金屬學與熱處理第五章

關于金屬學與熱處理第五章引言形變儲能彈性應變能(3~12%)晶格畸變能(80~90%)退火將材料加熱到一定溫度保持一定時間的熱處理工藝，按目的又可分為去應力退火、成分均勻化退火等多種。形變儲能使金屬內能升高，處于熱力學亞穩(wěn)狀態(tài)。退火時，原子活動能力升高，形變金屬從亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉變，而形變儲能則是形變金屬退火過程中組織變化的驅動力。第2頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化1.1回復與再結晶回復冷變形金屬低溫加熱時，顯微組織無可見變化，但其物理、力學性能卻部分恢復到冷變形以前的過程。再結晶冷變形金屬被加熱到適當溫度時，在變形組織內部新的無畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強化效應完全消除的過程。第3頁,共54頁，2024年2月25日，星期天回復階段：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化；再結晶階段：變形晶粒通過形核長大，逐漸轉變?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。1.2顯微組織變化第4頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1.2顯微組織變化第5頁,共54頁，2024年2月25日，星期天回復階段：強度、硬度略有下降，塑性略有提高。再結晶階段：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,塑性繼續(xù)提高，粗化嚴重時塑性也下降。密度:在回復階段變化不大，在再結晶階段急劇升高；電阻：電阻在回復階段可明顯下降。形變儲能：回復階段部分釋放，再結晶至長大初期完全釋放。1.3性能變化力學性能物理性能第6頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共54頁，2024年2月25日，星期天回復階段：大部分或全部消除第一類內應力，部分消除第二、三類內應力；再結晶階段：內應力可完全消除。1.4內應力變化第8頁,共54頁，2024年2月25日，星期天所謂回復，即在加熱溫度較低時，僅因金屬中的一些點缺陷和位錯的遷移而引起的某些晶內的變化?；貜碗A段一般加熱溫度在0.4Tm以下。第二節(jié)回復第9頁,共54頁，2024年2月25日，星期天低溫階段—點缺陷的遷移和減少,表現為:

空位與間隙原子的相遇而互相中和空位或間隙原子運動到刃位錯處消失，引起位錯的攀移點缺陷運動到界面處消失。中溫階段:纏結位錯重新組合;異號位錯抵消,位錯密度略有降低。亞晶粒長大。2.1回復機制第10頁,共54頁，2024年2月25日，星期天高溫階段回復：位錯攀移和位錯環(huán)縮??；亞晶粒合并；多邊化。

多邊化

是指冷變形金屬加熱時，原來處于滑移面上的位錯，通過滑移和攀移形成與滑移面垂直的亞晶界的過程。多變化的驅動力是彈性應變能的降低。2.1回復機制第11頁,共54頁，2024年2月25日，星期天上圖中硬化分數R表示為：R=(sm-sr)/(sm-s0)；sm、sr、s0分別為變形后、回復后以及完全退火后的屈服應力。2.2回復動力學冷變形材料性能的回復程度與回復處理的時間和溫度有關?；貜瓦^程是熱激活過程，轉變的速度決定于原子的活動能力。第12頁,共54頁，2024年2月25日，星期天降低應力（保持加工硬化效果）防止工件變形、開裂，提高耐蝕性。2.3回復應用去應力退火第13頁,共54頁，2024年2月25日，星期天冷變形后的金屬加熱到一定溫度(一般大于0.4Tm)或保溫足夠時間后，在原來的變形組織中產生了無畸變的新晶粒;新生成的晶粒逐漸全部取代塑性變形過的晶粒，位錯密度顯著降低，性能發(fā)生顯著變化并恢復到冷變形前的水平，這個過程稱為再結晶。再結晶的驅動力也是變形儲能的降低。第三節(jié)再結晶3.1再結晶的基本過程第14頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3.2再結晶形核再結晶的形核是個復雜的過程。最初人們嘗試用經典的形核理論來處理再結晶過程，但計算得到的臨界晶核半徑過大，與試驗結果不符。大量實驗表明，再結晶晶核總是在塑性變形引起的最大畸變處形成，并且回復階段發(fā)生的多邊形化是再結晶形核的必要準備。第15頁,共54頁，2024年2月25日，星期天回復階段，塑性變形所形成的胞狀組織經多邊化發(fā)展成亞晶，其中亞晶長大形核的方式有亞晶合并和亞晶界移動兩種機制。3.2.1亞晶粒長大形核機制亞晶粒長大形核一般在受大變形度的材料中發(fā)生。第16頁,共54頁，2024年2月25日，星期天a.亞晶合并機制相鄰亞晶界的位錯，通過滑移和攀移轉移到周圍晶界或亞晶界上，導致原來亞晶界的消失，最后通過原子擴散和位置的調整，使兩個或多個亞晶粒的取向變?yōu)橐恢?，合并成為一個大的亞晶粒，成為再結晶的晶核。第17頁,共54頁，2024年2月25日，星期天如上圖，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而成長為再結晶晶核。b.亞晶界移動機制第18頁,共54頁，2024年2月25日，星期天當金屬的變形度較小時，金屬變形是不均勻的。若晶界兩邊一個晶粒的位錯密度高，另一個位錯密度低，加熱時晶界會向密度高的一側突然移動，高密度一側的原子轉移到位錯低的一側，新的排列應為無畸變區(qū)，這個區(qū)域就是再結晶核心。3.2.2晶界凸出形核機制第19頁,共54頁，2024年2月25日，星期天和結晶形核方式類似，晶界彎曲后，一方面晶界的彎曲面因面積增加會增加界面能，另一方面形核區(qū)中原變形區(qū)內有應變能的釋放。3.2.2晶界凸出形核機制第20頁,共54頁，2024年2月25日，星期天晶界凸出形核現象在銅、鎳、銀、鋁及鋁-銅合金中曾直接觀察到。

