形金屬的性能也要發(fā)生相應的變化。具體來說有以下兩個方面：v 塑性和強度 冷變形后產(chǎn)生加工硬化的金屬，經(jīng)過再結(jié)晶退火后，塑性可得到恢復，強度大幅度下降。v 物理性能 金屬經(jīng)冷加工形變后，產(chǎn)生空位、位錯、層錯等晶體缺陷，電子定向流動使被這些缺陷散射而使電阻增加。通過退火，缺陷減少或消除，電阻相應降低，得到回復。 由于缺陷的減少或消除，材料的密度也相應增加。 9.2 回回 復復1.回復基本概念l回復是冷變形金屬退火是最早發(fā)生的變化過程。l回復過程是通過點缺陷消除、位錯的對消和重排來實現(xiàn)的。l回復過程中不涉及大角度晶面的遷動，僅是形變

4、材料的結(jié)構(gòu)完整化過程2. 回復機制l低溫回復（T0.2Tm）：只涉及點缺陷的運動，點缺陷遷移湮沒在阱（如晶界、位錯等）中。l中溫回復（0.2Tm T0.35Tm）：涉及位錯的簡單滑移或交滑移遷動，同時， 空位湮沒在位錯處使位錯攀移，使異號位錯相互對消，位錯重新排列形成小角度界面。即多邊形化過程。l高溫回復（T0.35Tm）：產(chǎn)生位錯攀移和交滑移是亞晶合并，逐漸形成大角度界面，大角度界面發(fā)生遷動。這時實質(zhì)上已經(jīng)發(fā)生了再結(jié)晶。3. 回復動力學1）回復動力學分兩種類型：l 型動力學符合如下關(guān)系：兩邊取對數(shù)，有：lnlnQaAtRTr 回復分數(shù)t 回復到一定程度所需的時間 a 和溫度有關(guān)的常數(shù)A 速率

5、常數(shù)Q 回復激活能R 氣體常數(shù)T 回復溫度exp()drQAdtRTat 型回復動力學符合如下關(guān)系：l積分得： 2）由熱激活滑移控制的回復屬于型，即低溫回復一般屬于型。 由位錯攀移控制的回復屬于型，即高溫回復一般屬于型。1mdrc rdt (1)(1)01(1)mmrrmct， 常常 數(shù)數(shù)1cm4. 回復過程結(jié)構(gòu)的變化1）回復的不同階段 形變形成位錯纏結(jié)和胞狀結(jié)構(gòu)（如圖a，b）胞內(nèi)位錯重排列和對消(如圖c)胞壁的峰銳化形成亞晶(如圖d)亞晶長大(如圖e)2）回復過程中的結(jié)構(gòu)變化l多邊形化退火時，由于位錯的交互作用（如圖a中的同號刃位錯），位錯會在垂直于滑移面方向排成位錯墻（如圖c），即形成對稱

6、傾轉(zhuǎn)晶界。其中圓滑彎曲滑移面分裂成有刃位錯墻分隔開的多邊形邊段。這個過程就是多邊形化多邊形化。（實際如圖b，d） l亞晶形成 在變形晶粒內(nèi)部有很多位錯胞結(jié)構(gòu)，胞內(nèi)的位錯密度比較低，而胞之間是由高位錯密度的位錯纏結(jié)構(gòu)成的散漫胞壁。在回復過程中，胞內(nèi)的位錯越來越少，胞壁的位錯重排和對消，使胞壁減薄而逐漸變鋒銳，最后形成位錯網(wǎng)絡(luò)。胞壁完全鋒銳化的胞塊就轉(zhuǎn)化為亞晶。l亞晶粗化和長大v亞晶長大：亞晶形成以后，材料仍然保留有較大的儲存能，亞晶將會進一步長大以減少小角度界面面積來降低儲存能，使得某些較大的亞晶吞并較小的亞晶而長大。 其驅(qū)動力是大、小亞晶界面的界面能差。v亞晶粗化 三種亞晶粗化模型：李振民提出

7、的亞晶轉(zhuǎn)動聚合粗化模型 兩個有微弱取向差的亞晶聚合成一個，通過其中一個亞晶轉(zhuǎn)動來取消它們之間的界面。 如圖：a）聚合以前的原始亞晶結(jié)構(gòu)，中間2個亞晶間有微弱的取向差。要使其合二為一，就需要消除其中間的界面，其中的一個亞晶必須轉(zhuǎn)動； b）轉(zhuǎn)動過程必然引起原子從陰影面積沿界面擴散到空白面積中去。這個過程的實質(zhì)是亞晶界上的位錯的協(xié)同運動或是空位的協(xié)同運動； c）為聚合后的亞晶結(jié)構(gòu)，亞晶邊界再做幾何調(diào)整，使BCD以及IHG界面變直；d）最后的亞晶結(jié)構(gòu)。胡郇提出的亞晶聚合形成再結(jié)晶晶核的模型 在點陣彎曲和位錯密度比較高的顯微帶狀區(qū)中，兩個有取向位向差的小角度亞晶聚合形成一個有大角度晶界的晶粒。如圖:a）

