材料科學(xué)與工程教程第八章-材料的變形與斷裂(四)概要課件

1、2022/10/131第八章 材料的變形與斷裂（四） 2022/10/111第八章 材料的變形與斷裂（四） 2022/10/132十一、冷變形金屬的再結(jié)晶 在加熱溫度更高時(shí)發(fā)生再結(jié)晶，而在此之前變形金屬的力學(xué)性能和物 理性能都是逐漸變化的，但只要加熱到某一確定值（或者說是一個(gè)很窄 的溫度范圍），就可看到力學(xué)性能和物理性能急劇變化，加工硬化可以 完全消除，性能可恢復(fù)到未變形前的退火狀態(tài)。 顯微組織也發(fā)生明顯變化，由拉長的變形晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒再結(jié)晶現(xiàn)象 再結(jié)晶的實(shí)際意義冷變形而產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化，導(dǎo)致加工工藝（如拉拔線材）不能繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，中間必須進(jìn)行再結(jié)晶退火 同時(shí)也是改變金屬組織結(jié)構(gòu)與性能的

2、一種方法，特別是對(duì) 那些在固態(tài)下沒有相變的金屬材料，在適當(dāng)?shù)膱?chǎng)合下可以應(yīng)用。2022/10/112十一、冷變形金屬的再結(jié)晶再結(jié)晶現(xiàn)象 再2022/10/133概念:冷變形金屬加熱到一定溫度后(T0.4T熔),在原來變形組織中重新產(chǎn)生了無畸變的新晶粒,性能恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)（冷變形前的狀態(tài)）,這一過程稱為再結(jié)晶.再結(jié)晶是一個(gè)先產(chǎn)生無畸變的晶核，然后再在變形的金屬基體中長大的過程，但是再結(jié)晶轉(zhuǎn)變沒有晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的改變。（本質(zhì)上再結(jié)晶不屬于相變）在畸變的晶體中形成無畸變的晶核，晶核不斷的長大，再結(jié)晶完成后，獲得等軸晶粒。再結(jié)晶是形核和晶核長大的過程2022/10/113概念:冷變形金屬加熱到一

3、定溫度后(T2022/10/1341、 再結(jié)晶的形核 再結(jié)晶的轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力是晶體的彈性畸變能，從而晶核必然是產(chǎn)生在高畸變區(qū)域, 若晶核本身無畸變，且畸變能的降低足以彌補(bǔ)新晶核形成時(shí)所增加的界面能，這使系統(tǒng)的能量降低，晶核就會(huì)進(jìn)一步增大。2022/10/1141、 再結(jié)晶的形核2022/10/135再結(jié)晶核心實(shí)際上是“現(xiàn)成的”，它已存在畸變能較大的區(qū)域，不需要原子逐個(gè)積累到超過某一臨界尺寸。實(shí)際觀察到的再結(jié)晶核心首先產(chǎn)生在大角度界面上，如晶界、相界面、孿晶或滑移帶界面上，也可能產(chǎn)生在晶粒內(nèi)某些特定的位向差較大的亞晶上（右圖）對(duì)于再結(jié)晶核心產(chǎn)生在大角度的晶界上，照Beck所提出的模型，也是變形的兩個(gè)

4、相鄰晶粒內(nèi)，其位錯(cuò)胞的尺寸相差懸殊（圖838），晶核產(chǎn)生于位錯(cuò)胞尺寸大的晶粒一側(cè)，長入到有小位錯(cuò)胞晶粒內(nèi)，即伸向畸變能較高的區(qū)域以減小畸變能.2022/10/115再結(jié)晶核心實(shí)際上是“現(xiàn)成的”，它已存再結(jié)晶的形核與長大1.形核機(jī)制(1)晶界弓出小變形量時(shí),各晶粒形變形核不均勻,變形小的晶粒向變形度大的亞晶粒一側(cè)弓出形成無畸變晶核(2)亞晶合并變形大時(shí):多邊形化的亞晶合并為再結(jié)晶晶核.(3)亞晶蠶食變形大時(shí)，低密度位錯(cuò)的亞晶蠶食途中遇到的位錯(cuò)。2.長大再結(jié)晶晶核形成后,自發(fā)長大,形成無畸變的新等軸晶粒.再結(jié)晶的形核與長大1.形核機(jī)制(2)亞晶合并(3)亞晶蠶食22022/10/1372、 再結(jié)晶

