材料科學(xué)基礎(chǔ)-第六章-金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶

第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶Chapter6RecoveryandRecrystallizationofMetalsandAlloys主要內(nèi)容：冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化回復(fù)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大金屬的熱加工冷變形金屬在不同加熱溫度時(shí)組織和性能的變化第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.1冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化第一節(jié)冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化

金屬經(jīng)冷變形后，組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)恢復(fù)到變形前狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小，亞穩(wěn)定狀態(tài)可以維持相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。加熱可以增加原子擴(kuò)散能力,金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。與此同時(shí)，變形金屬的組織與性能也發(fā)生相應(yīng)的變化?；貜?fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力：冷變形后保留在金屬內(nèi)部的畸變能，或稱儲(chǔ)存能。一、顯微組織的變化第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.1冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化軸小晶粒，并隨時(shí)間的延長(zhǎng)不斷長(zhǎng)大，直至伸長(zhǎng)的晶粒完全轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌牡容S晶粒為止。3.晶粒長(zhǎng)大階段再結(jié)晶過(guò)程中形成的等軸晶粒逐步相互吞并而長(zhǎng)大，直至達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的尺寸。1.回復(fù)階段顯微組織幾乎沒有發(fā)生變化，晶粒仍保持冷變形后的伸長(zhǎng)狀態(tài)。2.再結(jié)晶階段在變形的晶粒內(nèi)部開始出現(xiàn)新的等冷變形金屬顯微組織隨加熱溫度和時(shí)間的變化

二、儲(chǔ)存能及內(nèi)應(yīng)力的變化第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.1冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化

1.儲(chǔ)存能的變化冷變形造成的偏離平衡位置大、能量較高的原子，在加熱過(guò)程中向能量較低的平衡位置遷移，使內(nèi)應(yīng)力得以松弛，儲(chǔ)存能隨之逐漸釋放出來(lái)。2.殘余內(nèi)應(yīng)力的變化在回復(fù)階段，第一類內(nèi)應(yīng)力得到較為充分的消除，第二類或第三類內(nèi)應(yīng)力部分得到消除。在再結(jié)晶階段，因冷變形造成的殘余內(nèi)應(yīng)力得以完全消除。冷變形金屬在加熱過(guò)程中能量的釋放1－純金屬；2－不純金屬；3－合金。

三、性能的變化第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.1冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化

1.回復(fù)階段的變化硬度和強(qiáng)度略有下降，塑性和韌性略有提高，電阻率較顯著地降低，應(yīng)力腐蝕傾向顯著減小?；貜?fù)階段位錯(cuò)密度減少有限，但點(diǎn)缺陷數(shù)量明顯降低，導(dǎo)致上述性能的變化。2.再結(jié)晶階段的變化硬度和強(qiáng)度顯著下降，塑性和韌性顯著提高，電阻率顯著地降低。再結(jié)晶階段位錯(cuò)密度下降明顯，點(diǎn)缺陷繼續(xù)減少，導(dǎo)致上述性能變化。冷拉伸變形后的工業(yè)純銅在加熱時(shí)性能的變化第二節(jié)回復(fù)（Recovery）回復(fù)是冷變形金屬在較低溫度加熱時(shí)，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能變化的過(guò)程。第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.2回復(fù)式中，t－加熱時(shí)間；x－冷變形導(dǎo)式中，Q－回復(fù)激活能；R－氣體常數(shù)；c0－比例常數(shù)；T－絕對(duì)溫度。在－50C進(jìn)行約8%剪切變形的鋅單晶，在不同溫度加熱后的性能變化一、回復(fù)動(dòng)力學(xué)冷變形金屬在恒溫下回復(fù)時(shí)，開始階段的性能回復(fù)速度最快，然后隨回復(fù)量的增加而逐漸減慢?；貜?fù)的特征可用下式表達(dá)：致的性能增量經(jīng)加熱后的殘留分?jǐn)?shù)；c－與材料和溫度有關(guān)的比例常數(shù)，由下式?jīng)Q定：將后式代入前式并積分，以x0表示開始時(shí)性能增量的殘留分?jǐn)?shù)，則得：第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.2回復(fù)回復(fù)的速度隨溫度升高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。舉例：采用不同的溫度加熱冷變形金屬使之回復(fù)到同樣的程度（即殘留分?jǐn)?shù)相同），則所需時(shí)間不同?；驈那皥D和上式可求得鋅單晶的回復(fù)激活能Q=20000cal/gmol，鋅單晶在0Ｃ回復(fù)到殘留75％的加工硬化需要５分鐘，則鋅單晶在27Ｃ回復(fù)到殘留75％的加工硬化需要的時(shí)間為：或同樣可以計(jì)算出在－50

