回復和再結(jié)晶

1、回復和再結(jié)晶第1頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二2、為什么將加工硬化的金屬加熱到適當?shù)臏囟饶苁蛊浠謴偷嚼渌苄宰冃吻暗臓顟B(tài)呢？ 金屬與合金在塑性變形時所消耗的功，絕大部分轉(zhuǎn)變成熱而散發(fā)掉，只有一小部分（約2%10%）能量以彈性應(yīng)變和增加金屬中晶體缺陷（空位和位錯等）的形式儲存在加工硬化的金屬中，從而使其自由能較冷塑性變形前的狀態(tài)為高。 晶體缺陷所儲存的能量又叫畸變能，空位和位錯是其中最重要的兩種。因此冷變形的金屬在熱力學上是處于一種不穩(wěn)定的亞穩(wěn)狀態(tài)，如果升高溫度使金屬中的原子獲得足夠的活動性，以克服亞穩(wěn)狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)之間的勢壘，則經(jīng)冷塑性變形的金屬將自發(fā)地通過點陣缺陷的

2、重新排列和減少而恢復到冷變形前的狀態(tài)。 第2頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二3、經(jīng)冷塑性變形的金屬加熱時，經(jīng)過那些階段？各階段的特點？ 依次經(jīng)過回復、再結(jié)晶和晶粒長大三個階段（此三階段有部分交迭）。如圖1所示： 圖1 回復、再結(jié)晶、晶粒長大過程示意圖第3頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 回復：指經(jīng)冷塑性變形的金屬在加熱時，在光學顯微鏡組織發(fā)生改變前（即在再結(jié)晶晶粒形成前）所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程。 再結(jié)晶：指經(jīng)冷塑性變形的金屬在加熱時，通過再結(jié)晶核心的形成及隨后的生長、最終形成無畸變的新的晶粒的過程。 晶粒長大：隨著加熱溫度的升高或

3、者保溫時間的延長，晶粒之間相互吞并而長大。包括正常的晶粒長大和異常的晶粒長大，后者稱為二次再結(jié)晶。在特殊的情況下，二次再結(jié)晶形成的新的晶粒組織在加熱時還會發(fā)生三次再結(jié)晶。第4頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 4、在回復和再結(jié)晶的過程中，金屬會釋放出冷塑性變形所儲存的能量，同時性能也會發(fā)生相應(yīng)的變化。 圖8-1 在室溫經(jīng)75%壓縮變形的純鋁(純度99.998%)以6C/sec的加熱速度加熱時,熱量差P、比電阻的變化及維氏硬度HV與加熱溫度之間的關(guān)系 第5頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 下面分別詳細介紹回復、再結(jié)晶、晶粒長大、再結(jié)晶織構(gòu)以及金屬

4、材料的熱加工。第二節(jié) 回復 在這一節(jié)，涉及的主要問題是： 一、回復的作用 二、回復的動力學 三、回復的機制 四、回復退火的應(yīng)用 第6頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二一、回復的作用 260進行“去應(yīng)力退火”，內(nèi)應(yīng)力能夠大部分消除，而強度、硬度基本不變。這樣處理所發(fā)生的過程就是回復。 第7頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 從圖8-3中可以看出，溫度越高，經(jīng)過回復后殘余的加工硬化越少，回復越快。 而且當溫度一定時，在前十幾分鐘的時間里殘余的加工硬化減少得最快，說明：回復速度快，然后隨回復量的增加而逐漸減慢。 第8頁，共96頁，2022年，5月20日

5、，20點22分，星期二二、回復的動力學回復過程可用一級方程式表示： （8-1） 式中t為恒溫下的加熱時間,x為冷變形導致的性能增量經(jīng)加熱后的殘留分數(shù),c為與材料和溫度有關(guān)的比例常數(shù),c值與溫度的關(guān)系具有典型的熱激活過程的特點: （8-2） 式中Q為激活能,R為氣體常數(shù)(2cal/gmolK),c0為比例常數(shù),T為絕對溫度. 將(8-2)式帶入方程(8-1)中并積分,以x0表示開始時性能增量的殘留分數(shù),則得第9頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二（8-3） 這說明與其他熱激活過程一樣,回復的速度隨溫度升高而增大。這一點在圖8-3中也顯示得很清楚。 如果采用兩個不同的溫度將同