8、未形核淺的亞晶結(jié)構(gòu)；b）A和B，C和D亞晶聚合；c）2個已聚合的亞晶再聚合 ；d）已聚合粗化的晶界變成大角度晶界，實際上變成再結(jié)晶核心。Jones提出的亞晶粗化聚合形成再結(jié)晶晶核模型 在兩個晶粒的晶界處，有性質(zhì)基本相反的亞 晶界（相鄰的亞晶界中所含的是反號位錯），通過位錯運動，使亞晶聚合形成一個大亞晶。這個大亞晶向兩側(cè)晶粒長大，其界面逐漸變成大角度晶界，最終形成再結(jié)晶晶核。 如圖: AB是原始晶界，晶粒1和2內(nèi)為多邊形組織，在晶粒1靠近晶界AB處有性質(zhì)基本相反的亞晶界（相鄰的亞晶界中所含的是反號位錯），通過位錯的運動，這些亞晶將很容易快速聚合，形成一個大亞晶，這個大亞晶開始向兩側(cè)晶粒長大，其晶

9、界逐漸變成大角度晶界，成為一個再結(jié)晶晶核。9.3 再再 結(jié)結(jié) 晶晶1.再結(jié)晶基本概念l再結(jié)晶使通過形核和長大來消除形變和回復基體的過程。 孕育形核（在某些有利位置形成基本上無應變的晶核，晶核部分或完全地被大角度晶界包圍）長大（通過大角度界面的遷移來實現(xiàn)）l再結(jié)晶后會消除或改變原來的形變的形變織構(gòu)，因為再結(jié)晶核心是通過大角度界面的遷動來實現(xiàn)的。l再結(jié)晶的驅(qū)動力是回復后沒有釋放的那部分儲存能。因為回復時大多數(shù)都形成了亞晶，所以再結(jié)晶的驅(qū)動力主要和亞晶中的位錯有關(guān)。由于再結(jié)晶和回復與儲存能的聯(lián)系，因此這兩個過程是 相互競爭進行的?；貜碗A段釋放的儲存能越多，再結(jié)晶驅(qū)動力就越少，再結(jié)晶過程就越延緩。同樣

10、，在再結(jié)晶的同時，在尚未再結(jié)晶的基體上繼續(xù)回復，會不斷減少供給再結(jié)晶的驅(qū)動力，減慢了新晶粒的長大速率，再結(jié)晶延緩。 1002003004005000500100200400壓縮量70壓縮量10(a)(b)溫溫 度度/功率差功率差 P/mW如圖是以6/min速度加熱退火測得的99.96純鎳形變試樣和標準試樣（不經(jīng)形變）之間的功率差。圖中a和b的試樣分別經(jīng)過70和10的壓縮變形。圖中曲線下的面積正比與釋放的能量。由圖可知，低形變量試樣在120、270、520處出現(xiàn)3個釋放能量峰。低溫的2個峰對應回復階段，它和空位的消失有關(guān)。高溫的那個峰對應再結(jié)晶階段。 回復釋放的總能量大于再結(jié)晶釋放的能量。高形變

11、的溫度比低形變量試樣的低得多。低溫的那個峰對應回復，它和低形變試樣的第一個回復峰對應。原來在低形變量試樣看到的第二個回復峰和再結(jié)晶重疊而看不清。l再結(jié)晶和相變的異、同 同：都是形核、長大的過程。 異：再結(jié)晶沒有明確的熱力學意義的臨界溫度一經(jīng)形變獲得儲存能，就立即具有了回復和再結(jié)晶的熱力學條件。溫度不同，只是再結(jié)晶過程的速度不同罷了。 再再 結(jié)結(jié) 晶晶相相 變變驅(qū)動力驅(qū)動力形變金屬和合金的形變金屬和合金的機械儲存能機械儲存能新、舊兩相的摩爾吉新、舊兩相的摩爾吉布斯自由能差布斯自由能差晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)不不 變變改改 變變原子擴散原子擴散無無 需需需需 要要 2. 再結(jié)晶基本規(guī)律l需要超過某個最小的