5、動(dòng)力學(xué) 在一定變形量下，將變形金屬在不同溫度下退火，測(cè)定發(fā)生再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化；2022/10/1172、 再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)2022/10/138下圖表明再結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)與回復(fù)不同:(1)在每一固定溫度下，轉(zhuǎn)變曲線形成如S，發(fā)生再結(jié)晶需要一孕育期，退火溫度越高，孕育期越短(2) 開始再結(jié)晶時(shí)，轉(zhuǎn)變速率很低，隨著轉(zhuǎn)變量增加，轉(zhuǎn)變速率逐漸增大，到轉(zhuǎn)變量為50時(shí)，速率最快（中間范圍是一直線）轉(zhuǎn)變量再增加，速率又減慢。(3) 退火溫度越高，轉(zhuǎn)變曲線漸向左移, 即轉(zhuǎn)變加速;(4) 如在恒定溫度下，變形量不同，也會(huì)有不同的再結(jié)晶速率（圖840）變形量越大，再結(jié)晶速率越大返回2022/10/118下圖表

6、明再結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)與回復(fù)不同:(32022/10/139當(dāng)再結(jié)晶是三維的，K在34之間；再結(jié)晶是二維的（如薄板），K在23之間；再結(jié)晶是一維的（如線材），K在12之間如對(duì)前式取對(duì)數(shù)，則有：得直線的斜率 K，在一定溫度范圍內(nèi) K 值幾乎不隨溫度而變阿弗拉米提出的再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程 1exp(Bt K) 式中， 在t時(shí)間已經(jīng)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù), B和K為常數(shù)2022/10/119當(dāng)再結(jié)晶是三維的，K在34之間；再結(jié)2022/10/1310再結(jié)晶速率V再溫度T的關(guān)系符合阿羅尼烏斯(Arrhenius）公式:V再 = Aexp(-Q/RT). 式中 Q 再結(jié)晶激活能；R 氣體常數(shù) 再結(jié)晶速率與產(chǎn)生某一體積分

7、數(shù)的再結(jié)晶所需要的時(shí)間成反比，即故在兩個(gè)不同溫度T1、T2進(jìn)行等溫退火，若要產(chǎn)生同樣程度的再結(jié)晶所需的時(shí)間分別為t1、t2，則 此式在生產(chǎn)上極為有用。2022/10/1110再結(jié)晶速率V再溫度T的關(guān)系符合阿羅2022/10/13113 、影響再結(jié)晶的因素臨界變形度：在給定溫度下發(fā)生再結(jié)晶需要一個(gè)最小變形量，即通常為臨界變形度，低于此變形度，不能再結(jié)晶；退火溫度：變形度越小，開始再結(jié)晶的溫度越高，這也意味著臨界變形度隨退火溫度的升高而減?。?022/10/11113 、影響再結(jié)晶的因素2022/10/1312再結(jié)晶后晶粒大小主要決定于變形程度，變形量越大，再結(jié)晶后的晶粒越小 而溫度的影響，對(duì)剛完

8、成再結(jié)晶來說，其影響很弱，隨溫度升高，同時(shí)增加 了形核率和生長速率，其比值沒有變化，因而晶粒大小的變化也很小溫度只是加速了再結(jié)晶過程，若再結(jié)晶過程已完成，隨后還有一個(gè)晶粒長大階段，很明顯溫度越高晶粒越粗大(見右圖)2022/10/1112再結(jié)晶后晶粒大小主要決定于變形程度2022/10/1313微量雜質(zhì)元素就可明顯的升高再結(jié)晶溫度或推遲再結(jié)晶過程的進(jìn)行微量元素是如何影響再結(jié)晶的，是影響再結(jié)晶的形核，還是阻止其長大，或者是兩者兼而有之？在區(qū)域精煉的鉛中加入極微量的Sn、Ag、和Au，發(fā)現(xiàn)在106個(gè)原子中只要有1個(gè)Au或Ag原子界面遷移的速度就可降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)（圖842），而生長的激活能從純鉛時(shí)的