6、一冷變形金屬的性能回復到同樣的程度，則 (8-4)可見，溫度越高，性能回復到相同程度所需時間越短第10頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二三、回復的機制(一)低溫回復 經(jīng)冷加工變形的金屬通常在較低的溫度范圍就開始回復，表現(xiàn)在因變形而增高的電阻率發(fā)生不同程度的下降，但這時其機械性能不出現(xiàn)變化。由于金屬的電阻率對點缺陷很敏感，而機械性能對點缺陷不敏感，所以這種低溫下發(fā)生的回復與金屬中點缺陷的變化有關(guān)。 一般認為低溫回復主要是由于塑性變形所產(chǎn)生的過量空位消失的結(jié)果，其消失至少存在四種可能的機制：（1）空位遷移到金屬的自由表面或晶界而消失；（2）空位與塑性變形所產(chǎn)生的間隙原子重新

7、結(jié)合而消失；（3）空位與位錯發(fā)生交互作用而消失；（4）空位聚集成空位片，然后崩塌成位錯環(huán)而消失。第11頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二（二）中溫回復 這種回復發(fā)生于較之低溫回復稍高一些的溫度范圍，其主要的機制是位錯滑移導致位錯重新組合，以及異號位錯會聚而互相抵消。 （三）高溫回復 高溫回復的主要機制為多邊化。冷變形后由于同號刃型位錯在滑移面上塞積而導致點陣彎曲的晶體圖8-4a，在退火過程中通過刃型位錯的攀移和滑移（圖8-5），使同號刃型位錯沿垂直于滑移面方向排列成小角度亞晶界的過程稱為多邊化。多邊化后刃型位錯的排列情況如圖8-4b。第12頁，共96頁，2022年，5月

8、20日，20點22分，星期二圖8-5 刃型位錯的攀移和滑移示意圖 第13頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 冷變形金屬發(fā)生多邊化過程的驅(qū)動力來自應(yīng)變能的下降。 當同號的正刃型位錯塞積于同一滑移面上時，它們的應(yīng)變能是相加的，因為在每一個正刃型位錯的應(yīng)變場內(nèi)，滑移面上部的區(qū)域都受到壓縮，下部都受到伸張；而當多邊化后同號的正刃型位錯沿滑移面的法線方向重疊排列時，上下相鄰的兩個正刃型位錯的區(qū)域內(nèi)，上面一個位錯所產(chǎn)生的張應(yīng)變場正好與下面一個位錯所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)變場相迭加，從而互相部分的抵消。 位錯的攀移是通過空位擴散到位錯線處來實現(xiàn)的，而空位的擴散又是一種熱激活過程，因此多邊化的速

9、度隨溫度升高而迅速增加。 第14頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 為什么多晶體金屬多邊化后，亞晶粒比單晶細小的多,且亞晶界由二維位錯網(wǎng)絡(luò)組成? 多晶金屬塑性變形時滑移通常是在許多相互交截的滑移面上發(fā)生，同時變形更不均勻，導致塑性變形后產(chǎn)生由纏結(jié)位錯構(gòu)成的胞狀組織。具體過程如下： 冷變形形成纏結(jié)位錯，位于晶胞邊界變形胞內(nèi)位錯移向胞壁，同時胞壁處的纏結(jié)位錯趨向規(guī)則排列形變胞邊界處的纏結(jié)位錯形成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成亞晶界位錯網(wǎng)絡(luò)發(fā)生分解，并入更穩(wěn)定的位錯網(wǎng)絡(luò)中，亞晶界聚合長大。 第15頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 根據(jù)冷變形金屬的回復機制，可對回復導致的性

10、能變化作如下解釋： 電阻率的強烈下降主要是由于空位的減少和位錯應(yīng)變能的降低。 內(nèi)應(yīng)力的降低主要是由于晶體內(nèi)彈性應(yīng)變的基本消除。 硬度及強度下降不多則是由于位錯密度通常下降不大的緣故。第16頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二四、回復退火的應(yīng)用 回復退火主要是用作去應(yīng)力退火，使冷加工的金屬件在基本上保持加工硬化狀態(tài)的條件下，降低其內(nèi)應(yīng)力，以避免變形或開裂，并改善工件的耐蝕性。如:經(jīng)冷沖壓的黃銅工件、冷拉鋼絲卷制彈簧。第17頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二第三節(jié) 再結(jié)晶 在這一節(jié)涉及的主要問題是： 一、再結(jié)晶現(xiàn)象 二、再結(jié)晶動力學 三、再結(jié)晶過程中的