C時(shí)回復(fù)到殘留75％的加工硬化需要約13天。分。（R=2cal/gmol·K）第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.2回復(fù)二、回復(fù)機(jī)制1.低溫回復(fù)低溫回復(fù)是冷變形產(chǎn)生的過(guò)量空位消失，點(diǎn)缺陷密度明顯下降的過(guò)程?；貜?fù)機(jī)制：空位聚集成空位片，然后崩塌成位錯(cuò)環(huán)位錯(cuò)環(huán)空位與間隙原子的合并

①空位遷移到金屬的自由表面或晶界處而消失；②空位與間隙原子合并，空位與間隙原子同時(shí)消失；③空位與位錯(cuò)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(cuò)環(huán)而消失。第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.2回復(fù)2.中溫回復(fù)中溫回復(fù)是位錯(cuò)主要以滑移方式運(yùn)動(dòng)，以及位錯(cuò)發(fā)生重新排列，位錯(cuò)密度略有下降的過(guò)程?；貜?fù)機(jī)制：①位錯(cuò)滑移，導(dǎo)致位錯(cuò)重新組合排列；

②位于同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)相互吸引，會(huì)聚后而互相抵消。在中溫下，處于同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)要實(shí)現(xiàn)會(huì)聚所需的激活能較小，可以發(fā)生。不在同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)要會(huì)聚而互相抵消，則必須先通過(guò)攀移或交滑移至同一滑移面上才能得以實(shí)現(xiàn)。顯然這一過(guò)程需要更大的激活能，即需要更高的溫度，這在中溫下難以發(fā)生。第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.2回復(fù)3.高溫回復(fù)高溫回復(fù)是位錯(cuò)攀移和滑移，發(fā)生多邊化，使不規(guī)則的位錯(cuò)重新分布，形成穩(wěn)定的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成亞結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)密度下降，畸變能顯著降低的過(guò)程?；貜?fù)機(jī)制：多邊化（Polygonization）。多邊化前多邊化后位錯(cuò)墻多邊化過(guò)程刃位錯(cuò)通過(guò)攀移和滑移排列成位錯(cuò)墻多邊化過(guò)程是一種熱激活過(guò)程。第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.2回復(fù)三、回復(fù)過(guò)程中亞結(jié)構(gòu)的變化經(jīng)冷變形的金屬，顯微組織中形成了胞狀亞結(jié)構(gòu)，在胞壁處位錯(cuò)密度很高?；貜?fù)過(guò)程中，胞狀亞結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化：