9、20.9kJ/ mol增大到126kJ/ mol。2022/10/1113微量雜質(zhì)元素就可明顯的升高再結(jié)晶溫2022/10/1314第二相的影響：定性地說，第二相尺寸較大（1m），間距較寬時(shí)，再結(jié)晶核心能在其表面產(chǎn)生 在鋼中?？煽吹皆俳Y(jié)晶核心在夾雜物MnO或第二相粒狀Fe3C表面上產(chǎn)生當(dāng)?shù)诙喑叽绾苄∏逸^密集時(shí) ，則會(huì)阻礙再結(jié)晶的進(jìn)行 在鋼中常加入Nb、V或Al，形成NbC、V4C3、AlN，這些化合物的尺寸很小，一般都在100nm以下，可以抑制形核。原始晶粒越細(xì)，或者退火時(shí)間增長，都會(huì)降低再結(jié)晶溫度。總的來說，變形金屬再結(jié)晶溫度不是恒定的，而受許多因素的影響，粗略估計(jì)，金屬再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)

10、有以下關(guān)系：T再0.4T熔（熱力學(xué)溫度）表84列出了各種金屬的再結(jié)晶溫度2022/10/1114第二相的影響：定性地說，原始晶粒2022/10/1315例如：Al 的估算再結(jié)晶溫度為 （660273）0.4273100（） Ag的估算再結(jié)晶溫度為 （962273） 0.4273221 （） Fe的估算再結(jié)晶溫度為 （1538273） 0.4273451 （） 可見估算溫度是比較接近實(shí)際再結(jié)晶溫度的2022/10/1115例如：Al 的估算再結(jié)晶溫度為 （62022/10/13164、 再結(jié)晶后的晶粒長大再結(jié)晶完成后晶粒長大有兩種類型：是隨溫度升高或時(shí)間的增長而均勻地連續(xù)長大正常長大是不連續(xù)不均

11、勻地長大反常長大二次再結(jié)晶（1）晶粒的正常長大再結(jié)晶完成后，晶粒長大是一自發(fā)的過程，這是因?yàn)榻饘倏偸橇η笫蛊浣缑孀杂赡茏钚∵@是就整個(gè)系統(tǒng)來說的，晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力是降低其總界面能就個(gè)別晶粒長大的微觀過程來說，晶粒界面的不同曲率是造成晶界遷移的直接原因晶粒長大時(shí)，晶界總是向著曲率中心的方向移動(dòng)（右圖），因?yàn)榻缑鎻澢?，必然有一表面張? /指向曲率中心，而力求使界面向曲率中心移動(dòng)2022/10/11164、 再結(jié)晶后的晶粒長大再結(jié)晶完成2022/10/1317再結(jié)晶后晶粒長大是界面向曲率中心移動(dòng)，而再結(jié)晶核心的長大界面是背向曲率中心移動(dòng)（見圖838），因?yàn)楹笳唛L大的驅(qū)動(dòng)力是減小畸變能減小表面能是晶

12、粒長大的熱力學(xué)條件，滿足這個(gè)條件只說明晶粒有長大的可能，但長大與否還需滿足動(dòng)力學(xué)體件晶界的活動(dòng)性 2022/10/1117再結(jié)晶后晶粒長大是界面向曲率中心移2022/10/1318 溫度是影響晶界活動(dòng)性的最主要因素，晶界的活動(dòng)性B與晶界的擴(kuò)散系數(shù)Db有以下關(guān)系：BDb/ RT， 而 DbD0eQb/ RT 生產(chǎn)上為了阻止金屬在高溫下晶粒的長大，常加入一些合金元素，形成顆粒很小的第二相釘扎住晶界，阻礙晶界的移動(dòng)。（見右圖）其中，晶粒的最大尺寸D與第二相顆粒半徑，第二相體積分?jǐn)?shù) 有以下關(guān)系：D43 此式說明，第二相顆粒半徑越大，或第二相體積分?jǐn)?shù)越大，晶粒的最大尺寸就會(huì)越小。 溫度：越高，速度越快由