12、形變量才能發(fā)生再結(jié)晶，這個最小的形變量稱為臨界形變度(CriticalDeformation Degree)l再結(jié)晶溫度隨變形量增加而降低，但當形變量大到一定程度后，再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值。l再結(jié)晶剛完成時的晶粒尺寸主要取決于形變量而和退火溫度關(guān)系不大。形變量越大，再結(jié)晶剛完成的晶粒尺寸越小。l原始晶粒尺寸越大，要獲得相同再結(jié)晶溫度的形變量越大。l形變溫度越高，要獲得相同程度的應變硬化所需的形變量越大。這也意味著在一定形變量下，形變溫度越高，使以后再結(jié)晶溫度越高，再結(jié)晶后的晶粒尺寸越大。l新晶粒不會長入取向相同或取向略有差異的形變晶粒中。l再結(jié)晶完成后繼續(xù)加熱，晶粒尺寸增大。3. 再結(jié)晶形核

13、l再結(jié)晶形核的試驗事實：優(yōu)先在局部形變度高的區(qū)域形成形變帶、晶界、夾雜附近、孿晶等。形變量高于某一臨界值后，形核率隨形變量增加而急劇增加。核心的晶體學位向與它形成所在的形變區(qū)域的晶體學位向有統(tǒng)計關(guān)系。核心不能長入和它的位向不大的區(qū)域。l再結(jié)晶核心 再結(jié)晶核心并不是熱力學意義上的核心，它是在形變結(jié)構(gòu)中再結(jié)晶前預先存在的幾乎沒有變形的小體積罷了。l再結(jié)晶晶核形核機制 目前，有兩種已被人普遍接受的形核機制：亞晶遷移機制、亞晶合并機制 相同點：形變后，在加熱過程中發(fā)生胞壁平直化， 形成亞晶，借助亞晶作為再結(jié)晶的核心。 不同點：借助亞晶形成再結(jié)晶晶核的方式有不同。亞晶遷移機制 位錯密度較高的亞晶界，兩側(cè)

14、亞晶的位向差角較大，故在加熱過程中易發(fā)生遷移并逐漸變?yōu)榇蠼嵌染Ы?。亞晶尺寸隨之長大，有可能成為再結(jié)晶晶核。 低層錯能的金屬中，多以該種亞晶遷移機制形核。 亞晶合并機制 變形金屬在加熱過程中，其相鄰亞晶邊界上的位錯網(wǎng)絡(luò)通過解離、拆散以及位錯攀移與滑移，逐漸轉(zhuǎn)移到周圍其它亞晶上，從而導致相鄰亞晶邊界消失和亞晶合并。部分邊界位錯密度開始增加，亞晶位向差增大，可能成為再結(jié)晶晶核。 再結(jié)晶晶核內(nèi)部尚保留有少量位錯，亞晶合并后沒有完全消失的亞晶界和被彌散相質(zhì)點固定的位錯仍然存在。4. 再結(jié)晶晶核的成長l再結(jié)晶晶核一經(jīng)形成，就開始自發(fā)地長大。l晶核在畸變能的作用下，背離其曲率中心，向畸變能較高的變形晶粒推移

15、，直到全部形成無畸變（或畸變很少）的等軸晶粒為止。5. 再結(jié)晶動力學l由等溫再結(jié)晶動力學曲線看再結(jié)晶動力學過程再結(jié)晶動力學和相變動力學相似。再結(jié)晶等溫動力學曲線呈S型：再結(jié)晶退火后有一段孕育期，然后再結(jié)晶速度逐漸增加，一直增至某一近似恒定的速度，然后速度又逐漸下降。等溫時間再結(jié)晶百分數(shù)l再結(jié)晶動力學方程的推導假設(shè)條件： 形核率不隨時間變化，形核地點在整個體積內(nèi)隨機分布； 所有核心的長大速率相同，各向同性，并且不隨時間變化； 核心在相碰處停止長大。推導過程： 設(shè)在再結(jié)晶時間t前某一時刻形成一個晶核，如果在長大過程中未與其它晶核相碰，則在t時刻此晶核的體積V為：33()VfG tf形狀因子，設(shè)晶核