11、形核 四、再結(jié)晶溫度 五、影響再結(jié)晶的主要因素 六、再結(jié)晶后晶粒大小第18頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二一、再結(jié)晶現(xiàn)象 經(jīng)冷塑性變形的金屬加熱時其組織與性能最顯著的變化是在再結(jié)晶階段發(fā)生的。再結(jié)晶是一種形核和長大過程，或者更確切的說，是通過新的可移動的大角度晶界的形成及隨后的移動，從而形成無應(yīng)變的新晶粒組織的過程。 經(jīng)過再結(jié)晶，塑性變形所導致的各種性能改變都消失掉，金屬材料的性能恢復到冷變形前的原來水平（圖8-11），因此在工業(yè)生產(chǎn)中就可利用再結(jié)晶來消除冷加工變形的影響，這種熱處理工藝稱為再結(jié)晶退火。 第19頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二

12、第20頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二二、再結(jié)晶動力學 圖8-12為經(jīng)98%冷軋的純銅在不同溫度下的等溫再結(jié)晶曲線。 由圖可知，等溫下的再結(jié)晶速度開始時很小，隨再結(jié)晶百分數(shù)的增加而增大，并在50%處達到最大，然后又逐漸減小，即具有典型的形核-長大過程的動力學特征。 第21頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 金屬的等溫再結(jié)晶動力學曲線通常認為可以用下列方程來描述： (8-5) (8-6) 式中 為在t時間已經(jīng)再結(jié)晶的體積分數(shù)，B和K為常數(shù)，可通過實驗決定。 或第22頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 如果令（8-6）式中的

13、 的對數(shù)為y，令t的對數(shù)為x，則（8-6）式具有 直線方程的形式，表明等溫再結(jié)晶時， 的對數(shù)與時間t的對數(shù)之間存在著線性關(guān)系。 圖8-13為經(jīng)98%冷軋的純銅在不同溫度等溫再結(jié)晶時的 圖，圖中大多數(shù)的關(guān)系曲線均具有線性特征，說明用上述方程來描述等溫時的再結(jié)晶體積分數(shù)與實際情況基本上是符合的。第23頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 圖8-13還清楚地顯示出溫度對等溫再結(jié)晶的影響。溫度越高，再結(jié)晶進行得越快，產(chǎn)生一定體積分數(shù)再結(jié)晶所需時間也越短。 第24頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 將圖8-12中的實驗數(shù)據(jù)記載在 （T為再結(jié)晶的絕對溫度）和

14、（t為產(chǎn)生一定體積分數(shù)再結(jié)晶所需的時間）的坐標圖中，這些數(shù)據(jù)是相當準確地落在一條直線上（圖8-14）。 第25頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 圖8-14中所觀察到的 與 間的線性關(guān)系的原因：金屬的再結(jié)晶也是一種熱激活過程，再結(jié)晶的速度 與溫度T間存在著熱激活速率方程所示關(guān)系： （8-7） 式中 為再結(jié)晶的激活能，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，A為比例常數(shù)。由于再結(jié)晶的速度與產(chǎn)生一定量再結(jié)晶氣積分數(shù)所需時間t成反比例，因此（8-7）式又可寫成： (8-8) 式中A為比例常數(shù)。在（8-8）式兩邊取對數(shù)可得： 第26頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二

15、 或應(yīng)用常用對數(shù)（ ）可得 （8-9） （8-9）式為一直線方程，故 與 間存在線性關(guān)系。 根據(jù)（8-9）式，圖8-14中直線斜率m應(yīng)等于 。 即再結(jié)晶的激活能 ，這樣就可求出經(jīng)98%冷軋的純銅其再結(jié)晶的激活能93.7KJ/gmol。 第27頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二（8-10） 式中t1、t2分別為在T1、T2兩不同溫度產(chǎn)生同樣程度的等溫再結(jié)晶所需時間。 根據(jù)（8-10）式，如果知道金屬的再結(jié)晶激活能及此金屬在某恒定溫度完成再結(jié)晶所需的等溫退火時間，就可計算出此金屬在另一溫度等溫退火時完成再結(jié)晶所需的時間。 和等溫回復的情況相似，在兩個不同的恒定溫度產(chǎn)生同樣程

16、度的再結(jié)晶時，可得第28頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二三、再結(jié)晶過程中的形核 1、為什么回復階段發(fā)生的多邊化是再結(jié)晶形核的必要準備階段？ 多邊化過程導致形成一定的亞晶界，成為再結(jié)晶形核的中心。 2、多邊化產(chǎn)生的由小角度晶界所包圍的某些無應(yīng)變的較大亞晶的生長方式由哪兩種？其適用范圍是什么？ （1）亞晶界移動，吞并相鄰的形變基體和亞晶生長。 （2）通過兩亞晶之間亞晶界的消失，使兩相鄰亞晶合并而生長。 適用范圍：經(jīng)較大冷塑性變形（如變形度大于20的冷塑性變形）的單晶和多晶體的再結(jié)晶過程。第29頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 3、較小冷塑性變形的

