材料科學(xué)基礎(chǔ)第五章

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)第五章第1頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 1.變形材料加熱時的變化 一 、顯微組織的變化熱（90） 儲存能（10）變形材料發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶的驅(qū)動力冷變形材料在加熱時先后經(jīng)歷回復(fù)在較低溫度下變形材料的顯微組織基 本上未發(fā)生變化，多邊化再結(jié)晶新的無畸變等軸小晶粒代替變形組織 晶粒長大細(xì)小新晶粒通過互相吞并長大而形成穩(wěn)定的尺寸塑性變形外 力所做的功第2頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四回復(fù)：冷變形金屬在低溫加熱時，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) 到冷變形以前的過程。再結(jié)晶：冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時， 在變形組

2、織內(nèi)部新的無畸變的等軸晶粒逐漸取代 變形晶粒，而使形變強化效應(yīng)完全消除的過程。第3頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四回復(fù)階段：顯微組織仍為纖維狀，無可 見變化；再結(jié)晶階段：變形晶粒通過形核長大， 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臒o畸變的等軸晶粒。晶粒長大階段：晶界移動、晶粒粗化， 達(dá)到相對穩(wěn)定的形狀和尺寸。回復(fù)再結(jié)晶晶粒長大第4頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四顯微組織變化（示意圖）Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering.第5頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星

3、期四性能變化1力學(xué)性能（示意圖） 回復(fù)階段：強度、硬度略有下降，塑性略有提高。 再結(jié)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(yán)重時下降。2物理性能 密度:在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急劇升高； 電阻：電阻在回復(fù)階段可明顯下降。第6頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四三性能變化Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering.第7頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四變形金屬加熱時組織和性能變化示意圖內(nèi)應(yīng)力塑性強度晶粒度回

4、復(fù)再結(jié)晶晶粒長大性能變化組織變化加熱溫度第8頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四儲存能變化（示意圖）1儲存能：存在于冷變形金屬內(nèi)部的一小部分（10）變形功。彈性應(yīng)變能（312）2存在形式位錯（8090）驅(qū)動力 點缺陷3儲存能的釋放：原子活動能力提高，遷移至平衡位 置，儲存能得以釋放。回 復(fù)再 結(jié) 晶第9頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四內(nèi)應(yīng)力變化回復(fù)階段：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；再結(jié)晶階段：內(nèi)應(yīng)力可完全消除。第10頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四* 2. 回復(fù) Recovery一 、

5、回復(fù)階段性能與組織的變化: 在回復(fù)階段，觀察以下幾種現(xiàn)象: 1.宏觀內(nèi)應(yīng)力大部分去除，而微觀應(yīng)力仍存在2.電阻率 Cu、 Al、 Ag 線材預(yù)先在90K下變形，發(fā) 現(xiàn)在293K下導(dǎo)電性能就可以逐漸恢復(fù)，相 對原始變形態(tài) 30第11頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四3.HV、 s變化隨材料不同而異：Zn、Cd 在室溫下就可以絕大部分去除冷變形所產(chǎn) 生的加工硬化；Cu、黃銅則加熱至350，其HV仍無明顯變化Fe在358以上就可看到部分加工硬化的去除4. 在光鏡下顯微組織基本上未發(fā)生變化。但在高溫回 復(fù)時，在熱激活能條件下，通過位錯與攀移，會 發(fā)生多邊化亞結(jié)構(gòu)。第12頁，共

6、124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四二、 回復(fù)動力學(xué) Recovery Kinetics變形材料加熱時，其力學(xué)和物理性能回復(fù)程度隨溫度T和時 間t變化1 R 0R為回復(fù)部分為回復(fù)退火后的流變應(yīng)力0為加工硬化完全消除的流變應(yīng)力m為退火前即冷態(tài)的流變應(yīng)力 m 0第13頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四動力學(xué)曲線特點（1）沒有孕育期；（2）開始變化快，隨后變慢；（3）長時間處理后，性能趨于一平衡值; (4)預(yù)變形量越大，起始回復(fù)速率越快。第14頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四馳豫過程無孕育期回復(fù)的初始階段去除硬化的程度較快，隨著

7、時間 的延長，回復(fù)的程度就減弱了，而且，隨變形量越 大，起始回復(fù)速率也越快。進(jìn)一步分析，在某一恒 定溫度下，回復(fù)時間可表達(dá)為 ：1 R b a ln t Ae Q / RT ln t B Q / RTQ為回復(fù)過程的激活能，R為氣體常數(shù) T為絕對溫度A 、B 為常數(shù)作lnt- 1/T關(guān)系曲線 直線，由直線斜率可求得Q第15頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四三 、回復(fù)機制在回復(fù)過程中，發(fā)生如下變化1.低溫回復(fù)遷移至表面或晶界 與間隙原子復(fù)合 與位錯交互作用 聚集成空位片崩塌(過飽和空位的消失)點缺陷變化表現(xiàn)第16頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四

8、回復(fù)機理1低溫回復(fù)（0.10.3Tm）移至晶界、位錯處 空位間隙原子消失 空位聚集（空位群、對）點缺陷運動缺陷密度降低第17頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2中溫回復(fù)（0.30.5Tm）異號位錯相遇而抵銷 位錯纏結(jié)重新排列位錯滑移位錯密度降低位錯滑移位錯重新組合以及異號位錯互相抵消第18頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四回復(fù)機理3高溫回復(fù)（0.5Tm） 位錯攀移（滑移） 多邊化（亞晶粒）位錯垂直排列（亞晶界） 彈性畸變能降低。第19頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四多邊化 Polygonization多邊化產(chǎn)生的條

