第六章-回復(fù)與再結(jié)晶

1,冷加工變形：加工硬化，可使位錯(cuò)數(shù)量增加，金屬的強(qiáng)度和硬度增加,冷加工缺點(diǎn)：內(nèi)應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力在金屬零件進(jìn)一步加工和使用過程中往往會(huì)產(chǎn)生不應(yīng)有的變形，使用中也會(huì)由于大氣環(huán)境與內(nèi)應(yīng)力的共同作用，造成零件的應(yīng)力腐蝕；冷加工也可能使電阻率增加等。這時(shí)金屬處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。,2,奧氏體不銹鋼易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。即在特定合金-環(huán)境體系中，應(yīng)力與腐蝕共同作用引起的破壞。應(yīng)力腐蝕易在含Cl的介質(zhì)中發(fā)生，裂紋為樹枝狀。,3,第六章回復(fù)與再結(jié)晶Recoveryandrecrystallization,消除的方法退火處理。退火可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程。,4,recovery,recrystallization,graingrowth,6.1冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化,冷變形金屬在加熱時(shí)的組織變化,5,冷變形金屬在加熱時(shí)的組織變化,回復(fù)recovery是指新的無畸變晶粒出現(xiàn)前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和性能變化的階段，在金相顯微鏡中無明顯變化，仍保持原有的變形晶粒形貌，若通過TEM，則可觀察到位錯(cuò)組態(tài)或亞結(jié)構(gòu)已開始發(fā)生變化。,recovery,recrystallization,graingrowth,6,冷變形金屬在加熱時(shí)的組織變化,recovery,recrystallization,graingrowth,再結(jié)晶recrystallization是指出現(xiàn)無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程。在開始階段，在畸變較大的區(qū)域里產(chǎn)生新的無畸變的晶粒核心，即再結(jié)晶的形核過程；然后通過逐漸消耗周圍變形晶粒而長大，轉(zhuǎn)變成為新的等軸晶，直至冷變形晶粒完全消失。,7,冷變形金屬在加熱時(shí)的組織變化,recovery,recrystallization,graingrowth,晶粒長大graingrowth是指再結(jié)晶結(jié)束后晶粒的長大過程，在晶界界面能的驅(qū)動(dòng)下，新晶粒會(huì)發(fā)生合并長大，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的尺寸。,8,冷變形金屬在加熱時(shí)的性能變化,A：強(qiáng)度、硬度和塑性strength,hardnessandductility：回復(fù)階段變化非常小，再結(jié)晶時(shí)硬度降低，塑性升高，晶粒長大后趨于緩慢。,9,B：電阻率resistivity：其大小與點(diǎn)陣中的點(diǎn)缺陷密切相關(guān)，隨溫度升高，空位濃度下降，故電阻率呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢(shì)。,C：內(nèi)應(yīng)力innerstress：回復(fù)之后，宏觀內(nèi)應(yīng)力基本消除，微觀內(nèi)應(yīng)力部分消除；再結(jié)晶后，冷變形造成的內(nèi)應(yīng)力全部消除。,D：密度density：密度在再結(jié)晶階段急劇增加，主要是由于此時(shí)位錯(cuò)密度顯著降低造成的。,E：儲(chǔ)能的釋放energyrelease：當(dāng)加熱到足以引起應(yīng)力松弛的溫度時(shí)，儲(chǔ)能就釋放出來，再結(jié)晶階段儲(chǔ)能釋放最多，達(dá)到峰值。,10,黃銅的回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大,（a）是黃銅冷加工變形量達(dá)到CW38后的組織，可見粗大晶粒內(nèi)的滑移線。（b）經(jīng)過580C保溫3秒后，試樣上開始出現(xiàn)白色小的顆粒，即再結(jié)晶出的新的晶粒。（c）是在580C保溫4秒后，顯示有更多新的晶粒出現(xiàn)。（d）在580C保溫8秒后，粗大的帶有滑移線的晶粒已完全被細(xì)小的新晶粒所取代，即完成了再結(jié)晶。（e）是保溫15分后的金相組織。晶粒已有所長大。（f）則是在700C保溫10分后晶粒長大的情形。,11,退火溫度與黃銅強(qiáng)度、塑性和晶粒大小的關(guān)系,退火溫度愈高晶粒長得愈大，拉伸強(qiáng)度下降得愈多，塑性則增加得愈多。,12,回復(fù)是指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。,由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使其由冷塑性變形時(shí)的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，這一過程稱多邊形化polygonization。,5.2回復(fù)recovery,13,回復(fù)機(jī)理recoverymechanism,移至晶界、位錯(cuò)處點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)空位間隙原子消失缺陷密度降低空位聚集（空位群、對(duì)）,1低溫回復(fù)機(jī)制點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)！,14,異號(hào)位錯(cuò)相遇而抵銷位錯(cuò)密度降低位錯(cuò)滑移位錯(cuò)纏結(jié)重新排列亞晶規(guī)整化,2中溫回復(fù)機(jī)制位錯(cuò)滑移！