第21頁,共54頁，2024年2月25日，星期天變形晶粒晶界附近的原子移動到新的未變形晶粒上，從而可以減少變形應變能，新晶粒不斷長大到相遇，最后全部為新晶粒，再結晶完成。

t0時間t半徑RdR/dt=G晶粒彼此接觸孕育期3.3核心的長大第22頁,共54頁，2024年2月25日，星期天原子結合力大，熔點高的材料，再結晶進行較慢；材料的純度，純凈材料如純金屬，進行較快，而溶入了其它元素，特別是易在晶界處存在聚集的元素時，將降低再結晶的速度；第二相質點特別是呈彌散分布時，將明顯降低再結晶的速度。材料因素3.4影響再結晶的因素第23頁,共54頁，2024年2月25日，星期天加熱溫度愈高，再結晶速度愈快；變形量大，彈性畸變能大，再結晶速度也快。工藝因素變形量過小，形變儲能不能滿足形核的基本要求時，再結晶就不能發(fā)生。發(fā)生再結晶需要一定的變形量，稱為臨界變形量δC，大多金屬材料的臨界變形量在2—10%之間。3.4影響再結晶的因素第24頁,共54頁，2024年2月25日，星期天再結晶剛完成時，得到的是等軸細晶粒組織。繼續(xù)提高退火溫度或延長保溫時間，就會發(fā)生晶粒相互吞并而長大的現象，晶粒長大包括均勻長大的正常長大過程和反常的長大過程。第四節(jié)晶粒長大第25頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4.1正常的晶粒長大4.1.1晶粒長大的動力晶粒的長大是一自發(fā)過程，其驅動力是降低其總界面能。長大過程中，晶粒變大，則晶界的總面積減小，總界面能也就減小。為減小表面能，晶粒長大的熱力學條件總是滿足的，長大與否還需滿足動力學條件，這就是界面的活動性。而溫度是影響界面活動性的最主要因素。第26頁,共54頁，2024年2月25日，星期天為降低表面能，彎曲晶界趨于平直化，即晶界向曲率半徑中心移動以減小表面積。ＩII當三個晶粒相交晶界夾角不等于120o時，則晶界總是向角度較銳的晶粒方向移動，力圖使三個夾角趨于相等。其原因是由于大角度晶界的表面張力與位向無關，幾乎相等，即TA=TB=TC，因此三夾角必須相等各為120oO’OIIIIIITATBTC4.1.2晶界移動的規(guī)律第27頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二維坐標中，晶界邊數少于6的晶粒（其晶界外凸）必然逐步縮小乃至消失。而邊數大于6的晶粒（晶界內凹）則逐漸長大。當晶界邊數為6時，晶界很平直且夾角為120o時，則晶界處于穩(wěn)定狀態(tài)，不再移動，要達到這樣的平衡狀態(tài)需要很長的保溫時間。4.1.2晶界移動的規(guī)律第28頁,共54頁，2024年2月25日，星期天可溶解雜質及合金元素

溶質原子都能阻礙晶界移動，特別是晶界偏聚(內吸附)顯著的原子，能有效降低晶界的界面能，拖住晶界使之不易移動，溫度很高時，吸附在晶界的溶質原子被驅散，其抑制作用減弱乃至消失。溫度：晶界移動速率Ｇ可表示為：G=G0exp(-QG/RT)；G0為常數，QG為晶界遷移激活能。通常一定溫度下晶粒長大到一定尺寸就不再長大了，提高溫度晶粒會繼續(xù)長大。4.1.3影響晶界移動的因素第29頁,共54頁，2024年2月25日，星期天小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而驅使界面移動的力又與界面能成正比，因此前者的遷移速度要小于后者。4.1.4影響晶界移動的因素