9、件1）塑性變形使晶體點陣發(fā)生彎曲2）在滑移面上有過剩的同號刃型位錯3）熱激活下刃位錯產(chǎn)生攀移運動刃型位錯可獲得足夠 能量產(chǎn)生攀移位錯排列成墻多邊化結(jié)構(gòu)第20頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四產(chǎn)生單滑移的單晶體中多邊化過程最為典型 多晶體中，由于多系滑移位錯纏結(jié)形成胞狀組織，多邊化不明顯第21頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四回復(fù)退火的應(yīng)用1,回復(fù)機制與性能的關(guān)系 內(nèi)應(yīng)力降低:彈性應(yīng)變基本消除; 硬度、強度下降不多：位錯密度降低不明顯，亞晶較細(xì)； 電阻率明顯下降：空位減少，位錯應(yīng)變能降低。2,去應(yīng)力退火降低應(yīng)力（保持加工硬化效果），防止工件變形

10、、 開裂，提高耐蝕性。第22頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四* 3. 再結(jié)晶 Recrystallizationt，在變形組織的基體上就會產(chǎn) 生新的無畸變再結(jié)晶晶核，并逐漸長大 形成等軸晶粒，從而取代變形組織，該 過程就成為再結(jié)晶過程。再結(jié)晶無晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分 的變化，不屬于相變。第23頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四一、再結(jié)晶的形核再結(jié)晶的轉(zhuǎn)變驅(qū)動力：晶體的彈性畸變能可預(yù)料晶核必然產(chǎn)生于高畸變能區(qū)域： 大角度晶界、相界面、孿晶或滑移帶界 面上第24頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.晶界弓出形核變形量較?。?/p>

11、20）多晶體，其再結(jié)晶核心往往 以晶界弓出方式形成或稱應(yīng)變導(dǎo)致的晶界遷移，凸出 形核方式形成。變形度較小時，多晶粒間 變形不均勻性而導(dǎo)致多晶粒內(nèi) 位錯密度不同。為了降低系統(tǒng) 的自由能，再結(jié)晶時，通過晶 界遷移原來平直的晶界會向位 錯密度大的晶粒內(nèi)凸出，在其前沿掃過的區(qū)域內(nèi)通過吞食畸變亞晶的方式形成無畸 變的再結(jié)晶晶核。再結(jié)晶的形核機制第25頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四晶核的臨界尺寸可作如下估算G形核時單位體積引起總的自由能變化ES單位體積儲存的應(yīng)變能界面表面能dA dV弓出的表面積 弓出的晶界由位置時掃過的體積dVdAG ES第26頁，共124頁，2022年，5

12、月20日，22點31分，星期四若界面為一球面其半徑為r，則dA/dV2/r ，則上式 可改寫為由于弓出形核的能量條件為G20%）時，形成位錯纏 結(jié)組成的胞狀結(jié)構(gòu)加熱 多邊形化亞晶，借助 亞晶作為再結(jié)晶的核心，其形核機制為：1)亞晶的遷移機制 通過亞晶界的移動，吞并相鄰的形變基體和亞晶而生長2)亞晶合并機制 通過兩亞晶之間亞晶界的消失，使兩相鄰亞晶合并而生長位錯網(wǎng)絡(luò)解離、拆散以及位錯的攀移與滑移第29頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四豆 品 拯奮 異 彩鎖第30頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四亞晶無論以那種方式生長，包圍 著它的一部分亞晶界的

13、位向差必然會 越來越大，最后構(gòu)成了大角度晶界。 大角度晶界一旦形成，由于它較亞晶 界具有大的多的遷移率，故可以迅速 移動，而在其后留下無畸變的晶體再結(jié)晶核心。第31頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四二、 再結(jié)晶動力學(xué)Recrystallization Kinetics再結(jié)晶過程是通過無畸變新晶粒的形核和長 大而進(jìn)行的，故再結(jié)晶的動力學(xué)決定N& 和G。于N)N& N& 0 exp(RTQ N)G G0 exp(RTQG第32頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四實驗：不同T，以縱坐標(biāo)表示再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)R以橫坐標(biāo)表示再結(jié)晶的時間t恒溫動力學(xué)曲線第3

14、3頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1）不同T，不同變形度，曲線不同，但有“S” 特征2）發(fā)生再結(jié)晶，需要一段孕育期 incubation period（T ，t孕）3）開始再結(jié)晶時，轉(zhuǎn)變量速率V轉(zhuǎn) 很低， 隨著轉(zhuǎn)變量 ，V轉(zhuǎn) ， 至50時，V轉(zhuǎn)V轉(zhuǎn)max 轉(zhuǎn)變量進(jìn)一步 V轉(zhuǎn)第34頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四Johnson&Mehl ：均勻形核 晶核為球形NN& 和G不隨t 而改變推導(dǎo)出恒溫下經(jīng)過t時間后，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)為：即所謂JM 方程)3R 1 exp( N&G3t 4假定第35頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分