①胞壁內(nèi)位錯(cuò)密度有所下降；②彎曲的位錯(cuò)逐漸伸直；③位錯(cuò)纏結(jié)逐漸轉(zhuǎn)變成能量較低的穩(wěn)定的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)；④胞壁變得較清晰，成為亞晶界；⑤位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生分解，并入更穩(wěn)定的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)中，使亞晶粒聚合而長(zhǎng)大?；貜?fù)前的冷變形狀態(tài)回復(fù)0.1小時(shí)回復(fù)50小時(shí)回復(fù)300小時(shí)經(jīng)5%冷變形的純鋁在200C回復(fù)的亞結(jié)構(gòu)變化纏結(jié)位錯(cuò)伸直了的位錯(cuò)位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)大的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)四、回復(fù)的應(yīng)用去應(yīng)力退火（Stress-reliefAnnealing）：將已經(jīng)加工硬化的金屬在較低的溫度下加熱，使其內(nèi)應(yīng)力基本消除，耐應(yīng)力腐蝕性提高，同時(shí)又保持加工硬化的工藝方法。舉例：①深沖成形的黃銅彈殼，經(jīng)260C的去應(yīng)力退火，充分消除殘余內(nèi)應(yīng)力，避免發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。如果不進(jìn)行去應(yīng)力退火，彈殼在放置一段時(shí)間后，由于內(nèi)應(yīng)力的作用，加上外界氣氛對(duì)晶界的腐蝕，導(dǎo)致發(fā)生晶間開裂（稱為“季裂”）。②冷卷彈簧制品，在成型后進(jìn)行一次250～300C的低溫加熱，充分消除殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，同時(shí)保持其強(qiáng)度和硬度基本不變。如果不進(jìn)行去應(yīng)力退火，彈簧尺寸會(huì)發(fā)生變化。第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.2回復(fù)第三節(jié)再結(jié)晶（Recrystallization）再結(jié)晶是冷變形金屬在加熱到一定溫度后，在已變形組織中重新產(chǎn)生無(wú)畸變的新晶粒，性能發(fā)生明顯的變化，并恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)的過(guò)程。

加熱前625℃加熱（不完全再結(jié)晶）

670℃加熱（完全再結(jié)晶）

第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.3再結(jié)晶無(wú)畸變的再結(jié)晶晶粒在變形組織中形核，然后長(zhǎng)大，最后完全取代變形的晶粒。

第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.3再結(jié)晶回復(fù)和再結(jié)晶對(duì)冷變形金屬性能的影響經(jīng)過(guò)再結(jié)晶，冷變形所導(dǎo)致的各種性能改變基本消失，加工硬化被消除，內(nèi)應(yīng)力得到充分釋放，電阻率降低到變形前的水平。第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.3再結(jié)晶一、再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)再結(jié)晶具有典型的形核－長(zhǎng)大過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征：等溫下，再結(jié)晶速度開始時(shí)很小，隨再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)的增加而增大，并在50%處達(dá)到最大，然后又逐漸減小。經(jīng)98%冷軋的純銅（99.999%Cu）在不同溫度下的等溫再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)曲線第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.3再結(jié)晶式中，

V－在t時(shí)間已經(jīng)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)；B、K－常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)決定。等溫再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程：或結(jié)論：冷變形金屬在加熱發(fā)生再結(jié)晶時(shí)，溫度越高，再結(jié)晶進(jìn)行得越快，產(chǎn)生一定體積分?jǐn)?shù)再結(jié)晶所需的時(shí)間也越短。（溫度恒定）等溫下，時(shí)間越長(zhǎng)，再結(jié)晶進(jìn)行得越充分。再結(jié)晶速度與溫度的關(guān)系：式中：v再－再結(jié)晶的速度；QR－再結(jié)晶的激活能；

R－氣體常數(shù)；T－絕對(duì)溫度；A－比例常數(shù)。再結(jié)晶是一種熱激活過(guò)程，溫度越高，再結(jié)晶進(jìn)行得越快。舉例：第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.3再結(jié)晶采用不同的溫度加熱冷變形金屬使之再結(jié)晶到同樣的程度（即再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)相同），溫度越高，所需時(shí)間越短。再結(jié)晶的速度與產(chǎn)生一定再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)所需的時(shí)間t成反比。則：H70黃銅(含30%Zn)分別在400C和390C下完成再結(jié)晶所需要的時(shí)間：