13、此關(guān)系可以看出晶界移動(dòng)速度因溫度升高而急劇增大 第二相：尺寸越大或體積分?jǐn)?shù)越大，晶粒尺寸越小2022/10/1118 溫度是影響晶界活動(dòng)性2022/10/1319（2）二次再結(jié)晶一般情況下，再結(jié)晶完成后，晶粒長大隨溫度的增加是連續(xù)變化的但在一定條件下，對(duì)某些金屬會(huì)出現(xiàn)當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值時(shí)，晶粒會(huì)突然反常地長大，溫度再升高，晶粒又趨于減小二次再結(jié)晶現(xiàn)象二次再結(jié)晶不是靠重新產(chǎn)生的晶核，而是在一次再結(jié)晶晶粒長大的過程中，某些局部區(qū)域的晶粒產(chǎn)生了優(yōu)先長大。2022/10/1119（2）二次再結(jié)晶2022/10/1320 圖 8-46 硅鋼片退火1h 后晶粒尺寸的變化例如硅鋼（WS3）冷軋變形程度為5

14、0，軋制成0.35mm 厚的薄板，當(dāng)在不同溫度退火一小時(shí)，其二次再結(jié)晶晶粒的長大情況（右圖） 圖中實(shí)線表示原硅鋼片中含有少量MnS, 再結(jié)晶完成后晶粒先是均勻長大，而在920左右發(fā)生晶粒突然長大，個(gè)別晶?？蛇_(dá)平均晶粒徑的50倍（圖847） 溫度再升高時(shí)晶粒又變細(xì) 8-46曲線1表示在發(fā)生二次再結(jié)晶周圍，只有一次再結(jié)晶的晶粒隨溫度升高均勻增大的情形，曲線2表示不含MnS夾雜的高純度的硅鋼片的晶粒長大與溫度的關(guān)系2022/10/1120 圖 8-46 硅鋼片退火12022/10/1321二次再結(jié)晶的產(chǎn)生：主要是再結(jié)晶后晶粒長大過程中，只有少數(shù)晶粒能優(yōu)先長大，而大多數(shù)晶粒不易長大，這是因?yàn)椋豪渥冃卧?/p>

15、成了變形織構(gòu)，再結(jié)晶退火至一定溫度時(shí)（如對(duì)硅鋼片至少在900以上）又形成了再結(jié)晶織構(gòu)，當(dāng)織構(gòu)形成后，各個(gè)晶粒的取向趨于一致，晶粒間的位向差很小時(shí)，晶界是不易移動(dòng)的，因?yàn)榻缑婺苁请S位向差的增大而增大，直至形成大角度晶界，界面能才趨于一恒定值。因此形成強(qiáng)烈織構(gòu)后晶粒是不易長大的；當(dāng)加入少量雜質(zhì)形成第二相（如硅鐵中的MnS）能強(qiáng)烈釘扎住晶界，阻礙晶界的移動(dòng)，晶粒也就不會(huì)長大。 而當(dāng)加熱到高溫，某些局部區(qū)域的MnS夾雜熔解，該處的晶粒便優(yōu)先長大，吞并了周圍的晶粒，這就形成了晶粒的反常長大。 二次再結(jié)晶對(duì)材料的力學(xué)性能肯定有不良影響但對(duì)硅鋼片退火是有意要形成二次再結(jié)晶的，產(chǎn)生強(qiáng)的再結(jié)晶織構(gòu)（110）00

16、1（即高斯織構(gòu)）和大晶粒，很適合制作變壓器鐵心等軟磁材料。2022/10/1121二次再結(jié)晶的產(chǎn)生：主要是再結(jié)晶后晶粒2022/10/1322十二、金屬的熱變形、蠕變和超塑性1.金屬熱變形過程以及對(duì)組織與性能的影響熱變形：金屬在再結(jié)晶溫度以上的加工變形金屬的熱變形可看作是兩個(gè)過程的組合：像冷加工那樣發(fā)生晶粒的伸長與加工硬化又發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶過程，同時(shí)又新形成了等軸晶粒與消除了加工硬化動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶動(dòng)、靜態(tài)再結(jié)晶就其物理過程及所產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)來說，并無本質(zhì)上的區(qū)別一般只以是否完成了再結(jié)晶作為最后判別2022/10/1122十二、金屬的熱變形、蠕變和超塑性1.2022/10/1