15、，星期四NB、K均為常數(shù)，再結(jié)晶為三維時，K3-4二維 一維K2-3 K1-2 1 exp(Bt K )R Bt K1 R1ln但實際 N& 是隨t而呈指數(shù)關(guān)系 ，并非 Const，故JM方程應(yīng)修正，通常采用Avrami方 程來描述再結(jié)晶過程比較合適，即：第36頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四取雙對數(shù) lg B K lg t1 R1lg lnlg t1 R1lg ln截距斜率此分析結(jié)果與試驗結(jié)果完全吻合，且發(fā)現(xiàn)在一 定溫度范圍內(nèi)，K不隨T而變不同T下，各直線基本平行,B則隨T不同而變作關(guān)系圖（線性關(guān)系圖）第37頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星

16、期四170139125T1 T2 T3 T4 T51 R1lg lnlg t第38頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四，N表示之而再結(jié)晶速率V和產(chǎn)生某一體積分?jǐn)?shù)R所需要的時 間t成反比，（V 1/t）V AeQ / RT（2.3lgx=lnx）1 AeQ / RTtln 1 ln A Q 1tRT1 2.3R lg A 2.3 lg t TQQ再結(jié)晶是一熱激活過程 N& 和G均符合Arrhenius方 程，因此等溫溫度T對再結(jié)晶速率V的影響可用第39頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四作 1/T- lgt即可求得Q圖（再結(jié)晶的激活能）在兩個不同的

17、恒定溫度T1、T2 產(chǎn)生同樣程度的 再結(jié)晶時可得)11RT 2T1Q(t 21et第40頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四三 、再結(jié)晶溫度Recrystallization temperature冷變形材料開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度稱為再 結(jié)晶溫度，它可以用不同的方法來測定。1）金相法：從顯微鏡中觀察到第一個新晶?；蛘呔Ы?因凸起形核而出現(xiàn)鋸齒狀邊緣的退火溫度為TR。2）硬度法：以硬度退火溫度曲線上硬度開始顯 著降低的溫度定為TR，有時也將該曲線上軟化50 的退火溫度定為TR。第41頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四應(yīng)指出， TR并不是一個物理

18、常數(shù)，它隨 變形程度，純度，及退火時間而變工業(yè)生產(chǎn)中，通常以經(jīng)過大變形量(70%) 的冷變形金屬，經(jīng)一小時退火能完全再結(jié)晶 或再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)95的最低退火溫度定為 TR。TR ，VR ，達(dá)到一定再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù) 所需時間必愈短第42頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四根據(jù)Johnson和Mehl 方程式，令R0.95，則 可求出完成95再結(jié)晶所需時間為NN由于 N&、G隨 t 而 即為溫度的函數(shù)，故可根據(jù)各t下的、 G值建立t與關(guān)系，于是，一小時內(nèi)能完成再結(jié)晶的溫度 TR即可確定。對工業(yè)純金屬經(jīng)大變形后，若完成再結(jié)晶的為 0.5-1小時則TR（0.35-0.4）Tm1/

19、4 0.95 ()N&G3 2.86N&第43頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四再結(jié)晶溫度：經(jīng)嚴(yán)重冷變形（變形量70%）的金屬或合金，在 1h內(nèi)能夠完成再結(jié)晶的（再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)95%） 最低溫度。經(jīng)驗公式高純金屬：T再(0.250.35)Tm。工業(yè)純金屬：T再(0.350.45)Tm。 合金：T再(0.40.9)Tm。注：再結(jié)晶退火溫度一般比上述溫度高100200。第44頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四四、影響再結(jié)晶的主要因素凡是影響N&和的因素均將反映再結(jié)晶動力學(xué)曲線變化1.在給定溫度下發(fā)生再結(jié)晶需要一個最 小變形量，這就是臨界變形度（C

20、ritical deformation degree）。低于此變形度，不能再結(jié)晶。2. ，TR3.再結(jié)晶后的晶粒大小主要取決于變形 度 ，再結(jié)晶的晶粒 。G第45頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 4.微量雜質(zhì)元素可明顯地升高TR或推遲 再結(jié)晶過程的進(jìn)行。 5.第二相的影響：當(dāng)?shù)诙喑叽巛^大（1m）且間距較寬時，再結(jié)晶核心能在其表面產(chǎn)生；當(dāng)?shù)诙喑叽绾苄∮?較密集時，則會阻礙再結(jié)晶的進(jìn)行。 6.原始晶粒愈細(xì)或者退火時間增加都會TR 。第46頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四五、再結(jié)晶晶粒長大經(jīng)再結(jié)晶后形成的晶粒，通常呈等軸狀，其大小 受多種因

21、素的影響，主要有：變形度：臨界變形度， 晶粒 退火溫度：t 晶粒臨界變形度 化學(xué)成分和雜質(zhì)：凡延緩再結(jié)晶及阻礙晶粒長大的合金元素、雜質(zhì)，有利于得到細(xì)晶 原始晶粒度：原始晶粒度 晶界總面積 N& 再結(jié)晶晶粒 加熱速度：V加 可獲得細(xì)小再結(jié)晶晶粒N第47頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四再結(jié)晶后晶粒的平均直徑d與、G存在以下關(guān)系：故愈小，則再結(jié)晶后晶粒愈細(xì)小。G / N&d k (G / N )1/ 4mNk為常數(shù)第48頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四60%變形純鐵不同退火溫度對再結(jié)晶后晶粒大小的影響（純鐵經(jīng)60%變形）第49頁，共124頁，2