16、為球 形， 則f4/3G形核長大速度 在t時刻內(nèi)單位體積內(nèi)獲得再結(jié)晶所占的體積Xex： 3300()ttexXVNdfG tNdN形核率附：上式中，假設(shè)未再結(jié)晶體積是一定的，但實際上未再結(jié)晶體積是在不斷減少的，因此計算值偏高。 設(shè)在單位體積中再結(jié)晶體積所占的分數(shù)為X，未再結(jié)晶體積所占的分數(shù)未（1X），則真實的再結(jié)晶增量為 積分為： 則：(1)exdXX dXln(1)exXX 330ln(1)()tXfG tNd01 exp()tXVNd 設(shè)G、N不隨時間而變，則：34141 exp()XfG Nt 如果晶核是二維（板狀）或一維（絲狀）長大，則再結(jié)晶體積分數(shù)如表所示：再結(jié)晶類型Johnson和

17、Mehl（N為常數(shù)） JMA方程Naexp（Vt） 三維（塊狀）（3n4） 二維（板狀）為板狀核心厚度（2n3） 一維（絲狀）為絲狀核心截面半徑（1n2）34141 exp()XfG Nt 23131 exp()Xf G Nt 22121 exp()XfGNt 1 exp()nXBt 1 exp()nXBt 1 exp()nXBt 事實上，形核率N和長大速度G是隨時間而變的。若形核率N隨時間增加而下降，其形式為 Naexp（Vt） a，v常數(shù) 由此，動力學方程（Avrami，Johnson-Mehl方程）為：1 exp()nXBt 將上式兩邊取對數(shù)，有：11lnln()lnlnxBnt 將 及

18、t畫在對數(shù)坐標上，可得一條直線。其斜率為n，截距為lnB11ln()xl 影響再結(jié)晶動力學的一些因素形變量 再結(jié)晶需要一個最低的形變量（15）才會進行。要有足夠的儲存能作為驅(qū)動力和提供可形核的位置。 在這個基礎(chǔ)上，變形量增大，使儲存能以及形核的位置增加。形變方式 拉伸變形促進再結(jié)晶的影響大于壓縮變形。在同樣的形變量下，拉伸變形比壓縮變形的材料的再結(jié)晶溫度要低。 因為單晶體的易滑移階段變形，不會產(chǎn)生再結(jié)晶形核所需要的“位向梯度”，進而只產(chǎn)生回復而不發(fā)生再結(jié)晶。晶粒取向 晶粒的原始取向影響再結(jié)晶的形核位置和形核驅(qū)動力。因為晶粒的結(jié)構(gòu)及儲存能大小取決于開動的滑移系，不同織構(gòu)的儲存能不同，對再結(jié)晶速度

19、的影響也不同。 原始晶粒尺寸 原始晶粒尺寸對再結(jié)晶動力學有相反的兩方面的作用：一方面，由于晶界是有利的再結(jié)晶形核位置，原始晶粒尺寸小，以后再結(jié)晶的形核位置多，有利于再結(jié)晶；另一方面，原始晶粒小，形變比較均勻， 減少形核位置，不利于再結(jié)晶。 原始晶粒尺寸不同還可能影響形變織構(gòu)。 總的來說，原始晶粒越小，越會加速形變后的再結(jié)晶。溶質(zhì)原子的影響 溶質(zhì)原子通過對晶界遷移率的影響提高再結(jié)晶溫度，從而延緩再結(jié)晶。 溶質(zhì)原子對再結(jié)晶的影響取決于溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)，有時很微量的溶質(zhì)原子就有很大的作用。形變溫度和形變速度 如果在能發(fā)生位錯攀移等熱激活過程的溫度下形變，在形變過程中會發(fā)生動態(tài)回復。形變溫度越高，形變

20、速度越慢，這些熱激活過程進行得就越完全，使得形變后得儲存能較少，從而延緩了再結(jié)晶。退火條件的影響 退火溫度對再結(jié)晶有很大的影響。退火溫度越高，再結(jié)晶孕育期越短，再結(jié)晶過程越快。 退火加熱速度對再結(jié)晶速度也有很大影響：加熱速度越慢，使得經(jīng)歷退火前各溫度的時間越長，能更多的回復，從而降低再結(jié)晶的驅(qū)動力，延緩再結(jié)晶。6. 再結(jié)晶溫度與再結(jié)晶后的晶粒尺寸l再結(jié)晶溫度 實際再結(jié)晶溫度：指較大變形量（大于20）的金屬在1小時內(nèi)能夠完成再結(jié)晶（即再結(jié)晶分數(shù)為90）的最低加熱溫度。 若完成再結(jié)晶的時間為0.51小時，則： T再（K）（0.350.40）T溶（K） 若 再結(jié)晶時間 當 、 增加時，T再降低，曲線