17、多晶體的再結(jié)晶核心以凸出形核形成，示意圖見8-17，對其分析如下： 圖中I和為經(jīng)較小冷塑性變形的多晶體金屬中的兩個相鄰晶粒，其中晶粒I中的位錯密度較晶粒中者為高。發(fā)生再結(jié)晶時，I、兩晶粒間原來平直的晶界，會通過晶界遷移向晶粒I內(nèi)凸出，在其前沿掃過的區(qū)域內(nèi)留下無應(yīng)變的晶體，構(gòu)成再結(jié)晶核心。 第30頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二第31頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 由于變形金屬在再結(jié)晶前會發(fā)生多邊化而生成亞晶，因此再結(jié)晶時的凸出形核還可以通過圖8-18所示的情形來形成。 圖中晶界兩邊的晶粒經(jīng)冷塑性變形后產(chǎn)生的應(yīng)變程度不同，故位錯密度不同，B晶

18、粒內(nèi)的位錯密度大于A晶粒中的位錯密度，因此多邊化后B晶粒中形成的亞晶較A晶粒中形成的亞晶為細小，這樣，再晶界處A晶粒的某些亞晶會通過晶界遷移而凸入B晶粒中，借消耗B中的亞晶而生長，此過程能使體系的自由能下降，從而形成了再結(jié)晶核心。 第32頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 4、圖8-20的示意圖表示了三種再結(jié)晶形核方式： 5、總結(jié)：再結(jié)晶核心無論以哪種方式形成，都可借其周圍的大角度晶界移動而生長，當各個再結(jié)晶核心長大到互相接觸時，就形成了完全由大角度晶界所分界的新晶粒組織 第33頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二四、再結(jié)晶溫度 冷變形金屬開始進行

19、再結(jié)晶得最低溫度。測定方法：（1）金相法：以顯微鏡中觀察到第一個新晶?；蛘呔Ы缫蛲钩鲂魏硕霈F(xiàn)鋸齒狀邊緣的退火溫度定為再結(jié)晶溫度。（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再結(jié)晶溫度。有時也將硬度退火溫度曲線上軟化50的退火溫度定為再結(jié)晶溫度。 工業(yè)生產(chǎn)中則通常以經(jīng)過大變形（70以上）的冷變形金屬，經(jīng)一小時退火能完全再結(jié)晶的最低退火溫度定為再結(jié)晶溫度。 第34頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二五、影響再結(jié)晶的主要因素： （1）溫度：溫度越高，再結(jié)晶速度越快，產(chǎn)生一定體積分數(shù)的再結(jié)晶所需要的時間也越短。 （2）變形程度：金屬的冷變形程度越大，其儲存的能量

20、越高，再結(jié)晶的驅(qū)動力也越大，因此不但再結(jié)晶溫度越低，同時等溫退火時的再結(jié)晶速度也越快。但當變形量增大到一定程度后，再結(jié)晶溫度就基本上不變了。第35頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二工業(yè)純金屬經(jīng)強烈冷變形后的最低再結(jié)晶溫度 第36頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 圖8-22表示出了兩種不同冷變形程度對純鋯在不同溫度完成等溫再結(jié)晶所需時間的影響。（再結(jié)晶時間、再結(jié)晶溫度不同） 第37頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 （3）原始晶粒尺寸：晶粒越細小，變形抗力越大，冷變形后儲存的能量較高，再結(jié)晶溫度則較低。同時，同樣的程度的冷

21、變形導致強烈彎曲變形區(qū)域多，提供了形核場所多，使再結(jié)晶速度增大，新晶粒越細小。 （4）微量溶質(zhì)原子：微量溶質(zhì)原子的存在，會阻礙金屬再結(jié)晶，從而提高金屬的再結(jié)晶溫度。 解釋：微量溶質(zhì)原子與位錯和晶界相互作用，使其易偏聚在位錯及晶界處，對位錯的滑移與攀移和晶界的遷移起到阻礙作用，從而阻礙再結(jié)晶的形核和長大，阻礙金屬再結(jié)晶。 第38頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 （5）分散相粒子：可能產(chǎn)生兩種作用，取決于基體上分散相粒子的大小及其分布。 粒子間距 ，粒子直徑 ，促進再結(jié)晶； 粒子間距 ，粒子直徑 ，阻礙再結(jié)晶。第39頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期