22、022年，5月20日，22點31分，星期四60%變形后450退火60%變形后500退火第50頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四60%變形后700退火60%變形后600退火60%變形后800退火第51頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四3%變形后 經(jīng)550退 火6%變形后 經(jīng)550退 火9%變形后 經(jīng)550退 火12%變形 后經(jīng)550 退火15%變形 后經(jīng)550 退火冷加工變形度對再結(jié)晶后晶粒大小的影響（純鋁片試樣）第52頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四再結(jié)晶的應(yīng)用恢復(fù)變形能力 改善顯微組織 消除各向異性 提高組織穩(wěn)定

23、性再結(jié)晶退火再結(jié)晶溫度：T再100200。第53頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 4、再結(jié)晶后晶粒的長大Grain growth after Recrystallization冷變形材料在完成再結(jié)晶后繼續(xù)加熱時會發(fā)生 晶粒長大再結(jié)晶晶粒長大正常長大 異常長大二次再結(jié)晶Secondary recrystallizaton第54頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四一、晶粒的正常長大 Normal Grain Growth正常長大：再結(jié)晶后的晶粒均勻連續(xù)的長大。驅(qū)動力：界面能差。界面能越大，曲率半徑越小，驅(qū)動力越大。(長大方向是指向曲率中心,而再結(jié)

24、晶晶核的長大方向 相反.)第55頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四晶界趨于平直晶粒的穩(wěn)定形狀晶界夾角趨于120 二維坐標(biāo)中晶粒邊數(shù)趨于6第56頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.晶界移動的驅(qū)動力再結(jié)晶完成后，晶粒長大是一自發(fā)過 程，因為它總是力圖使界面自由能變小，所 以晶粒長大的驅(qū)動力是來自晶界移動后體系 總的自由能的降低。就個別晶粒長大的微觀 過程而言，晶粒界面的不同曲率是造成晶界 遷移的直接原因，實際上，晶粒長大時，晶 界總是向著曲率中心的方向移動。第57頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四模型：晶面曲率為什么成

25、為晶界面移動 的動力？圓柱界面平衡時：界面張力 P：界面兩側(cè)壓力差，凹側(cè)所存在的壓應(yīng)力凸側(cè)壓力 l d/2d/2 lrd2l sin( d ) Plrd2r 界面曲率半徑厚度Pld第58頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四當(dāng)d很小時，對非圓柱面可改寫為(任一段曲率界面，可通過其法線的兩個相互垂直平面上的兩 個主曲率半徑r1和r2來表示)若界面為球面時，則r1r2r 則P當(dāng)一定時，r則P 晶粒長大過程就是 “大吃小”和凹面變平的過程2)2sin(d d r P)11P(r 1r 2r2第59頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四實踐表明，當(dāng)晶界移動的

26、驅(qū)動力單純來 自晶界能時，晶界的移動速度V與晶界移動 驅(qū)動力P成正比。v m P m ( 11 )r1r2m為比例常數(shù)稱晶界的遷移率第60頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2.晶粒的穩(wěn)定形狀為了降低界面能晶粒長大向其曲率中心方向遷移晶粒不斷平直化 晶粒趨向穩(wěn)定形狀第三章 晶界一節(jié)曾指出 三晶粒交合處各晶界的表面 張力與晶界角存在下述平衡關(guān)系:sin1sin2sin31 2 3第61頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四由于再結(jié)晶后的晶界屬于大角度晶界，其界面張力與兩側(cè)晶粒位向無關(guān)，因此二維晶粒穩(wěn)定形狀的平衡條件： 晶界為平直線晶界夾角為120 的

27、六邊形，該形狀晶粒若繼 續(xù)加熱時，不再發(fā)生晶界遷移而處于穩(wěn)定狀態(tài)，因 三晶界交會點的任何移動都會增加晶界的總長度 總晶界能321120321第62頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四若二維晶粒不是六邊形，為了使晶粒的各頂角形成120 的夾角：1.邊數(shù)小于6的晶粒， 其晶界向外彎曲的2.邊數(shù)大于6的晶粒， 其晶界向內(nèi)彎曲的這樣，由于高溫下彎曲的晶界在晶界能的驅(qū)動下會移動 其曲率中心趨于平直 1.邊數(shù)6，即尺寸較大晶粒，必然存在長大傾向為了在三維情況下實現(xiàn)平衡，多晶體晶粒在平衡狀態(tài)下 最穩(wěn)定形狀是十四面體。第63頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四3

28、.晶粒長大速度正常晶粒長大時，晶界的平均移動速度為dtdDr2Vm Pm V：晶界平均遷移率 P：晶界平均驅(qū)動力r：晶界平均曲率半徑d D：晶粒平均直徑的增大速度m第64頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四對于大致均勻晶粒而言，一定溫度下均可看作常數(shù)，因此積分為常數(shù)若D0 則有 D2 t K / t或這表明恒溫下發(fā)生正常晶粒長大時，平均 晶粒直徑隨保溫時間的平方根而增大更常見的情況下D，n1/2因存在晶界移動和阻礙晶粒長大諸因素2rDdtK 1 d DDK tDD2021/K , KDt Ct 1 / 2_Dt Kt nt_第65頁，共124頁，2022年，5月20日，