相鄰晶粒的位向差第30頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

不溶解的第二相rFfabfs周長＝2rcosf顆粒s晶界彌散的第二相質點對于阻礙晶界的運動有重要作用。右圖中當運動的晶界遇到球形(簡化起見)第二相質點時，第二相質點對晶界運動產生阻力Ｆ。如果達到平衡，則阻力Ｆ必須等于總張力在垂直方向的分力。晶界與質點接觸的周長為:L=2

rcosf;所以總張力為:2

rscosf；它在垂直方向的分量則應為：2rscosfsinb；而b

=90o－a＋f4.1.4影響晶界移動的因素第31頁,共54頁，2024年2月25日，星期天所以平衡時總阻力應為：F=2rscosfsin(90o－a＋f)=2rs

cosf

cos(a-f)對于固定材料體系和質點，質點和晶粒間的表面張力固定，a也不變，而f隨晶界與質點的相對位置而變化。對f求極值，令dF/df=0，則有：f=a/2，代入上述Ｆ表達式中可得：Ｆmax=2rs

cosf

cos(a-f)=2rscos2a/2=rs(1+cosa)若單位體積中二相質點個數為Nv，當單位面積的晶界移動2r距離時，橫切的顆粒數為：N=2rNv

不溶解的第二相rFfabfs周長＝2rcosf顆粒s晶界第32頁,共54頁，2024年2月25日，星期天因此作用在單位面積晶界上的總阻力為：F總=FmaxN=2r2s

Nv(1+

cosa)另一方面，對于球形晶粒（半徑為R），驅動其晶界移動的驅動力P為：P=2s/R阻力驅動力平衡時有：2s/R=2r2sNv(1+cosa)因此：

R=[r2

Nv

(1+cosa)]-1由于Nv為單位體積中二相質點個數,則其體積分數為：f=4

r3Nv

/3；將Nv換算成體積分數f代入得：若a角在遷移過程中保持不變，則：

不溶解的第二相第33頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

討論：

不溶解的第二相R是平衡狀態(tài)下的晶粒半徑，也即是該條件下晶粒長大的極限尺寸。晶粒長大的極限尺寸與二相顆粒的半徑成正比，與顆粒的體積分數成反比。二相顆粒愈細小，數量愈多，則對晶粒長大的阻滯能力愈強。二相顆粒對晶粒長大的阻礙作用主要取決于其大小和體積分數，而二相顆粒本身的性質影響相對較小，因為它只影響a值。應用實例：燈泡W絲中加ThO2質點；鋼中含有Al2O3或AlN質點、Mg中加入微量Zr，Al中含有MnAl6質點，均可明顯阻止加熱時晶粒的長大。第34頁,共54頁，2024年2月25日，星期天再結晶晶粒通常緩慢均勻長大，但如有少數晶粒處在特別有利的環(huán)境，它們將吞食周圍晶粒，迅速長大，這種現象稱為晶粒的異常長大。早期的研究以為異常長大也是形核和核心的生長過程，因此稱為“二次再結晶”4.2晶粒的非正常長大異常長大的實質是一次再結晶后的長大過程中，某些晶粒的環(huán)境特殊而產生的優(yōu)先長大，不存在再次形核過程。異常長大導致晶粒分布嚴重不均，長大后期可能造成材料晶粒尺寸過大，對材料的性能帶來十分不利的影響。第35頁,共54頁，2024年2月25日，星期天基本條件:正常晶粒長大過程被(第二分散相微粒、織構）強烈阻礙。驅動力：界面能變化。(不是重新形核)4.2晶粒的非正常長大第36頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

釘扎晶界的第二相溶于基體.

機制

再結晶織構中位向一致晶粒的合并.

大晶粒吞并小晶粒.對組織和性能的影響

織構明顯

各向異性

優(yōu)化磁導率

性能不均降低強度和塑韌性晶粒粗大提高表面粗糙度4.2晶粒的非正常長大第37頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

再結晶溫度再結晶后的晶粒尺寸其它組織變化第五節(jié)再結晶后的組織第38頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

