金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶

金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶第一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二7.1形變金屬與合金在退火過程中的變化形變儲存能彈性應(yīng)變能(3~12%)晶格畸變能(80~90%)形變儲能使金屬內(nèi)能升高，處于熱力學(xué)亞穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。在常溫下，原子擴散能力小，不穩(wěn)定狀態(tài)可長時間維持。加熱時，原子活動能力升高，形變金屬從亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，形變儲存能降低是形變金屬退火過程中組織變化的驅(qū)動力。第二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二退火將材料加熱到某一溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷至室溫，通過組織結(jié)構(gòu)的變化使材料熱力學(xué)穩(wěn)定性得以提高的熱處理工藝。加熱可使原子擴散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。第三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二1、回復(fù)2、再結(jié)晶3、晶粒長大第四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二第五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二冷變形黃銅的回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大黃銅冷變形33%形核3s580℃部分結(jié)晶5s580℃完全結(jié)晶8s580℃晶粒長大15min580℃晶粒長大10min700℃第六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二回復(fù)階段：顯微組織無明顯變化；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，達到相對穩(wěn)定的形狀和尺寸。顯微組織的變化第七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二內(nèi)應(yīng)力的變化回復(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)力完全消除。第八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二回復(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，晶粒粗化后塑性會下降。力學(xué)性能的變化第九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二7.2回復(fù)

定義：冷變形后的金屬在加熱溫度不高時，顯微組織未發(fā)生明顯改變，但其物理、力學(xué)性能部分恢復(fù)的過程。一、回復(fù)的定義及機制第十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二加熱溫度很低時，主要涉及到空位的運動，運動結(jié)果使空位密度大的減少。加熱溫度稍高時，主要涉及到位錯的運動。同一滑移面上的異號位錯相互吸引而抵消。加熱溫度更高時，位錯不僅可以滑移，還可以攀移，發(fā)生多邊形化?；貜?fù)機制第十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二多邊形化過程多邊形化：指冷變形金屬加熱時，原來處于滑移面上無序狀態(tài)的位錯，通過滑移和攀移形成與滑移面垂直分布的亞晶界的過程。第十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二位錯的攀移是依靠原子或空位的轉(zhuǎn)移實現(xiàn)的。當(dāng)原子從多余半原子面下端原子轉(zhuǎn)移到別處，或空位從別處轉(zhuǎn)移到半原子面的下端時，位錯線便向上攀移了——正攀移；反之，當(dāng)原子從別處轉(zhuǎn)移到原子面下端時，或空位從這里轉(zhuǎn)移到別處時，位錯線就向下攀移了——負攀移。位錯的攀移空位擴散到位錯刃部空位離開位錯的刃部第十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二二、回復(fù)階段的特點：③晶粒內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化：點缺陷大大↓↓；位錯密度↓，異號位錯合并，同號位錯規(guī)整化—“多邊形化”。└仍保留較高的位錯密度②顯微組織無明顯變化：仍保留被拉長或壓扁的畸變的晶粒。①加熱溫度低。第十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二④性能變化：

HB、σ略↓，δ、ψ略↑；

電阻R↓↓；耐腐蝕性能提高。

原因：晶格畸變↓。總體上：力學(xué)性能變化不大，加工硬化基本保留；但物理、化學(xué)性能變化較大。⑤內(nèi)應(yīng)力↓↓

第十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二回復(fù)溫度：T回復(fù)

=（0.25~0.3）T0T0—金屬的熔點，單位為絕對溫度(K)。工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷加工的金屬件低溫加熱，以降低內(nèi)應(yīng)力，基本保留加工硬化效果，這種熱處理方法稱為去應(yīng)力退火。三、回復(fù)的應(yīng)用

└去應(yīng)力退火

目的：保持高的強度、硬度;

消除內(nèi)應(yīng)力，防止變形、開裂;