29、22點31分，星期四歸納晶界遷移的規(guī)律性有如下幾點：1.為降低表面能，彎曲的晶界總是趨向于平直化，即晶界 向曲率中心移動以減小表面積；2.當(dāng)三個晶粒的晶界夾角不等于120時，晶界總是向角度 較銳的晶粒方向移動，力圖使其夾角趨向于120；3.在二維坐標(biāo)中， 晶界邊數(shù)6的晶粒（晶界向內(nèi)凹進(jìn)）必然逐步長大 晶界邊數(shù)=6 晶界平直，且夾角120，處于平衡狀態(tài)不再移動 4.晶界遷移速度將隨晶界曲率半徑增大而減小，且隨時間而改變第66頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四4. 影響晶粒長大的因素Several important factors on grain growth 1)

30、溫度 由于晶界遷移與原子的熱激活有關(guān)，其中晶界成正比積分得的平均遷移速率 m與Q m/ RTe（Qm為晶界遷移的激活能）Q m / RTKeDdtdD1/K KeQm / RT/ t KeQm / RTD 2 t D2_20 Q/ 2.3RT0 ) lg Ktt Dlg( Dm222第67頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2）可溶解的雜質(zhì)或合金元素溶解原子都能阻礙晶界移動，特 別是晶界偏聚現(xiàn)象顯著的元素，其作 用更大。一般認(rèn)為被吸附在晶界上的 溶質(zhì)原子會降低晶界的界面能，能拖 住晶界使之不易移動第68頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四3）不溶

31、解的第二相彌散的第二相質(zhì)點對 于阻礙晶界移動起著重 要的作用。當(dāng)運動的晶 界遷移到第二相質(zhì)點（設(shè)為球形）時，第二 相質(zhì)點對晶界的移動產(chǎn) 生一阻力，拖住晶界使 之不向前移動，如果此 時處于平衡狀態(tài)，則阻 力F的大小必須等于總 張力在 方向的分 力此處加圖5-60第69頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四實際上晶界遷移能力及其所決定的晶粒長大速度， 不僅與分散相粒子的尺寸有關(guān)，而且與第二相顆粒的彌 散度密切相關(guān)。假定彌散相在晶體中呈均勻分布,單位體積晶體中存 在著N個粒子,當(dāng)單位面積的晶界移動2r距離時，切過體 積為2r1,必然會切過2rN個第二相質(zhì)點單位面積晶界上各粒子對

32、晶界移動所施加的總約束力F 2r cos b sin r b sin 2F Fmax 2rN 2rN b/2max接觸周界晶界能當(dāng)45時，此約束力為極大值： Fmax r b第70頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四因單位體積晶體中分散相粒子所占體積分?jǐn)?shù)為：而晶界移動的驅(qū)動力當(dāng)時，正常晶粒長大就停止，此時晶 4 r3 N3 3 b2r 2r 2 NF /bmax_D2 bP PF / max2rD2 b 3 b_lim34r_limD第71頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四4）晶粒間的位向差晶界的界面能決定于相鄰 晶粒間的位相差。小角度晶界的界

33、面能小于 大角度晶界的，而驅(qū)使界面移動的力又與界 面能成正比。因此，前者的遷移速度要小于 后者。5）熱蝕溝金屬在高溫下長時間加熱，晶界與 金屬表面相交處會產(chǎn)生熱蝕溝（為了達(dá)到表 面張力互相平衡，通過表面擴散而產(chǎn)生）它 存在也影響晶粒長大。第72頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四二、晶粒的異常長大二次再結(jié)晶Secondary Recrystallization 晶粒的異常長大又稱不連續(xù)晶粒長大或二 次再結(jié)晶，是一種特殊的晶粒長大現(xiàn)象，通 常發(fā)生于一次再結(jié)晶后經(jīng)正常晶粒長大的基 體中。其特點為少數(shù)晶粒迅速長大，使晶粒 之間的尺寸差別顯著增大，直到這些迅速長 大的晶粒完全接

34、觸為止。第73頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1異常長大:少數(shù)再結(jié)晶晶粒的急劇長大現(xiàn)象。(二次再結(jié)晶）2基本條件:正常晶粒長大過程被(第二分散相微粒、織構(gòu)） 強烈阻礙。3驅(qū)動力：界面能變化。（不是重新形核）第74頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四釘扎晶界的第二相溶于基體.4機制再結(jié)晶織構(gòu)中位向一致晶粒的合并. 大晶粒吞并小晶粒.各向異性 優(yōu)化磁導(dǎo)率織構(gòu)明顯5 對組織和性能的影響晶粒大小不均性能不均降低強度和塑韌性 提高表面粗糙度晶粒粗大第75頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四二次再結(jié)晶過程有以下特征：1.二次再結(jié)晶