22、二原因解釋如下： 間距和直徑均較大的位錯在分散相粒子附近塞積增大了加工硬化速度，造成局部晶格彎曲增加了冷變形儲存能量增大了再結(jié)晶驅(qū)動力； 間距和直徑均較小的，雖然使加工硬化速度增大從而使位錯密度增大，但是彌散第二相阻礙了構(gòu)成亞晶界及大角度晶界的形成過程及遷移，阻礙了再結(jié)晶的進行。 第40頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 六、再結(jié)晶后晶粒大小 1、再結(jié)晶后晶粒大小的影響因素： 變形度 退火溫度 雜質(zhì)和合金成分 原始晶粒度第41頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二變形度： 圖8-23表示了金屬的冷變形量對再結(jié)晶后晶粒大小的關(guān)系。 臨界變形度通常在28

23、范圍內(nèi)。 第42頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二退火溫度 由圖8-25可見，提高退火溫度，不僅使再結(jié)晶后的晶粒長大，而且還影響臨界變形度的具體變形值，退火溫度愈高，臨界變形度愈小，再結(jié)晶后的晶粒也愈大。第43頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二第四節(jié) 晶粒長大 這一節(jié)涉及的主要問題是： 一、晶界移動的驅(qū)動力 二、晶粒的穩(wěn)定形狀 三、正常晶粒長大 四、影響晶粒長大的因素 五、異常晶粒長大 六、表面能所提供的晶界移動驅(qū)動力 七、再結(jié)晶圖 八、退火孿晶第44頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二一、晶界移動的驅(qū)動力 1、就晶粒長大來

24、說，晶界移動的驅(qū)動力通常來自總的晶界能的下降（晶粒長大，則金屬總晶界的面積減?。?，在特殊情況下還可以來自晶粒的總的自由表面能的下降。 2、當驅(qū)動力來自晶界能時，晶界的移動服從以下兩基本規(guī)律： （1）彎曲的晶界向其曲率中心方向移動； （2）三個或三個以上晶界交會處的晶界角的變化是趨向于使作用在各晶界的表面張力在交會點達到互相平衡的狀態(tài)。 第45頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二3、晶界遷移率的推導： 第46頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二面積為A的晶界如果移動dx距離時，沿x方向有 (8-16) 的力作用于晶界上，構(gòu)成晶界移動的驅(qū)動力。 體系總的

25、吉布斯自由能變化（增加為正，降低為負）晶界掃過一克分子體積時吉布斯自由能的降低量 V金屬的克分子體積 第47頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二圖8-27中球面晶界移向其曲率中心的驅(qū)動力 （8-17） 單位面積的晶界所具有的界面能（比晶界能） （8-17）式表明，晶界移動的驅(qū)動力是隨比晶界能的增大而增大，隨晶界曲率半徑的增大而減小。第48頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二對于多晶體，R為曲面晶界段的有效曲率半徑： （8-18） 晶界移動速度 （8-19） m晶界遷移率（單位驅(qū)動力（p=1）作用下的晶界遷移速度），為常數(shù)第49頁，共96頁，2022年

26、，5月20日，20點22分，星期二二、晶粒的穩(wěn)定形狀1、晶粒穩(wěn)定形狀的推導第50頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 對于多晶體金屬來說，大部分都是大角度晶界，晶界能以界面張力的形式表現(xiàn)出來，且可以通過界面交角的測定求出它的相對值，由圖8-28可見，作用于O點的界面作用應(yīng)彼此平衡，即其矢量和為零，故或 （8-20） 由于再結(jié)晶后的晶界屬于大角度晶界，其比晶界能與晶界兩側(cè)晶粒的位向差無關(guān)，故T1=T2=T3。所以 ，而晶界角均等于120的六邊形二維晶粒符合這種條件，三晶界交匯點的任何移動都會增加晶界總長度而增加總的晶界能，因此這種形狀晶粒在加熱時不會發(fā)生晶界移動，也不會發(fā)生

27、長大或縮小而處于穩(wěn)定狀態(tài)。第51頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二三、正常晶粒長大 1、定義：晶粒長大過程中，如果長大的晶粒數(shù)很多，并在金屬中較均勻地分布，那么晶粒長大過程中晶粒的尺寸是比較均勻的，晶粒平均尺寸的增大也是連續(xù)的，這種晶粒長大稱為正常晶粒長大或連續(xù)晶粒長大。 2、恒溫下，正常晶粒長大時，平均晶粒直徑與保溫時間關(guān)系推導：正常晶粒長大時晶界的平均移動速度 （8-21） 第52頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二晶界的平均遷移率晶界的平均驅(qū)動力晶界的平均曲率半徑晶粒平均直徑的增大速度 對于大致上均勻的晶粒組織來說， ， 、 為常數(shù)，所以（8