恢復(fù)物理、化學(xué)性能。第十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二

一、定義

冷變形后的金屬加熱到低于Ac1的較高溫度或保溫足夠長時間，通過新晶核的形成與長大，由畸變晶粒變?yōu)橄嗤Ц耦愋偷容S新晶粒的過程。7.3再結(jié)晶第十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二

670℃加熱鐵素體變形80%

650℃加熱第十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二再結(jié)晶后組織發(fā)生了明顯的變化，產(chǎn)生了無畸變的新晶?！M織復(fù)原；性能也發(fā)生了明顯的變化，恢復(fù)到冷變形前的水平。金屬的強度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，即加工硬化現(xiàn)象被消除。第十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：由一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的過程——有晶格類型轉(zhuǎn)變。鋼由室溫加熱到1000℃熱軋：發(fā)生鐵素體→奧氏體；軋后冷卻到室溫：發(fā)生奧氏體→鐵素體。再結(jié)晶：無晶格類型轉(zhuǎn)變。冷變形后在再結(jié)晶退火過程中：

畸變鐵素體→無畸變鐵素體；又如鋼在1000℃熱軋的過程中：

畸變奧氏體→無畸變奧氏體。

再結(jié)晶與同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的區(qū)別第二十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二二、再結(jié)晶階段的特點：

①加熱溫度較高：T>T再。②顯微組織顯著變化：轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S、無畸變的新晶粒。③亞結(jié)構(gòu)：位錯密度大大降低。④性能顯著變化：

HB和σ↓↓；δ和ψ↑↑。⑤內(nèi)應(yīng)力完全消除。第二十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二三、再結(jié)晶晶核的形成和長大再結(jié)晶的形核是個復(fù)雜的過程。最初人們嘗試用經(jīng)典的形核理論來處理再結(jié)晶過程，但計算出來的臨界晶核半徑過大（與試驗結(jié)果不符）。大量實驗表明，再結(jié)晶晶核總是在塑性變形引起的最大畸變處形成，并且回復(fù)階段發(fā)生的多邊形化是再結(jié)晶形核的必要準備。第二十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二回復(fù)階段，塑性變形所形成的胞狀組織經(jīng)多邊形化發(fā)展成為亞晶粒，其中有些亞晶粒會逐漸長大，發(fā)展成為再結(jié)晶的晶核。亞晶粒長大成為再結(jié)晶晶核的方式可能有亞晶合并形核和亞晶界移動形核兩種機制。1、亞晶粒長大形核機制亞晶粒長大形核機制一般在大的變形度下發(fā)生。第二十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二亞晶合并形核機制

相鄰亞晶界上的位錯，通過滑移和攀移轉(zhuǎn)移到周圍晶界或亞晶界上，導(dǎo)致原來亞晶界的消失，最后通過原子擴散和位置的調(diào)整，使兩個或多個亞晶粒的取向變?yōu)橐恢?，合并成一個大的亞晶粒，成為再結(jié)晶的晶核。第二十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二晶粒中某些局部位錯密度很高的亞晶界向周邊移動，吞并相鄰的變形基體和亞晶粒而成長為再結(jié)晶晶核。亞晶界移動形核機制

第二十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二當(dāng)金屬的變形度較小時，金屬變形是不均勻的，有的晶粒變形度大，位錯密度也大；有的晶粒變形度小，位錯密度也小。若晶界兩邊一個晶粒的位錯密度高，另一個晶粒的位錯密度低，加熱時晶界會突然向密度高的一側(cè)移動（弓出），晶界掃過的區(qū)域位錯密度下降，成為無畸變晶粒，這個晶粒就是再結(jié)晶晶核。2、晶界凸出形核機制第二十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二晶界凸出形核現(xiàn)象曾經(jīng)在銅、鎳、銀、鋁及鋁-銅合金中直接觀察到

第二十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二再結(jié)晶晶核形成后，就可以自發(fā)地、穩(wěn)定地生長。晶核生長時界面總是向畸變區(qū)域推進。界面移動的驅(qū)動力是無畸變的新晶粒與周圍基體的畸變能差。當(dāng)舊的畸變晶粒完全消失，全部被新的無畸變的再結(jié)晶晶粒所取代，再結(jié)晶過程即完成。此時的晶粒即為再結(jié)晶的初始晶粒。3、再結(jié)晶晶核的長大