35、的驅(qū)動力是來自界面能或表面能的降低， 而不是來自應(yīng)變能，所以它比一次再結(jié)晶的驅(qū)動力要 小的多。2.二次再結(jié)晶并不需要重新形核，它是以一次再結(jié)晶后 的某些特殊晶粒作為基礎(chǔ)而長大的，因此，嚴(yán)格說它 是特殊條件下的晶粒長大過程，而非再結(jié)晶。3. 只有正常晶粒長大受阻的情況才產(chǎn)生二次再結(jié)晶，阻 礙正常晶粒長大的主要因素有a)含有適量夾雜物 b)具有強烈的一次再結(jié)晶織構(gòu)。第76頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四4. 二次再結(jié)晶的動力學(xué)類似于一次再結(jié)晶的動力學(xué)， 也有一孕育期5. 二次再結(jié)晶完成時也產(chǎn)生明顯的織構(gòu)，但它與一次 的不同6. 必須超過一最低溫度進(jìn)行退火時才會發(fā)生二次再

36、結(jié) 晶。通常最大的晶粒是在加熱溫度剛剛超過這一 溫度時得到的，當(dāng)加熱溫度更高時，得到的二次 再結(jié)晶晶粒的尺寸反而較小。第77頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四二次再結(jié)晶機制二次再結(jié)晶形成的大晶粒在長大到某一臨界尺寸后 便迅速長大，這一點不難解釋，因為在初次再結(jié)晶的各 晶粒中，達(dá)到臨界晶體尺寸的晶粒必超過它周圍的晶 粒，由于大晶粒的晶界總是凹向外測的，因而晶界總是 向外遷移而擴大，結(jié)果它就愈長愈大。形成二次再結(jié)晶。至于大晶粒是怎樣長到臨界尺寸的，一般認(rèn)為，初 次再結(jié)晶后，大多數(shù)晶粒具有明顯的織構(gòu)，但也有一些 晶粒具有與這個織構(gòu)不同位向，其中更有少數(shù)具有特殊 的位向，使其

37、晶界的遷移率較高，因而能夠長大到臨界 直徑，另一方面，要發(fā)生二次再結(jié)晶，還必須有某種阻 礙晶粒正常長大的因素存在，如第二相質(zhì)點，一次再結(jié) 晶織構(gòu)，熱蝕溝等，只有正常晶粒長大進(jìn)行得很慢時，二次再結(jié)晶才能發(fā)生。第78頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四10.0AUJnudu4 JVAUEhUVAUEEt、和UK割 唔很厚/./2;0.018001000最終退火溫度圖 8 46硅鋼片退 火 lb 后晶校尺寸的變化圖 8-47硅鐵二次再結(jié)晶的反常晶粒第79頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四5. 再結(jié)晶退火后得組織1再結(jié)晶圖。退火溫度、變形量與晶粒大小的

38、關(guān)系圖。2再結(jié)晶織構(gòu):再結(jié)晶退火后形成的織構(gòu)。退火可將形變織 構(gòu)消除，也可形成新織構(gòu)。擇優(yōu)形核（沿襲形變織構(gòu)） 擇優(yōu)生長（特殊位向的再結(jié)晶晶核快速長大）3退火孿晶:再結(jié)晶退火后出現(xiàn)的孿晶。是由于再結(jié)晶過程 中因晶界遷移出現(xiàn)層錯形成的。第80頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四一、再結(jié)晶退火后的晶粒大小GrainSize取決于預(yù)先變形程度：退火后晶粒 晶粒退火溫度：t若將變形量，退火溫度和 再結(jié)晶的晶粒大小三者綜 合于三維圖上，即得靜態(tài) 再結(jié)晶圖在臨界變形量 下和二次再結(jié)晶階段出現(xiàn) 兩個粗大晶粒工業(yè)純鋁再結(jié)晶It may be used for the preparati

39、on for perfect strain-free single crystals。第81頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四囂J廈鴨第82頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四二、再結(jié)晶織構(gòu)RecrystallizationTextures冷變形金屬在再結(jié)晶過程中形成的織構(gòu)稱再 結(jié)晶織構(gòu)。它與退火織構(gòu)不同，因不發(fā)生再結(jié)晶 的回復(fù)退火也能形成基本上與變形織構(gòu)相同的退 火織構(gòu)。再結(jié)晶織構(gòu)與原變形織構(gòu)之間的關(guān)系存在 以下情況：a)晶粒取向保持與原有織構(gòu)一致b)原有織構(gòu)消失而代之以新的織構(gòu) c)原有織構(gòu)消失不再形成新的織構(gòu)。第83頁，共124頁，202

40、2年，5月20日，22點31分，星期四再結(jié)晶織構(gòu)的形成機制1）定向形核理論 Oriented Nucleation Theory當(dāng)變形量較大并產(chǎn)生變形織構(gòu)時，因各亞晶的 位向相近，而使再結(jié)晶形核具有擇優(yōu)取向 長大再 結(jié)晶織構(gòu)（與原變形織構(gòu)位向一致）第84頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2)定向生長理論 Oriented Growth Theory認(rèn)為再結(jié)晶的晶粒取向大都是無規(guī)則的，只 有某些具有特殊位向的晶核才可能迅速向變形基 體中長大再結(jié)晶織構(gòu)。因晶界的移動速度 取決晶界兩側(cè)晶粒間的位相差，當(dāng)基體存在變形 織構(gòu)時，其中大多數(shù)晶粒取向是相近的，晶粒不 易長大，而某些