5.1再結晶溫度再結晶并不是只能在固定的溫度以上才能發(fā)生，而是溫度愈高，轉變速度愈快。再結晶溫度定義為在一定時間內完成再結晶所對應的溫度，通常規(guī)定在一小時內再結晶完成95%所對應的溫度為再結晶溫度再結晶溫度與材料的類型、純度有關，而且和材料冷變形程度也有關。再結晶溫度隨著變形量的增加而降低，最終有一下限值，對于工業(yè)純金屬來講，經驗表明最低再結晶溫度在0.35TM左右，一般再結晶溫度用0.4TM來估計。第39頁,共54頁，2024年2月25日，星期天在臨界變形量以下，材料不發(fā)生再結晶，維持原來的晶粒尺寸；在臨界變形量附近，剛能形核，因核心數量很少而再結晶后的尺寸很大，有時甚至可得到單晶；一般情況隨著變形量的增加，再結晶后的晶粒尺寸不斷減??；當變形量過大(>70%)后，可能產生明顯織構，在退火溫度高時發(fā)生晶粒的異常長大。5.2影響再結晶后的晶粒尺寸因素1)預變形量第40頁,共54頁，2024年2月25日，星期天退火溫度高，完成再結晶用的時間少，長大的時間就長，所以隨退火溫度的提高而晶粒尺寸增大。再結晶退火一般均采用保溫2小時，保證再結晶充分完成而晶粒不過分長大，延長保溫時間顯然會造成晶粒尺寸的長大。5.2影響再結晶后的晶粒尺寸因素2)退火溫度和時間第41頁,共54頁，2024年2月25日，星期天5.2影響再結晶后的晶粒尺寸因素3)雜質無論是固溶于晶體內的異類原子，還是在材料組織中存在的第二相質點，特別是彌散分布時，都將促進再結晶后的晶粒細化。4)原始晶粒大小在其他條件相同時，材料變形前的晶粒尺寸愈細小，晶界面多，有利形核，再結晶后的晶粒也細小。5)變形溫度材料變形溫度較高，或再結晶退火前進行較有效的回復處理，因降低了畸變能，可使再結晶后的晶粒變粗。第42頁,共54頁，2024年2月25日，星期天應避免在臨界變形量；同時一次不宜進行過大的變形，防止產生組織織構或出現晶粒的異常長大；嚴格控制再結晶退火的溫度和保溫時間，以保證再結晶能充分完成而晶粒不過分長大。5.2影響再結晶后的晶粒尺寸因素控制方法再結晶晶粒尺寸和凝固結晶一樣，決定于形核率和長大速率的比值。為了防止再結晶后晶粒粗大，材料需要進行再結晶退火時：第43頁,共54頁，2024年2月25日，星期天有些結構的金屬及合金，再結晶退火后經常出現孿晶組織，這種孿晶稱為退火孿晶或再結晶孿晶。

5.3其他組織變化再結晶織構材料的冷變形程度較大，如果產生了變形織構，在再結晶后晶粒取向的遺傳，組織依然存在擇優(yōu)取向，這時的織構稱為再結晶織構。再結晶織構對進一步的加工不利。如沖壓再結晶銅板形成制耳。經常在Cu中加入少量P、Be、Cd、Sn等雜質預防。退火孿晶第44頁,共54頁，2024年2月25日，星期天熱加工熱加工時的軟化機制熱加工對材料組織性能的影響第六節(jié)金屬的熱加工第45頁,共54頁，2024年2月25日，星期天熱加工：再結晶溫度以上的加工稱為“熱加工”。溫加工：低于再結晶溫度高于室溫的加工。冷加工：室溫加工。6.1何謂熱加工？Sn的再結晶溫度低于室溫，因此室溫下對錫的加工即為熱加工。第46頁,共54頁，2024年2月25日，星期天在熱加工的溫度下，材料可以進行較快回復過程。它不同于靜態(tài)回復，材料在變形的同時，一方面變形在增加缺陷，另一方面以回復方式減少部分缺陷，某些性能因二者的同時作用可達到動態(tài)平衡，維持在某一固定的水平。

6.2熱加工時的軟化機制在高溫下，塑性變形的同時，發(fā)生組織結構的軟化，盡管軟化本身的方式也是屬于回復和再結晶，由于變形硬化和軟化同時發(fā)生，軟化具有自己的特點，熱加工時軟化有以下類型：1）動態(tài)回復第47頁,共54頁，2024年2月25日，星期天熱塑性變形再結晶方式形核超過臨界變形量核心長大長大的晶粒也在變形超過臨界量再次形核長大6.3熱加工時的軟化機制2）動態(tài)再結晶第48頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3）亞動態(tài)再結晶6.3熱加工時的軟化機制變形過程中形成的再結晶核心或長大未完成的小晶體，在變形過程停止后的繼續(xù)長大。4）靜態(tài)回復和靜態(tài)再結晶變形過程停止后，由于在較高的溫度下，這時所發(fā)生的回復過程和重新形核并長大的再結晶