21、左移。0.95nx 140.953()btNGNG影響再結(jié)晶溫度的因素變形量 變形量越小，開始再結(jié)晶的溫度就越高； 預先變形量越大，金屬晶體缺陷就越多，組織就越不定，最低再結(jié)晶溫度就越低； 形變量大到一定值后，最低再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值。700最低再結(jié)晶溫度（）60050040030020406080100變形量（）電解鐵（99.9）純鋁（99）熔點 熔點越高，T再就越高。雜質(zhì)和合金元素 由于雜質(zhì)和合金元素（尤其是高熔點合金元素）阻礙原子擴散和晶界的遷移，因此可顯著提高最低再結(jié)晶溫度。如區(qū)域熔煉中，Pb加入Sn，Ag或Au，界面遷移速度可降低二個數(shù)量級，偏聚于晶界阻止晶界遷移，阻礙再結(jié)晶過程

22、。 如下表是純質(zhì)材料和含雜質(zhì)材料的最低再結(jié)晶溫度的比較。純質(zhì)材料T再（）含雜質(zhì)材料 T再（）Cu（無氧）220CuZn（5）320Al（99.999）80Al（99.0）290Ni（99.99）370Ni（99.4）600加熱速度和保溫時間 再結(jié)晶是一個擴散過程，需要一定的時間完成，提高加熱速度會使再結(jié)晶在較高的溫度下發(fā)生，而保溫時間越長，T再就越低。l再結(jié)晶后的晶粒尺寸晶粒尺寸對性能有很大影響 若再結(jié)晶晶粒為球形，則其平均直徑d與形核率 ，長大速率 可存在以下關(guān)系： K常數(shù) 由此可見：再結(jié)晶晶粒大小取決于 的值NG14()GdKNGN影響再結(jié)晶晶粒度的因素加熱溫度 加熱溫度越高，原子擴散能力

23、越強，則晶界越易遷移，晶粒長大也越快。變形量 變形量與再結(jié)晶晶粒尺寸有很大關(guān)系： 變形量2時，儲存能很小，不足以引起再結(jié)晶發(fā)生； 變形量為210時，由于 比值小，變形量大的晶粒少，形成的再結(jié)晶晶核少，故再結(jié)晶的晶粒較粗大。此時的變形量被稱為臨界變形度； 變形量10時， 比值增大，再結(jié)晶晶粒開始變細。N GN G如圖為，變形量與再結(jié)晶晶粒尺寸的關(guān)系：變 形 量晶 粒 尺 寸臨界變形量7. 影響再結(jié)晶的因素l形變量 再結(jié)晶需要一個臨界變形量。達到臨界變形量之后，變形量增加，加速再結(jié)晶形核。l變形方式 單系滑移不發(fā)生再結(jié)晶晶核；拉伸比壓縮變形更能促進再結(jié)晶過程，因此拉伸變形的再結(jié)晶溫度較壓縮變形的要

24、低。l晶粒取向 不同的軋制織構(gòu)的儲存能不同。 例如：h,k,l110軋制織構(gòu)的儲存能大小為 E(110)E(112)E(100) 形變鐵的再結(jié)晶形核速率與晶粒取向間的關(guān)系如圖：時間形核速率011111211100l原始晶粒尺寸 原始晶粒尺寸對再結(jié)晶動力學有相反的兩方面影響：一方面，由于晶界是有利的再結(jié)晶的形核位置，原子晶粒尺寸越小，以后再結(jié)晶的形核位置就越多，因此有利于再結(jié)晶過程。另一方面，原始晶粒小，變形比較均勻，減少形核位置，不利于再結(jié)晶。 原始晶粒尺寸不同，還可影響形變結(jié)構(gòu)，影響再結(jié)晶動力學。 總的來說，原始晶粒尺寸小會加速形變后的再結(jié)晶。l溶質(zhì)原子的影響 溶質(zhì)原子通常是延緩再結(jié)晶的，對

25、再結(jié)晶的形核和長大都有影響，但主要是阻止晶界遷移而提高再結(jié)晶溫度。材 料AlCuFeNiZr再結(jié)晶 溫 度極 純5080300 300 170工業(yè)用200 180 480 600 450l形變溫度和形變速度 變形溫度越高，變形速度越慢，熱激活過程進行得越完全，使得變形后的儲存能減少，延緩再結(jié)晶。l退火條件的影響 退火溫度對再結(jié)晶有很大影響 因此 與 有線性關(guān)系，其直線的斜率就是再結(jié)晶激活能Q0.51exp()QctRT0.5lnt1T1/TLn(t0.5) 如圖，為 和1/T的圖線l退火加熱溫度 越慢，使得經(jīng)歷退火前各溫度的時間越長，能發(fā)生更多的回復，從而降低再結(jié)晶驅(qū)動力，延緩再結(jié)晶。0.5l