41、與變形織構(gòu)呈特殊位向關(guān)系的再 結(jié)晶晶核，其晶界則具有很高的遷移速度。故發(fā) 生擇優(yōu)生長，并通過逐漸吞食其周圍變形基體達(dá) 到互相接觸，形成與原變形織構(gòu)取向不同的再結(jié) 晶織構(gòu)。第85頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四三、退火孿晶AnnealingTwinsf.c.c.結(jié)構(gòu)的Cu及Cu合金，不銹鋼在再結(jié)晶退 火組織中，常在其晶粒內(nèi)部出現(xiàn)片狀孿晶退 火孿晶形成退火孿晶時，在(111)密排面上發(fā)生層錯退火孿晶的形成機制：晶粒生長過程中形成當(dāng)孿晶界面能大角度晶界能時，退火孿晶 主要與其層錯能較低有關(guān)第86頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四第87頁，共124

42、頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 6. 材料的熱加工hot working processes of materials通常把在再結(jié)晶溫度以上的加工成為 “熱加工”在再結(jié)晶溫度以下又不加熱的加工稱為“冷加 工”Cold workingProcess為減小變形抗力和加工動力能耗，其加熱溫度大 多控制在固相線以下100-200范圍內(nèi)。再結(jié)晶溫度是區(qū)分冷、熱加工的分界線此外還有“溫加工”其加工溫度低于再結(jié)晶溫 度，但高于室溫第88頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 前面已談及，冷加工所引起的加工硬化 可通過退火使之發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶等軟 化過程來加以消除。 熱

43、加工時由于溫度很高，在變形的同時 就會發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，因此，硬化過 程與軟化過程是同時進(jìn)行的。第89頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 熱加工的回復(fù)和再結(jié)晶過程比較復(fù)雜， 按其特征不同，可分為動態(tài)回復(fù) 動態(tài)再結(jié)晶Dynamic在變形時，即在溫度和負(fù)荷 聯(lián)合作用下發(fā)生在變形停止后，即在無負(fù) 荷作用下發(fā)生亞動態(tài)再結(jié)晶 靜態(tài)回復(fù) 靜態(tài)再結(jié)晶Static第90頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 其中靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶 的變化規(guī)律與上 述討論一致，不過它們是利用熱加工余熱來 進(jìn)行，而不需要重新加熱。 熱加工后材料組織和性能取決于軟化作用與 強化作用

44、互相抵消的程度。第91頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四一、動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶Dynamic recovery and dynamic recrystallization1.動態(tài)回復(fù) Dynamic Recovery1）動態(tài)回復(fù)時的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征 應(yīng)力應(yīng)變曲線分為三個階段：微變形階段：應(yīng)力增大很 快，總變形量1均勻應(yīng)變階段：斜率逐漸 下降，材料開始均勻塑性變形， 并發(fā)生加工硬化，同時出現(xiàn)動態(tài) 回復(fù)。穩(wěn)態(tài)流變階段：加工硬化 與動態(tài)回復(fù)作用近于平衡，出現(xiàn) 應(yīng)力不隨應(yīng)變而增高的穩(wěn)定狀 態(tài)，穩(wěn)態(tài)流變的應(yīng)力受t和 影響很大&第92頁，共124頁，2022年，5月20日，22

45、點31分，星期四2)動態(tài)回復(fù)機制：隨著應(yīng)變量，位錯通過增殖,其密度，開始形成位錯纏結(jié)與胞狀結(jié)構(gòu)，但由于所處溫度較高，通過以下途徑：刃型位錯的攀移 螺形位錯的交滑移 位錯纏結(jié)的脫釘新滑移面上異號位錯相遷而發(fā)生抵消當(dāng)位錯的增殖速率和消失速率達(dá)到平衡時，因而不發(fā)生 硬化，曲線轉(zhuǎn)為水平的穩(wěn)定流變階段&t=const& constt&第93頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四3）動態(tài)回復(fù)時的組織結(jié)構(gòu) 晶粒沿變形方向伸長呈纖維狀，但晶體內(nèi)卻保持等軸亞晶無應(yīng)變的結(jié)構(gòu)，動態(tài)回復(fù) 所形成的亞晶，其完整程度，尺寸大小及相 鄰亞晶間的位相差，主要取決于變形溫度和 應(yīng)變速率：d:平均直徑a、b

46、常數(shù)z用溫度修正過的應(yīng)變率 a b lg zd 1z exp(Q / RT )第94頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2. 動態(tài)再結(jié)晶 DynamicRecrystallization1）動態(tài)再結(jié)晶時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 特征也分三個階段微應(yīng)變加工硬化階段，應(yīng)力 隨應(yīng)變增加而迅速C穩(wěn)態(tài)流變階段，加工硬化與 動態(tài)再結(jié)晶軟化達(dá)到動平衡S（發(fā)生均勻變形的應(yīng)變量）第95頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四當(dāng) const隨t曲線向下、左移動max所對應(yīng)的在低 時，穩(wěn)態(tài)流變曲線出現(xiàn)波動，主要與變形引起的加工硬化和動態(tài)再結(jié)晶所產(chǎn)生的軟化交 替作用以及周期性變化有