17、323高溫時(shí)熱變形后的再結(jié)晶實(shí)際上是很快的右圖是51B60鋼（WC 0.6%， WCr 0.8%，微量B）在1200奧氏體化后在920軋制，變形量60，于不同溫度下停歇不同時(shí)間，隨之淬火后觀察其再結(jié)晶進(jìn)行情況：在900下停歇只需1min就可完成再結(jié)晶，隨溫度降低，開始發(fā)生和完成再結(jié)晶的時(shí)間稍長，即使終軋溫度降到臨界溫度Ar3以下如 800，再結(jié)晶完成時(shí)間也只需10min。2022/10/1123右圖是51B60鋼（WC 0.6%，2022/10/1324 實(shí)際 工藝處理：一般終軋溫度選在單相奧氏體區(qū)，溫度要盡可能低，目的是防止熱軋后再結(jié)晶晶粒的長大。 圖849是低碳鋼（ WC 0.2%）熱軋前

18、后組織變化示意圖，臨界點(diǎn)Ar3為830，在850可獲得細(xì)小的奧氏體等軸晶，這就保證了隨后冷卻時(shí)其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物鐵素體和珠光體也是細(xì)小的。2022/10/1124 實(shí)際 工藝處理：一般終2022/10/13252. 金屬的蠕變 金屬在室溫下或者溫度低于0.3Tm時(shí)的變形，主要是通過滑移和孿晶兩種方式進(jìn)行。而在 T 0.3 Tm 會(huì)發(fā)生位錯(cuò)的攀移，從而產(chǎn)生蠕變 現(xiàn)象金屬材料在長時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形（指材料在高溫下的變形不僅與應(yīng)力有關(guān)，而且與應(yīng)力作用時(shí)間有關(guān)）。注：恒定溫度和應(yīng)力整個(gè)過程可分為三個(gè)階段：由蠕變速率（d /dt）逐漸減慢的第一階段；穩(wěn)態(tài)（恒速）蠕變的第二階段；在蠕變過

19、程后期，蠕變速率加快直至斷裂，即為第三階段。隨溫度與應(yīng)力的提高，蠕變第二階段漸短，即蠕變由第一階段很快過渡到第三階段。因此高溫條件下服役的金屬零部件壽命大大減少2022/10/11252. 金屬的蠕變而在 T 0.32022/10/1326 由于蠕變第二階段蠕變速率最小且蠕變量容易推算，故高溫下工作的零件使用壽命多規(guī)定在這一階段;其蠕變速率與溫度有指數(shù)關(guān)系，作ln1/ T圖可得一直線，其斜率為Q/ R，Q 為蠕變過程的激活能2022/10/1126 由于蠕變第二階段蠕變2022/10/1327 Hc / (kJmol1) QD/(kJmol1) Al 140 Cu 196 -Fe 305 -F

20、e 299 Mg 117 Zn 88 138 194 291 288 134 90表 8-5 蠕變激活能 Hc 和自擴(kuò)散激活能 QD 許多金屬蠕變第二階段的激活能與自擴(kuò)散的激活能十分接近，這說明控制蠕變速率的過程是由擴(kuò)散過程所控制。金屬原子的擴(kuò)散機(jī)制是空位擴(kuò)散，自擴(kuò)散的激活能QD可看成是空位形成能QF與空位運(yùn)動(dòng)能QM兩者之和， 即： QDQFQM體心立方金屬中原子排列不夠緊密，空位容易運(yùn)動(dòng)，QD較小，因此與面心立方金屬相比，蠕變激活能低，蠕變速率大.2022/10/1127 Hc / (kJ2022/10/1328 蠕變第二階段，一般認(rèn)為是由位錯(cuò)滑移產(chǎn)生的加工硬化和由位錯(cuò)攀移產(chǎn)生高溫回復(fù)，此兩過程的速率相等，于是便形成了恒定的蠕變速率過程 位錯(cuò)攀移可消除加工硬化，例如當(dāng)位錯(cuò)滑動(dòng)遇到障礙而阻塞，位錯(cuò)可藉熱激活產(chǎn)生攀移而避開障礙 由位錯(cuò)攀移而引起蠕變的機(jī)制叫做位錯(cuò)蠕變2022/10/1128 蠕變第二階段，一般認(rèn)2022/10/13293. 金屬的超塑性許多金屬在一定條件下如： 晶粒尺寸很細(xì)（約10m以下，最好在5 m以下） 變形溫度在0.50.65Tm