26、nt8.第二相粒子對再結(jié)晶的影響l第二相粒子的來源 第二相粒子可能在形變前已經(jīng)存在，也可能在隨后的退火時在過飽和基體中析出。 傳統(tǒng)的工業(yè)合金通常含5的體積分數(shù)第二相。l第二相粒子的作用促進再結(jié)晶形核（粒子較大且間距很大時） 可能增加形變儲存能而增加再結(jié)晶的驅(qū)動力。因為第二相使形變后的結(jié)構(gòu)復雜，使位錯密度增加。 粒子附近可能作為再結(jié)晶的形核位置。大而硬且間距寬的第二相粒子，由于形變時粒子附近出現(xiàn)更多的不均勻形變區(qū)，特別是這些區(qū)域有很大的顯微取向差時，更是促進再結(jié)晶形核。抑制再結(jié)晶形核（粒子較小且間距較?。?如果粒子較小，形變時它使位錯分布得均勻和穩(wěn)定，亞晶間的平均取向差很小，因而不利于形核，甚至

27、可能完全抑制形核。 彌散和稠密分布的第二相粒子釘扎晶界，阻礙晶界的遷動，阻止再結(jié)晶?？偨Y(jié)：總結(jié)： 第二相粒子對再結(jié)晶有兩種方面的作用：第二相粒子對再結(jié)晶有兩種方面的作用： 加速再結(jié)晶加速再結(jié)晶和和阻礙再結(jié)晶阻礙再結(jié)晶 究竟粒子以哪種方式影響再結(jié)晶取決于：究竟粒子以哪種方式影響再結(jié)晶取決于： 第二相的本質(zhì)：第二相的本質(zhì)：硬質(zhì)的粒子硬質(zhì)的粒子形變時附近更多的形變時附近更多的 不均勻區(qū)，形變儲存能更大不均勻區(qū)，形變儲存能更大 促進形核促進形核可變形的粒子可變形的粒子形核變形時儲存能小，不均勻性小形核變形時儲存能小，不均勻性小不利于形核不利于形核第二相粒子尺寸第二相粒子尺寸d：d0.3m促進再結(jié)晶形核

28、促進再結(jié)晶形核 d1m促進再結(jié)晶形核促進再結(jié)晶形核 T1 時：再結(jié)晶行為與固溶體一樣T1TT2 時：脫溶前已經(jīng)發(fā)生了再結(jié)晶，同上TT2 時：再結(jié)晶前已發(fā)生脫溶，粒子控制回復速度， 延緩再結(jié)晶。有時會在遷移的大角度晶界上 發(fā)生不連續(xù)脫溶。l回復時脫溶，脫溶析出的第二相粒子多，粒子尺寸小，間距小，使再結(jié)晶不易形核，釘扎晶界，可完全抑制再結(jié)晶。 在這種情況下，隨著保溫時間延長，脫溶質(zhì)點聚集長大，形變基體的位錯排列發(fā)生了改變，逐漸減小位錯密度和調(diào)整亞晶的取向差和尺寸，最后使基體恢復為形變前的未形變狀態(tài)。9.4 再結(jié)晶后的晶粒長大再結(jié)晶后的晶粒長大1. 晶粒長大的兩種類型 正常長大：隨著溫度的升高或時間

29、的延長而均勻連 續(xù)長大 非正常長大：不連續(xù)不均勻地長大，也稱二次再結(jié)晶2. 晶粒正常長大l驅(qū)動力：降低總的界面能。l微觀因素：晶粒界面的不同曲率是造成晶界遷移的 直接原因。實際晶粒長大，晶界總是向 著曲率中心移動。 設(shè)界面張力為，則沿長為L的界面將受到大小為L的一對作用力，沿曲率中心方向的分力為2Lsin（ d/2）。如要保持界面彎曲 ，必須使界面凹側(cè)徑向力大于凸側(cè)的壓應力。 設(shè)兩側(cè)的壓應力為p，則平衡條件為：2sin2dLPLrd LdLd/2Lsin22ddPr2Pr當很小時，化簡上式：（圓柱面）（球面） 可見當一定時，界面曲率越大即r越小時，壓力差p越大，壓力差促使原子由凹側(cè)的晶粒向凸側(cè)