47、關(guān)。當(dāng)tconst隨 曲線向上、向右移動max所對應(yīng)的第96頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2）動態(tài)再結(jié)晶的機制 動態(tài)再結(jié)晶也是通過形核與長大完成的。 形核方式及與及由此引起位錯組態(tài)變化有關(guān)：當(dāng) 較低時，通過原晶界弓出機制形核當(dāng) 較高時，通過亞晶合并的長大方式進(jìn)行第97頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四3）動態(tài)再結(jié)晶的組織結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)變形期間，晶粒是等軸的，晶界呈鋸齒 狀晶粒內(nèi)還會包含著被位錯纏結(jié)所分割的亞晶粒。這與退火時靜態(tài)再結(jié)晶所產(chǎn)生的位錯密度很低 的晶粒顯然不同，故同樣晶粒大小的動態(tài)再結(jié)晶組 織的強度和硬度要比靜態(tài)再結(jié)晶的高。動態(tài)再結(jié)晶

48、后的晶粒大小與流變應(yīng)力成反比，另外，應(yīng)變速率越低，變形溫度越高，則動態(tài)再結(jié)晶 后的晶粒越大且越完整。第98頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四此外，溶質(zhì)原子常阻礙動態(tài)回復(fù)，而有利于動 態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，在熱加工時形成彌散分布的沉淀 物，能穩(wěn)定亞晶粒，阻礙晶界移動，減緩動態(tài)再結(jié) 晶的進(jìn)行，有利于獲得細(xì)小的晶粒。因此控制 、t 、每道次變形的 應(yīng)變量、間隔時間 以及冷卻速度等就可以調(diào)整熱加工材料的晶 粒和強度。第99頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四二、熱加工對材料組織、性能的影響1.熱加工對室溫力學(xué)性能的影響。 熱加工不會使金屬材料發(fā)生加工硬化，但

49、能消除鑄造缺陷，將氣孔、疏松焊合 改善夾雜物，脆性相的形態(tài)，大小和分布 部分消除某些偏析致密性 機械性能將粗大柱狀晶、樹枝狀晶變?yōu)榧?xì)小、均勻的等軸晶粒金屬熱加工時通過對動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶的控制獲得 亞晶細(xì)化，可作為提高金屬強度的有效途徑P對大多數(shù)金屬為1-2 P S 0 Kd第100頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2.組織特征 （1）流線：熱加工時鋼中的偏析、夾雜、第二相、晶 界沿變形方向延伸，所形成的熱加工顯微組 織,經(jīng)腐蝕后用肉眼就能看到叫做流線流線使金屬材料產(chǎn)生各向異性,沿流線方 向具有較高的力學(xué)性能.第101頁，共124頁，2022年，5月20日，22點3

50、1分，星期四圖 5. 7.2鍛鋼件中的流線第102頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四(2)帶狀組織當(dāng)材料為兩相組織,壓延時,兩相都沿形變方向 伸長,于是在縱剖面上成為兩相相間的條狀組織,如Cr12、M7C3呈條帶狀分布.另一種是鑄錠中存在偏析,壓延時偏析區(qū)沿變 形方向伸長成條帶狀分布,冷卻時,由于偏析區(qū) 的成分不同而轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織.帶狀組織同樣使材料機械性能產(chǎn)生方向性第103頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四l圖 5. 73熱軋低碳鋼的帶狀組織（100)第104頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四第105頁，共124

51、頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四第106頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四第107頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四第108頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四25圄 （ 四 麗j T .J匯.I.iJ.J.Z,;lt1-I-t:L.lt （絹”：I盹;t魯 高度 t毫米因 420第109頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四三 、蠕變 蠕變在某溫度下恒定應(yīng)力（小于屈服 應(yīng)力）下所發(fā)生的緩慢而連續(xù)的塑性流 變現(xiàn)象。 應(yīng)變速率很小 溫度高。如金屬T0.3Tm第110頁，共124頁，2

52、022年，5月20日，22點31分，星期四.IIiE =&o 豆豆 td tii冒aa，且T以 1出斷裂時間初始應(yīng)變時間圖 5. 74典型蠕變曲線第111頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 瞬態(tài)或減速蠕變階段 穩(wěn)態(tài)蠕變階段 加速蠕變階段第112頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 120 Kds晶粒平均直徑Hall-Petch公式：屈服強度相當(dāng)于單晶體的屈服強度常數(shù)，相鄰晶粒位向差對位錯運動的影響關(guān)系 與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)系普遍的關(guān)系式，金屬材料如此，亞晶的 尺寸與s的關(guān)系，塑性材料流變應(yīng)力和晶 粒尺寸，脆性材料的脆斷應(yīng)力與晶粒大小 關(guān)系以及金屬的疲勞強度與晶粒大小間的 關(guān)系也可用霍爾-佩奇公式來表達(dá) 晶界 對高溫強度的影響低溫時：晶界強度晶內(nèi)強度加上晶界兩側(cè)晶粒位向差影響 晶界對滑移有阻滯作用等強溫度Tk：s晶界s晶內(nèi)第113頁，共124頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四高溫時則不同，有兩種不同的變形機制：（1）晶粒沿晶界滑動（晶界滑動機制）當(dāng)T Tm/2時，以晶粒沿晶界的相對滑移方式進(jìn)行T擴散能力，且原子沿晶界擴散速率 沿晶內(nèi)的。 故高溫時晶界似流體一樣，呈現(xiàn)粘滯性變形抗力沿晶界滑移（2）擴散性蠕變