材料科學與工程教程第八章-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 在加熱溫度更高時發(fā)生再結(jié)晶，而在此之前變形金屬的力學性能和物 理性能都是逐漸變化的，但只要加熱到某一確定值（或者說是一個很窄 的溫度范圍），就可看到力學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)晶的實際意義冷變形而產(chǎn)生強烈的加工硬化，導致加工工藝（如拉拔線材）不能繼續(xù)進行時，中間必須進行再結(jié)晶退火 同時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 那些在固態(tài)下沒有相變的金屬材料，在適當?shù)膱龊舷驴梢詰谩?022/10/112十一、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新晶核形成時所增加的界面能，這使系統(tǒng)的能量降低，晶核就會進一步增大。2022/10/1141、 再結(jié)晶的形核2022/10/135再結(jié)晶核心實際上是“現(xiàn)成的”，它已存在畸變能較大的區(qū)域，不需要原子逐個積累到超過某一臨界尺寸。實際觀察到的再結(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

4、相鄰晶粒內(nèi)，其位錯胞的尺寸相差懸殊（圖838），晶核產(chǎn)生于位錯胞尺寸大的晶粒一側(cè)，長入到有小位錯胞晶粒內(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)晶核心實際上是“現(xiàn)成的”，它已存再結(jié)晶的形核與長大1.形核機制(1)晶界弓出小變形量時,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: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，低密度位錯的亞晶蠶食途中遇到的位錯。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.形核機制(2)亞晶合并(3)亞晶蠶食22022/10/1372、 再結(jié)晶

5、動力學 在一定變形量下，將變形金屬在不同溫度下退火，測定發(fā)生再結(jié)晶的體積分數(shù)隨時間的變化；2022/10/1172、 再結(jié)晶動力學2022/10/138下圖表明再結(jié)晶的動力學與回復不同:(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，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，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)晶的動力學與回復不同:(32022/10/139當再結(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之間如對前式取對數(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)晶動力學方程 1exp(Bt K) 式中， 在t時間已經(jīng)再結(jié)晶的體積分數(shù), B和K為常數(shù)2022/10/119當再結(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)晶所需要的時間成反比，即故在兩個不同溫度T1、T2進行等溫退火，若要產(chǎn)生同樣程度的再結(jié)晶所需的時間分別為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??；2022/10/11113 、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，對剛完

8、成再結(jié)晶來說，其影響很弱，隨溫度升高，同時增加 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個原子中只要有1個Au或Ag原子界面遷移的速度就可降低兩個數(shù)量級（圖842），而生長的激活能從純鉛時的

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，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?shù)诙喑叽绾苄∏逸^密集時 ，則會阻礙再結(jié)晶的進行 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，或者退火時間增長，都會降低再結(jié)晶溫度?？偟膩碚f，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，金屬再結(jié)晶溫度與其熔點

10、有以下關(guān)系：T再0.4T熔（熱力學溫度）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，這是因為金屬總是力求使其界面自由能最小這是就整個系統(tǒng)來說的，晶粒長大的驅(qū)動力是降低其總界面能就個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，晶界總是向著曲率中心的方向移動（右圖），因為界面彎曲后，必然有一表面張力2 /指向曲率中心，而力求使界面向曲率中心移動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，而再結(jié)晶核心的長大界面是背向曲率中心移動（見圖838），因為后者長大的驅(qū)動力是減小畸變能減小表面能是晶

12、粒長大的熱力學條件，滿足這個條件只說明晶粒有長大的可能，但長大與否還需滿足動力學體件晶界的活動性 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性的最主要因素，晶界的活動性B與晶界的擴散系數(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。（見右圖）其中，晶粒的最大尺寸D與第二相顆粒半徑，第二相體積分數(shù) 有以下關(guān)系：D43 此式說明，第二相顆粒半徑越大，或第二相體積分數(shù)越大，晶粒的最大尺寸就會越小。 溫度：越高，速度越快由

13、此關(guān)系可以看出晶界移動速度因溫度升高而急劇增大 第二相：尺寸越大或體積分數(shù)越大，晶粒尺寸越小2022/10/1118 溫度是影響晶界活動性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，對某些金屬會出現(xiàn)當溫度升高到某一數(shù)值時，晶粒會突然反常地長大，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，當在不同溫度退火一小時，其二次再結(jié)晶晶粒的長大情況（右圖） 圖中實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，個別晶?？蛇_平均晶粒徑的50倍（圖847） 溫度再升高時晶粒又變細 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，這是因為：冷變形造

15、成了變形織構(gòu)，再結(jié)晶退火至一定溫度時（如對硅鋼片至少在900以上）又形成了再結(jié)晶織構(gòu)，當織構(gòu)形成后，各個晶粒的取向趨于一致，晶粒間的位向差很小時，晶界是不易移動的，因為界面能是隨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。因此形成強烈織構(gòu)后晶粒是不易長大的；當加入少量雜質(zhì)形成第二相（如硅鐵中的MnS）能強烈釘扎住晶界，阻礙晶界的移動，晶粒也就不會長大。 而當加熱到高溫，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)晶對材料的力學性能肯定有不良影響但對硅鋼片退火是有意要形成二次再結(jié)晶的，產(chǎn)生強的再結(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)生了回復和再結(jié)晶過程，同時又新形成了等軸晶粒與消除了加工硬化動態(tài)回復和再結(jié)晶靜態(tài)回復和再結(jié)晶動、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高溫時熱變形后的再結(jié)晶實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間，隨之淬火后觀察其再結(jié)晶進行情況：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)晶完成時間也只需10min。2022/10/1123右圖是51B60鋼（WC 0.6%，2022/10/1324 實際 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Ar3為830，在850可獲得細小的奧氏體等軸晶，這就保證了隨后冷卻時其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物鐵素體和珠光體也是細小的。2022/10/1124 實際 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時的變形，主要是通過滑移和孿晶兩種方式進行。而在 T 0.3 Tm 會發(fā)生位錯的攀移，從而產(chǎn)生蠕變 現(xiàn)象金屬材料在長時間的恒溫、恒應力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形（指材料在高溫下的變形不僅與應力有關(guān)，而且與應力作用時間有關(guān)）。注：恒定溫度和應力整個過程可分為三個階段：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 和自擴散激活能 QD 許多金屬蠕變第二階段的激活能與自擴散的激活能十分接近，這說明控制蠕變速率的過程是由擴散過程所控制。金屬原子的擴散機制是空位擴散，自擴散的激活能QD可看成是空位形成能QF與空位運動能QM兩者之和， 即： QDQFQM體心立方金屬中原子排列不夠緊密，空位容易運動，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，一般認為是由位錯滑移產(chǎn)生的加工硬化和由位錯攀移產(chǎn)生高溫回復，此兩過程的速率相等，于是便形成了恒定的蠕變速率過程 位錯攀移可消除加工硬化，例如當位錯滑動遇到障礙而阻塞，位錯可藉熱激活產(chǎn)生攀移而避開障礙 由位錯攀移而引起蠕變的機制叫做位錯蠕變2022/10/1128 蠕變第二階段，一般認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（約10m以下，最好在5 m以下） 變形溫度在0.50.65Tm