第二十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二再結(jié)晶不是相變過程，沒有一個恒定的轉(zhuǎn)變溫度，變形后金屬的再結(jié)晶自某一溫度開始，在一個較寬的溫度范圍內(nèi)連續(xù)進行的。當(dāng)變形度達到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值。生產(chǎn)上通常把經(jīng)過嚴重冷變形（變形度在70%以上）的金屬，經(jīng)過約1小時保溫能夠完成再結(jié)晶的最低溫度稱為最低再結(jié)晶溫度。注意：一般所說的再結(jié)晶溫度通常指的是最低再結(jié)晶溫度。四、再結(jié)晶溫度及其影響因素第二十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二

金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間有近似關(guān)系:T再=δT熔其中T再、T熔為絕對溫度。工業(yè)純金屬最低再結(jié)晶溫度的計算：T再℃=(T熔℃+273)×0.4–273，例如：Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃

對于工業(yè)純金屬，δ為0.35~0.4；

對于高純度金屬，δ為0.25~0.35甚至更低。第三十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二影響再結(jié)晶溫度的因素有：

①金屬的預(yù)先變形度金屬預(yù)先變形程度越大,

金屬儲存能越多，組織越不穩(wěn)定，再結(jié)晶溫度越低。當(dāng)預(yù)先變形程度達到一定大小后，金屬的最低再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值。當(dāng)ε<40%，影響很顯著；當(dāng)ε>70%，T再趨于穩(wěn)定值；當(dāng)ε很小時，T再接近熔點，即不會有再結(jié)晶過程。

T再與變形度的關(guān)系第三十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二②金屬熔點金屬熔點越高,T再也越高。原因：金屬熔點高，原子之間的結(jié)合力強，原子難以擴散。如：Fe:1538℃→450℃;W:3300℃→1100~1200℃。

第三十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二

③金屬的純度金屬中雜質(zhì)或合金元素，尤其是高熔點元素，阻礙原子的擴散、位錯的運動和晶界的遷移，使最低再結(jié)晶溫度顯著提高。

第三十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二④變形金屬的晶粒度變形金屬晶粒越細小，單位體積晶界總面積越多，位錯在晶界塞積，導(dǎo)致晶格畸變區(qū)域越多，為再結(jié)晶形核提供場所越多，再結(jié)晶溫度越低。第三十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二五、再結(jié)晶晶粒度的控制

再結(jié)晶晶粒的平均直徑d可用下式計算：

d=K（G/N）1/4

再結(jié)晶后的晶粒大小取決于G/N比值。凡使G/N↓的因素，都能細化晶粒。第三十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二

①加熱溫度和保溫時間

加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響第三十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二預(yù)先變形度的影響，實質(zhì)上是變形均勻程度的影響。當(dāng)變形度很小時，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶，晶粒大小沒有變化。當(dāng)變形度達到某一數(shù)值（2%~10%）時，再結(jié)晶晶粒特別粗大。這時只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，容易互相吞并和長大，再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個變形度稱為臨界變形度。預(yù)先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響②預(yù)先變形度第三十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二當(dāng)超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結(jié)晶時形核量大而且均勻，使再結(jié)晶后晶粒細而均勻，達到一定變形度后，晶粒度基本不變化。某些金屬當(dāng)變形量相當(dāng)大（90%）時，再結(jié)晶后晶?？赡茉俅纬霈F(xiàn)異常長大，一般認為這種現(xiàn)象與形變織構(gòu)有關(guān)。這種現(xiàn)象只有在特殊條件下產(chǎn)生，不是普遍現(xiàn)象。預(yù)先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響第三十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二拉深零件，A區(qū)未變形，B區(qū)變形很大，C區(qū)的變形量剛好在臨界變形度范圍。再結(jié)晶退火后，A區(qū)晶粒大小不變，B區(qū)晶粒細化，C區(qū)晶粒顯著粗化。第三十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二