400C下需要1小時(shí)，390C下需要1.97小時(shí)。H70黃銅的再結(jié)晶激活能為251kJ/gmol。或（2.3lgx=lnx）第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.3再結(jié)晶二、再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大再結(jié)晶的核心(晶核)在變形造成的最大畸變處形成，隨后進(jìn)一步長(zhǎng)大。1.形核①亞晶形核機(jī)制亞晶形核主要發(fā)生在經(jīng)較大冷變形金屬的再結(jié)晶過(guò)程中。亞晶合并形核通過(guò)亞晶粒之間的亞晶界消失，使亞晶合并而長(zhǎng)大成再結(jié)晶的核心。亞晶直接長(zhǎng)大形核通過(guò)亞晶界的移動(dòng)，吞并相鄰的變形基體和亞晶而長(zhǎng)大成再結(jié)晶的核心。亞晶粒合并形核機(jī)制亞晶直接長(zhǎng)大形核機(jī)制第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.3再結(jié)晶②晶界凸出形核機(jī)制（晶界弓出形核機(jī)制）晶界凸出形核主要發(fā)生在經(jīng)較小冷變形金屬的再結(jié)晶過(guò)程中。變形程度小，變形很不均勻，各晶粒中的位錯(cuò)密度不同，則亞晶粒的大小也有所不同，因此，晶界中的某一段就會(huì)向亞晶細(xì)小、位錯(cuò)密度高的一側(cè)弓出，被這段晶界掃過(guò)的區(qū)域，位錯(cuò)密度下降，成為無(wú)畸變的晶體，即再結(jié)晶的核心。晶界凸出形核機(jī)制具有亞晶粒組織晶粒間的凸出形核機(jī)制在晶界處A晶粒中的某些亞晶粒能通過(guò)晶界遷移而凸入B晶粒中，借消耗B中的亞晶而生長(zhǎng)，從而形成再結(jié)晶的核心。第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.3再結(jié)晶2.長(zhǎng)大再結(jié)晶晶核形成之后，即借界面的移動(dòng)向周圍畸變區(qū)域長(zhǎng)大。①再結(jié)晶晶核長(zhǎng)大（晶界遷移）的驅(qū)動(dòng)力無(wú)畸變的新晶粒與周圍畸變的舊晶粒之間的畸變能差。②晶界的遷移方向晶界總是背離其曲率中心，向著畸變區(qū)域推進(jìn)，直至全部形成無(wú)畸變的等軸晶粒為止，再結(jié)晶即告完成。三、再結(jié)晶溫度及其影響因素1.再結(jié)晶溫度冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過(guò)程，沒有恒定的轉(zhuǎn)變溫度。再結(jié)晶溫度可定義為：經(jīng)過(guò)大變形量（變形度70%以上）冷變形的金屬，保溫1h能夠完成再結(jié)晶（

V≥95%）的溫度。第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.3再結(jié)晶再結(jié)晶溫度的經(jīng)驗(yàn)公式：高純金屬：T再＝(0.25～0.35)Tm工業(yè)純金屬：T再＝(0.35～0.45)Tm合金：T再＝(0.4～0.9)Tm2.影響再結(jié)晶溫度的因素①變形度冷變形度越大，T再越低。②原始晶粒度變形金屬的晶粒越小，T再越低。③金屬的純度純度越高，T再越低。④加熱速度和保溫時(shí)間加熱速度緩慢和極快，均使T再升高。保溫時(shí)間越長(zhǎng)，T再越低。T再－再結(jié)晶溫度；Tm－熔點(diǎn)。冷變形度與開始再結(jié)晶溫度的關(guān)系FeAl第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.3再結(jié)晶四、再結(jié)晶后的晶粒大小式中：d－再結(jié)晶晶粒的平均直徑；－形核率；

G－長(zhǎng)大線速度；K－比例常數(shù)。1.再結(jié)晶后的晶粒尺寸2.影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素①變形度變形度較小不發(fā)生再結(jié)晶，晶粒保持原狀、大小。變形度達(dá)到2～10%再結(jié)晶后的晶粒異常粗大。

2～10%的變形度稱為臨界變形度。變形度超過(guò)臨界變形度變形度越大，晶粒越細(xì)小。冷變形度對(duì)再結(jié)晶后晶粒大小的影響第六章金屬及合金的回復(fù)與再結(jié)晶－§6.3再結(jié)晶②加熱（退火）溫度和保溫時(shí)間退火溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒越粗大。Cu-35Zn退火溫度與晶粒尺寸的關(guān)系含碳0.06%的低碳鋼變形度及退火溫度對(duì)再結(jié)晶后晶粒大小的影響③原始晶粒尺寸當(dāng)變形度一定時(shí)