30、晶粒進行擴散，因而界面向相反的方向移動，即向曲線中心移動，容易長大的晶粒吃小晶粒，界面變平直時，晶粒長大就應該停止 。l晶粒穩(wěn)定狀態(tài) 若要求整個體系總的界面能最小，每個晶粒最終應為球形，球的表面積最小，然而晶粒個個為球體，必然有間隙。晶粒生長必是多面體。 單相組織平衡時，金相磨面上的晶粒界應變成三線結(jié)點，線與線夾角接近120度，為實現(xiàn)120度的要求，晶粒的邊數(shù)不同，晶界的曲度不同，其規(guī)律是大晶粒邊數(shù)多，小晶粒邊數(shù)多少，曲率中心在小晶粒一方。即小晶粒凹面向內(nèi)，大晶粒凹面向外。由界面曲度驅(qū)動界面的規(guī)律可知，界面遷移向小晶粒一方，最后小晶粒消失。l晶粒的長大速率 通常以晶界遷移的平均速率 衡量，也可

31、用晶粒的平均直徑增長速率 來表示。 晶界遷移驅(qū)動力單純來自界面能時，則vdD/dt2dDv=m p=mrdt平均驅(qū)動力比例常數(shù)，又稱晶界的平均遷 移率pm正常長大時，晶粒長大是連續(xù)的，尺寸均勻，且 ，則 和 對一定金屬在一定程度下均為常數(shù)，則將上式改為：D2m1dDdtkD積分后：220DDtK t 常數(shù)K再結(jié)晶起始晶粒的平均直徑經(jīng)過t時間保溫后的晶粒平均直徑0DDt若 ，則 可忽略不計。220DDt0D2DtK t 12Dtct由此可說明，晶粒正常長大時，晶粒平均直徑隨保溫時間平方根增長。附：上式僅對純金屬適量，由于阻礙晶界遷移和晶粒長大諸因素影響，多符合下式DntKtn1/2l影響晶粒長大

32、的因素 凡影響晶界遷移的因素，均影響再結(jié)晶晶粒長大。一般來說，有以下一些：溫 度 晶界遷移與原子的熱激活能有關(guān)，晶界的平均遷移率 與 成正比，故溫度越高，晶粒長大的越快。/1dD11dtmQRTKKeDDm/mQRTe積分后：/2202DDmQRTtK et2202DDlg()lg2.3tmQKtRT兩邊同除以t，并取對數(shù)有：若將上式視為1/T的直線方程，則直線斜率為2.3mQR分散相粒子 分散粒子對晶界有阻礙作用，因此降低晶粒的長大速率如圖，設(shè)分散粒子為球形。當粒子進一步遷移到A處時，A點三叉結(jié)點表面張應力平衡，晶界要彎曲。為AA處的圓周長02cosr002cossinsin2bbFrr F

33、晶界沿其遷移方向?qū)︻w粒的作用力b界面能接觸周界bbr0AA晶界遷移方向晶界遷移方向FF晶 界bb 相反，顆粒對晶界的阻力為 。 當45時最大，有：max0bFr F 由此可知，顆粒分數(shù)一定時，顆粒越細，其數(shù)量越多，阻力就會越大，故晶粒長大速率隨第二相顆粒的細化而減少。 晶界速遷移的驅(qū)動力與第二相顆粒的阻力相等時，晶粒長大停止，故極限的晶粒平均直徑為：lim43rDff顆粒體積分數(shù)f越大，r越小，則 越小。limD晶粒間的位向差 位向差越小，晶界遷移速率越小。因此，大角度晶界遷移快。夾雜與微合金元素 夾雜與微合金元素阻礙晶界遷移，但在某些特殊位向差的晶界，對遷移速率影響很小。3.3.非正常長大非

34、正常長大( (又稱二次再結(jié)晶）又稱二次再結(jié)晶）l概念：概念：在一定條件下，某些金屬出現(xiàn)溫度升高到某一數(shù)值在一定條件下，某些金屬出現(xiàn)溫度升高到某一數(shù)值 時，晶粒會突然反常長大；溫度降低時，晶粒又時，晶粒會突然反常長大；溫度降低時，晶粒又 趨于減小的現(xiàn)象。趨于減小的現(xiàn)象。 由于這些晶粒的長大動力學以及顯微組織與一次再由于這些晶粒的長大動力學以及顯微組織與一次再 結(jié)晶相似，所以又稱這種晶粒的不均勻長大過程為結(jié)晶相似，所以又稱這種晶粒的不均勻長大過程為 二次再結(jié)晶（二次再結(jié)晶（second recrystallization)second recrystallization)。l原因：原因：冷變形造成