28、-21）可寫成 (8-22) 第53頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二兩邊積分得 （8-23） 恒定溫度下的起始平均晶粒直徑t時間的平均晶粒直徑如果 遠大于 ，則 或 （8-24） 上式表明在恒溫下發(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。第54頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 但是，有不少的恒溫晶粒長大實驗數(shù)據(jù)符合： （ ）(8-25) 這是由于存在阻礙晶界移動從而阻礙晶粒長大的因素所致。 第55頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二四、影響晶粒長大的因素 1、溫度的影響： 由圖8-32可看出，溫度越高，晶

29、粒長大速度也越快。 第56頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二第57頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二2、分散相微粒影響： 某些金屬材料在一定溫度范圍內(nèi)加熱時，晶粒長大到一定尺寸就停止了，為什么呢？ 下面對其分析：首先，假定分散相微粒為球狀 第58頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 當晶界在圖a)時，由于粒子的存在而減少了 的晶界面積，降低了 的晶界能，因而此時的界面能最小，同時此時粒子與晶界是處于力學上平衡的位置。當晶界移動到圖b)位置時，境界面積增大而增加了晶界能，而且在晶界表面張力作用下，與粒子相接觸處晶界還會發(fā)生彎曲

30、以使晶界與粒子表面相垂直。如圖b）所示，此時晶界沿其移動方向?qū)αＷ铀┘拥睦?: 由牛頓第三定律，此力也等于在晶界移動的反方向粒子對晶界移動所施加的后拉力或約束力，當45時，此約束力為最大，將45代入（8-29）式得（8-30） (8-29)第59頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 如果分散相粒子在金屬中呈均勻分布，且單位體積的金屬中存在著N個粒子，由于單位面積的晶界要與2rN個粒子相交截，因此單位面積晶界上各粒子對晶界移動所施加的總的約束力（8-31） 由于單位體積的金屬中分散相粒子所占的體積分數(shù)為 （8-32） 由（8-31）和（8-32）得 （8-33） 這說明

31、分散相粒子對晶界移動所施加的總的約束力隨分散相的體積分數(shù)的增加而增大，而隨分散相粒子尺寸的增大而減小。 第60頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二若晶界移動的驅(qū)動力完全來自晶界能，此驅(qū)動力應(yīng)等于 ,(設(shè) ) ，當 時，正常晶粒長大就停止了。此時晶粒平均直徑稱為極限的晶粒平均直徑，以 表示，顯然 （8-34） 故 （8-35） 這說明極限晶粒的平均直徑直接決定于分散相粒子的尺寸及其所占的體積分數(shù)。當分散相粒子所占的體積分數(shù)一定時，粒子的尺寸愈小，極限的平均晶粒尺寸亦愈小。 第61頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二3、晶粒間的位向差 晶界兩側(cè)相鄰晶粒間

32、的位向差對晶界的遷移率和晶界移動速度有很大關(guān)系：（1）位向相近或?qū)\晶位向時，遷移率很??；（2）大角度晶界位向差時，遷移率較大。第62頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 從圖8-37可以看出：當溫度較低時，有晶界移動速度的極大值，當溫度較高時，在大角度晶界位向差范圍內(nèi)，晶界移動速度并不隨位向差的變化而變化。 第63頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二4、微量雜質(zhì)的存在 （1）微量雜質(zhì)的存在使晶界移動速度降低，其原因： 固溶于金屬中雜質(zhì)原子與晶界交互作用所致。這種交互作用使雜質(zhì)原子傾向于富集在晶界處，形成一種被移動晶界拖動的“氣團”，給晶界移動帶來約束

33、力從而使晶界移動速度降低。 （2）溫度較低時，具有特殊位向差晶界的移動速度較一般晶界的移動速度要大很多的，其原因： 具有特殊位向差的晶界原子排列的重合性高，不利于雜質(zhì)原子在晶界的吸附；而非特殊位向的一般晶界其原子排列的重合性差，晶界上空隙較多，有利于雜質(zhì)原子的吸附。 第64頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二（五）表面的熱蝕溝 金屬在高溫下長時間加熱時，晶界與金屬表面相交處為了達到表面張力間相互平衡，將會通過表面擴散產(chǎn)生熱蝕溝，如圖（8-39）。 熱蝕溝所張開的角（180 2）決定于晶界能b和表面能s的比值，當很小時（8-36）對于不少金屬來說， s約為3b，因此約為10