④原始的晶粒度原始晶粒度越細，單位體積晶界總面積越多，晶界往往是再結(jié)晶形核的有利區(qū)域，再結(jié)晶后晶粒越細。

③金屬的純度金屬中雜質(zhì)或合金元素，尤其是高熔點元素，阻礙晶界的遷移，細化晶粒。第四十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二六、再結(jié)晶的應(yīng)用——再結(jié)晶退火目的：①中間退火：消除加工硬化效果；冷拔鐵鉻鋁電阻絲生產(chǎn)中在氫氣保護下再結(jié)晶退火。②細晶強化（如Al、Cu等）：冷塑性變形+再結(jié)晶退火→細小的再結(jié)晶晶粒。第四十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二生產(chǎn)中把消除加工硬化現(xiàn)象、恢復(fù)金屬塑性變形能力的熱處理工藝稱為再結(jié)晶退火。為縮短熱處理時間，實際再結(jié)晶退火溫度比最低再結(jié)晶溫度通常高出100-200℃。第四十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二再結(jié)晶階段剛剛完成時，得到的是無畸變細小的等軸晶粒。若繼續(xù)提高退火溫度或延長保溫時間，就會發(fā)生晶粒的長大現(xiàn)象。晶粒長大分為兩種類型：晶粒均勻連續(xù)的正常長大和晶粒不均勻不連續(xù)的異常長大（又稱為二次再結(jié)晶）。7.4晶粒長大第四十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二再結(jié)晶完成后的晶粒是細小的，隨加熱溫度↑，保溫時間t↑，晶粒發(fā)生長大現(xiàn)象。①界面減少：細晶→粗晶；②界面能，與界面形態(tài)有關(guān)

┗平直晶界最穩(wěn)定一、晶粒的正常長大晶粒的長大是一種自發(fā)過程，其驅(qū)動力是晶粒長大前后總的界面能差。細晶粒晶界多，界面能高。長大過程中，晶粒變大，則晶界的總面積減小，總界面能降低。所以細晶長大是一個自由能降低的自發(fā)過程第四十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二晶界的驅(qū)動力與界面能和晶界的曲率有關(guān)。在長大過程中，驅(qū)動力與界面能成正比，與曲率半徑成反比。即界面能越大，曲率半徑越小，晶界移動的驅(qū)動力越大。在足夠高的溫度下，原子具有較高的擴散能力，原子不斷的由一個晶粒向另一個晶粒擴散，原子運動的結(jié)果，界面朝著原子運動的反方向運動，晶界趨于平直化。第四十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二影響晶粒長大的因素（1）加熱溫度

T↑，晶粒長大速度越快。

原因：晶界遷移過程就是原子擴散過程。原子擴散能力強，晶界遷移容易進行。（2）合金元素、雜質(zhì)

雜質(zhì)及合金元素均阻礙晶界運動→細化晶粒。晶粒長大是通過晶界遷移來實現(xiàn)的。第四十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二如：燈泡鎢絲中加釷形成彌散分布的ThO2);阻止鎢絲高溫下晶粒長大，提高燈絲壽命。如：鋼中加少量的Al、Ti、V、Nb，形成第二相質(zhì)點，保持本質(zhì)細晶粒度鋼，。彌散的第二相質(zhì)點阻礙晶界運動→細化晶粒。