35、了變形織構(gòu)，再結(jié)晶退火至一定程度冷變形造成了變形織構(gòu)，再結(jié)晶退火至一定程度 時（時（SiSi鋼至少在鋼至少在900900以上）又形成了再結(jié)晶織以上）又形成了再結(jié)晶織 構(gòu)，形成強烈織構(gòu)后的晶粒是不易長大的。構(gòu)，形成強烈織構(gòu)后的晶粒是不易長大的。 各個晶粒取向差趨于一致。晶粒間位向差很小時，各個晶粒取向差趨于一致。晶粒間位向差很小時， 晶界是不易移動的。（界面能是隨位向差的增大晶界是不易移動的。（界面能是隨位向差的增大 而增大的，直至形成大角度晶界，界面能才趨于而增大的，直至形成大角度晶界，界面能才趨于 一恒定值。）一恒定值。） 加入少量雜質(zhì)形成第二相（MnS）強烈釘扎住界面，阻礙晶界移動，晶粒不

36、會長大。但當加熱溫度到高溫，某些局部區(qū)域的MnS夾雜溶解，該處晶粒優(yōu)先長大，吞并周圍晶粒，形成晶粒反常長大。l長大方式 與一次再結(jié)晶不同，二次再結(jié)晶不是靠重新形成晶核，而是 靠一次再結(jié)晶中某些局部區(qū)域晶粒的優(yōu)先長大。l二次再結(jié)晶的影響 二次再結(jié)晶由于導致晶粒大小不均，對于一般材料力學性能有不良影響。 但硅鋼要有意形成二次再結(jié)晶晶粒，產(chǎn)生強烈的再結(jié)晶織構(gòu)（110）001（高斯織構(gòu)）和大晶粒。適宜制造變壓器芯片軟磁材料。 實際生產(chǎn)中，是用再結(jié)晶織構(gòu)，而不是冷變形織構(gòu)。1. 概 念 高溫條件下，隨著熱變形進行的同時所發(fā)生的回復與再結(jié)晶稱為動態(tài)回復與動態(tài)再結(jié)晶動態(tài)回復與動態(tài)再結(jié)晶2. 熱軋生產(chǎn)中的動態(tài)

37、回復與動態(tài)再結(jié)晶 變形過程中，變形硬化與回復、再結(jié)晶軟化交替進行。 變形終止溫度較高，自然冷卻過程中，仍發(fā)生靜態(tài)回復與晶體再結(jié)晶。 3. 動態(tài)回復l 應力應變曲線9.5 動態(tài)回復與動態(tài)再結(jié)晶動態(tài)回復與動態(tài)再結(jié)晶真應變真應力如圖：此曲線分為3個階段：微應變階段 主要是加工硬化。：均勻應變階段 位錯密度增加，加工硬 化連續(xù)增加，開始出現(xiàn)動態(tài)回復，加工硬化系數(shù)有所減小。 ：穩(wěn)態(tài)流變階段 加工硬化作用與動態(tài)回復軟化接近平衡，位錯密度保持在10101011cm2。穩(wěn)態(tài)流變經(jīng)受變形溫度 T 和變形速率 的影響很大： T 一定時， 越大 穩(wěn)態(tài)流 變應力應變越大 一定時，T 越大 穩(wěn)態(tài)流變 應力應變越小l回復

38、機制 應變量增加，位錯交截，密度增加。同時刃位錯攀移，螺位錯交滑移，位錯脫釘，在新滑移面上異號位相互抵消。 因此層錯能高的材料，易于產(chǎn)生動態(tài)回復。一般來說，有：Al及其合金、純鐵、鐵素體鋼、體心立方晶格的金屬Zn、Mn、Sn等。l組 織 晶粒沿形變方向伸長呈纖維狀，但晶粒內(nèi)卻保持等軸亞晶無應變結(jié)構(gòu)，亞晶大小與變形溫度T和應變速率 有關(guān)： T 越高， 越小 亞晶平均尺寸越大 動態(tài)回復形成后的多邊形化，可在熱變形后急冷保留下來。4. 動態(tài)再結(jié)晶l 應力應變曲線高應變速率低應變速率真應變真應力maxccs 高應變速率 微應變加工硬化階段： c , 加工硬化仍為主，但 max , 動態(tài)再結(jié)晶加快。 穩(wěn)態(tài)流變階段： s ，加工硬化與再結(jié)晶 軟化動態(tài)平衡。低應變速率 穩(wěn)態(tài)流變曲線出現(xiàn)波動，說明加工硬化與動態(tài)再結(jié)晶軟化交替作用出現(xiàn)周期性變化有