34、第65頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二對于薄膜材料，當熱蝕溝產(chǎn)生后，如果晶界自熱蝕溝處移開，就會增加晶界面積而增加界面能，這就導致產(chǎn)生一種約束晶界移動的約束力ptg：（8-37）式中a為薄板的厚度。由于（8-37）式中熱蝕溝對晶界移動的約束力ptg與板厚a呈反比，因此熱蝕溝對極薄的薄板中的晶界移動將具有顯著的影響。第66頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 當熱蝕溝約束晶界移動的約束力ptg與晶界能提供的晶界移動的驅(qū)動力p相等時，晶界就被釘扎在熱蝕溝處，使薄板中的晶粒尺寸達到極限而不再長大。 如果以Rlim表示極限的晶粒半徑，在此情況下，由于所以

35、（8-38）因此（8-39） 對一定的金屬來說，s/b 為一常數(shù)，因此上式表明薄板中的極限晶粒尺寸應(yīng)與薄板的厚度成正比。此結(jié)論與高純鋁的薄板中所觀察到的最大晶粒半徑與厚板間的正比關(guān)系是相符的，如圖（8-40）第67頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二第68頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 五、異常晶粒長大（二次再結(jié)晶） 1、特點：發(fā)生長大時，基體中的少數(shù)晶粒迅速長大，使晶粒之間的尺寸差別顯著增大，直至這些迅速長大的晶粒完全互相接觸時為止。 基本條件：長大過程被分散相微粒、織構(gòu)、或表面熱蝕溝等所強烈阻礙。第69頁，共96頁，2022年，5月20日，

36、20點22分，星期二 2、下面討論分散相微粒對晶粒長大的阻礙過程： 由（8-19）可知，晶界移動的驅(qū)動力為 由于晶粒長大過程中一般是大晶粒發(fā)生長大而小晶粒被消耗掉，因此可認為由一臨界晶粒半徑 所以， （8-40） R晶粒半徑 幾何常數(shù)，對于三維形狀金屬材料 ，二維金屬材料 第70頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二由于 ,所以 （8-41） 能夠長大的晶粒滿足下列的條件： 或 （8-42） 當金屬中存在著分散相微粒時，晶界移動的凈驅(qū)動力為 （8-43） 所以（8-44） 第71頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二或 (8-45) 這樣，比較（8-42

37、）式和（8-45）式，顯然（8-45）式中的R值大于（8-42）式中的R值。這說明在晶粒長大過程中，當有分散相微粒存在時，能發(fā)生長大的晶粒尺寸要比無分散相存在時能發(fā)生長大的晶粒尺寸為大，而能發(fā)生長大的晶粒的數(shù)目則較無分散相微粒存在時能長大的晶粒的數(shù)目為少。第72頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 當平均晶粒半徑 時，晶粒長大就會停止，此時若增大r（即時分散相粒子粗化）或者減少f（即發(fā)生溶入過程），則都會增大 ，即晶粒尺寸分布曲線大尺寸端的那些晶粒將進一步長大，而使曲線進一步向大晶粒方向延長。若使分散相進一步完全固溶入基體，由于尺寸最大的少量晶粒較之細小晶粒的基體具有大得

38、多的長大驅(qū)動力，它們會吞并細小晶粒的基體而迅速的長大，發(fā)生二次再結(jié)晶 。如圖（8-42）第73頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二第74頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二六、表面能所提供的晶界移動驅(qū)動力 圖8-43為一退火的雙晶體薄板，如果I、II兩晶體由于取向不同而具有不同的表面能，那么通過晶界的移動而降低系統(tǒng)的總表面能，也能提供一種晶界移動的驅(qū)動力。第75頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二這種驅(qū)動力為(8-46) a薄板厚度 2薄板中的晶體主要存在著上下兩個自由表面。 兩晶體的表面能差 不同晶面間的表面能差不僅能給薄板中

39、的晶界移動和晶粒長大（包括正常晶粒長大和二次再結(jié)晶）提供驅(qū)動力，同時還能使經(jīng)過二次再結(jié)晶的薄板在繼續(xù)退火的過程中發(fā)生三次再結(jié)晶。第76頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二七、再結(jié)晶圖 （1）變形度很小時，再結(jié)晶退火后晶粒特別粗大，存在臨界變形度。 （2）變形度很大且在較高溫度下退火時，會出現(xiàn)二次再結(jié)晶。 第77頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二八、退火孿晶 某些面心立方結(jié)構(gòu)的金屬和合金如銅及銅合金、奧氏體不銹鋼 等經(jīng)再結(jié)晶退火后其晶粒中會出現(xiàn)退火孿晶。 退火孿晶有三種典型的形態(tài)，如圖8-46，A為晶界交角處的退火孿晶，B為貫穿晶粒的完整退火孿晶，C