第二相愈彌散、愈細小、數(shù)量愈多，→細化效果愈明顯。（3）第二相質(zhì)點第四十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而界面移動的驅(qū)動力與界面能成正比，因此前者的遷移速度要小于后者。（4）相鄰晶粒的位向差第四十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二再結(jié)晶晶粒通常緩慢均勻長大，但如果有少數(shù)晶粒處在特別有利的環(huán)境，具有特別大的長大能力，它們將逐步吞食周圍大量的小晶粒，迅速長大，尺寸超過原始晶粒的幾十甚至上百倍。早期的研究以為異常長大也是形核和長大過程，因此稱為“二次再結(jié)晶”。二、晶粒的異常長大大量研究表明，異常長大的實質(zhì)是一次再結(jié)晶后某些晶粒處于特殊環(huán)境而優(yōu)先長大，實際不存在再次形核的過程。某些金屬經(jīng)過嚴重的冷變形后，在較高溫度下退火時，可能發(fā)生晶粒的異常長大現(xiàn)象，得到晶粒異常粗大的組織，使金屬的強度、硬度、塑性、韌性等機械性能顯著降低。這是一種不均勻、不連續(xù)的長大過程。第四十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二晶粒的異常長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞食周圍大量小晶粒的過程。嚴格說來是在特殊條件的晶粒長大過程，并非再結(jié)晶。原子穿過晶界擴散晶界遷移方向第五十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二二次再結(jié)晶的基本條件:晶粒正常長大過程被(彌散的夾雜物、第二相粒子、織構(gòu)等）強烈阻礙。二次再結(jié)晶的驅(qū)動力：界面能的差異。高純Fe-Si箔材于1200℃真空退火時所產(chǎn)生的二次再結(jié)晶現(xiàn)象第五十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二二次再結(jié)晶的特點:一次再結(jié)晶完成后，在繼續(xù)加熱或保溫時，絕大多數(shù)晶粒長大緩慢，只有少數(shù)晶粒長大異常迅速，造成晶粒大小越來越懸殊，從而更加有利于大晶粒吞食周圍的小晶粒。高純Fe-Si箔材于1200℃真空退火時所產(chǎn)生的二次再結(jié)晶現(xiàn)象第五十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二異常長大導(dǎo)致晶粒分布嚴重不均，對產(chǎn)品性能非常有害。零件服役時往往在粗大晶粒處產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致零件的破壞。在制定材料的再結(jié)晶退火時應(yīng)避免二次再結(jié)晶。異常長大導(dǎo)致晶粒分布嚴重不均，長大后期可能造成材料晶粒尺寸過于粗大，對材料的性能帶來十分不利的影響，使機械性能降低，尤其是塑性和韌性。第五十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二7.5金屬的熱加工金屬學(xué)中冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃分。在再結(jié)晶溫度以下的加工稱為冷加工。在再結(jié)晶溫度以上的加工稱為熱加工。一、熱加工與冷加工的區(qū)別第五十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二實質(zhì)：是否有再結(jié)晶軟化過程。衡量依據(jù)：T再。

如Fe的再結(jié)晶溫度為451℃，其在400℃以下的加工為冷加工。如Sn的再結(jié)晶溫度為-71℃，其在室溫下的加工為熱加工。如W的再結(jié)晶溫度為1200℃，其在1000℃的加工為冷加工。第五十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二鋼材的塑性加工通常在單相奧氏體區(qū)進行，因為此時鋼材的塑性好。鋼材熱加工過程中，金屬內(nèi)部發(fā)生塑性變形引起加工硬化的同時，發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶的軟化過程，即加工硬化和回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個相反的過程同時發(fā)生，即發(fā)生所謂的動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶過程。動態(tài)回復(fù)：在塑變過程中發(fā)生的回復(fù)。動態(tài)再結(jié)晶：在塑變過程中發(fā)生的再結(jié)晶。二、動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶第五十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期二金屬熱加工后的組織和性能受到熱加工時硬化和軟化的影響。當(dāng)形變度大而加熱溫度低時，由變形引起的硬化工程占優(yōu)勢，隨著加工過程的進行，金屬強度、硬度上升，塑性逐漸下降。當(dāng)形變度較小而加熱溫度較高時，再結(jié)晶和晶粒長大占優(yōu)勢。與靜態(tài)再結(jié)晶過程相似，動態(tài)再結(jié)晶也是形核和長大的過程。動態(tài)再結(jié)晶是邊加工邊發(fā)生再結(jié)晶