40、為一端終止于晶粒內(nèi)部的不完整退火孿晶。第78頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 形成退火孿晶時，需要在（111）面的堆垛次序中發(fā)生層錯。 例如面心立方結(jié)構(gòu)晶體是由最密排面（111）按ABCABCABC的堆垛順序堆垛而成。當晶粒中出現(xiàn)孿晶帶時，（111）面的堆垛順序改為：ABCABCBACBACBACBABCABC。此處的C和A面構(gòu)成共格孿晶面，此兩面間的晶體則構(gòu)成一退火孿晶帶，如圖（8-47）第79頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二退火孿晶的形成機制一般認為退火孿晶是在晶粒生長過程中形成的。當晶粒通過晶界移動而生長時，原子層在晶界角處（111）面

41、上的堆垛順序偶然錯堆，就會出現(xiàn)一共格的孿晶界，這種退火孿晶通過大角度晶界的移動而長大。在長大過程中，如果原子在（111）表面再次發(fā)生錯堆兒恢復原來的堆垛順序，則又形成第二個共格孿晶界，構(gòu)成了孿晶帶。如圖（8-48）第80頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二圖（8-48）中退火孿晶形成時必需滿足下列能量條件： ATBTB+ATCTC+ATAtbATBAB+ATCAC （8-47） 式中ATB、ATC分別表示孿晶T與晶粒B、晶粒C之間的晶界面積；ATA表示共格的孿晶界面積；TB、TC、ABAC分別表示孿晶T 與晶粒B間的界面能、孿晶T與晶粒C間的界面能、晶粒A與晶粒B間的界面

42、能、晶粒A與晶粒C間的界面能; tb表示共格的孿晶界界面能。（8-47）式亦可以寫成： ATAtbATB（ABTB ）+ATC（ACTC）（8-48）第81頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 如果生長的晶粒A與晶粒B、晶粒C之間的晶界屬于一般位向的大角度晶界，具有較高的界面能，而孿晶T與晶粒B、晶粒C間的晶界屬于特殊位向的大角度晶界而具有較低的晶界能，而當孿晶界的界面能tb遠低于一般位向的大角度晶界的比晶界能b時，（8-48）式的能量關(guān)系很容易得到滿足從而在晶粒生長過程中在晶界角處形成退火孿晶。如圖8-49。第82頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期

43、二第83頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二第五節(jié) 再結(jié)晶織構(gòu) 定義：冷變形金屬在再結(jié)晶（包括一次、二次、三次再結(jié)晶）過程中所形成的織構(gòu)稱為再結(jié)晶織構(gòu)。 變形織構(gòu)：由于塑性變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫變形織構(gòu)。第84頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 冷變形所產(chǎn)生的變形織構(gòu)，在再結(jié)晶后就晶粒取向來說，有以下三種可能： 1）保持甚至加強了原有的織構(gòu)； 2）原有的織構(gòu)消失而代之以新的織構(gòu)： 3）原有的織構(gòu)消失而代之以混亂取向的晶粒第85頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二一次再結(jié)晶織構(gòu)的形成有兩種主要的理論： 1）定向生長理論

44、 此理論認為一次再結(jié)晶過程中形成多種位向的晶核，但由于晶核的生長速度取決于晶核與變形基體間的位相差，那些具有有利取向的晶核能夠通過消耗變形基體而迅速長大，使其他位相晶核的生長受到抑制，從而形成一次再結(jié)晶織構(gòu)。第86頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二2）定向成核理論 一次再結(jié)晶的主要形核機制為凸出形核，通過亞晶界移動導致的亞晶長大形核和通過亞晶合并導致的亞晶長大形核。前兩種機制形成的再結(jié)晶核心都保持著變形織構(gòu)的擇優(yōu)取向。第87頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二第六節(jié) 金屬材料熱加工 1、熱加工與冷加工的區(qū)別：在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形，稱為熱加工。在再結(jié)晶溫度以下的塑性成形，稱為冷加工。 2、熱加工溫度：0.6 3、圖8-51為真空熔化的純鐵在高溫下以不同應(yīng)變速率變形時的應(yīng)力應(yīng)變曲線。 第88頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 （1）曲線起始部分的加工硬化系數(shù)隨變形溫度升高和應(yīng)變速率的下降而下降。 （2）大于一定應(yīng)變后，加工硬化作用停止，出現(xiàn)不隨應(yīng)變而增大的穩(wěn)定狀態(tài)的流變曲線。 （3）在某些條件下，穩(wěn)定態(tài)會被應(yīng)力隨應(yīng)變而周期性變化的波動曲線所代替。第89頁，共96頁，2022年，5月20日，20點22分，星期二 4、恒定應(yīng)變速率的持續(xù)塑性變形是在位錯的不斷