,15,位錯(cuò)攀移（滑移）位錯(cuò)垂直排列（亞晶界）多邊化（亞晶粒）彈性畸變能降低。,3高溫回復(fù)機(jī)制位錯(cuò)攀移和滑移！,16,回復(fù)動(dòng)力學(xué)recoverykinetics,R屈服強(qiáng)度回復(fù)率m變形后屈服強(qiáng)度r回復(fù)后屈服強(qiáng)度0原始態(tài)的屈服強(qiáng)度,（1-R）愈小，即R愈大，則回復(fù)程度愈大；回復(fù)過程無孕育期，加熱立刻開始回復(fù)；初期的回復(fù)速率大，隨后逐漸變慢；長時(shí)間退火后，性能出現(xiàn)一平衡值；預(yù)變形量愈大，起始回復(fù)速率愈大。,17,在回復(fù)階段，金屬組織變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱去應(yīng)力退火reliefannealing。,18,回復(fù)階段退火的作用：提高擴(kuò)散促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)釋放內(nèi)應(yīng)變能,回復(fù)退火產(chǎn)生的結(jié)果：電阻率下降硬度、強(qiáng)度下降不多降低內(nèi)應(yīng)力,19,當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀：破碎拉長的晶粒等軸晶粒。這種冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過程稱再結(jié)晶。,再結(jié)晶是一個(gè)晶核形成和長大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。,5.3再結(jié)晶recrystallization,20,由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。,驅(qū)動(dòng)力：變形金屬經(jīng)回復(fù)后未被釋放的儲(chǔ)存能（相當(dāng)于變形總儲(chǔ)能的90%）。,新晶粒長大通過短程擴(kuò)散，再結(jié)晶程度依賴于溫度和時(shí)間。,再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力？,21,22,新晶粒的形核,形核：是在現(xiàn)存的局部高能區(qū)域內(nèi)，以多邊化形成的亞晶為基礎(chǔ)形核,變形程度較小時(shí)（小于20%），各晶粒間由于變形不均勻而引起位錯(cuò)密度不同，相應(yīng)亞晶尺寸不同，為降低系統(tǒng)的自由能，位錯(cuò)密度小的晶粒中的亞晶通過晶界凸入另外晶粒中，以吞食方式開始形成無畸變的再結(jié)晶晶核。,1.晶界弓出形核（應(yīng)變誘導(dǎo)晶界移動(dòng)、凸出形核）,形核機(jī)制,23,2.亞晶形核：變形程度較大時(shí)發(fā)生此機(jī)制，又分為兩種,（a）亞晶合并機(jī)制：相鄰亞晶界上的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)通過解離、拆散、位錯(cuò)的攀移、滑移，逐漸轉(zhuǎn)移到周圍其它亞晶界上，導(dǎo)致亞晶合并。（b）亞晶遷移機(jī)制：位錯(cuò)密度較大的亞晶界，向位向差較大的周圍亞晶方向遷移，并逐漸轉(zhuǎn)化為大角晶界，成為成核中心并長大。,（a）,（b）,24,再結(jié)晶的形核率和長大速率,再結(jié)晶的形核率是指單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的再結(jié)晶核心的數(shù)目，一般用N表示；晶核一旦形成便會(huì)繼續(xù)長大至相鄰晶粒彼此相遇，長大速率用G表示。,25,變形程度的影響：冷變形越大，儲(chǔ)能越多，驅(qū)動(dòng)力越大，長大越快，T再越低,再結(jié)晶的形核與長大都受到儲(chǔ)存能的驅(qū)動(dòng)，主要影響因素有：,原始晶粒尺寸：晶粒越細(xì)，變形抗力越大，變形后的儲(chǔ)能越高，T再越低；,微量溶質(zhì)原子：易于位錯(cuò)交互作用，阻礙形核和長大，提高T再；,第二相粒子：可提高、或降低再結(jié)晶溫度；,退火工藝：加熱速度、加熱溫度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)的影響。,26,再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)vs.時(shí)間,約翰遜-梅厄（Johnson-Mehl）方程：,阿弗拉密（Avrami）方程：,假定條件：均勻成核、球形晶核，N、G不隨時(shí)間改變、恒溫,假定條件：均勻成核、球形晶核，N隨時(shí)間指數(shù)衰減、恒溫,27,再結(jié)晶與固態(tài)相變異同,再結(jié)晶的晶核不是新相，晶體結(jié)構(gòu)未變，而固態(tài)相變出現(xiàn)新相；固態(tài)相變傾向于晶界成核，而再結(jié)晶以亞晶為基礎(chǔ)；兩者動(dòng)力學(xué)過程相似。,固態(tài)相變,再結(jié)晶,28,再結(jié)晶溫度recrystallizationtemperature,定義1：冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度。定義2：工業(yè)生產(chǎn)中，以經(jīng)過大變形量（70%以上）的變形金屬，經(jīng)1h退火后完成再結(jié)晶（R95%）所對(duì)應(yīng)的溫度。,再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。,29,T再與的關(guān)系,影響再結(jié)晶溫度的因素：1、金屬的預(yù)先變形度：金屬預(yù)先變形程度越大,再結(jié)晶溫度越低。當(dāng)變形度達(dá)到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結(jié)晶溫度。,純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)之間的近似關(guān)系:T再(0.35-0.4)T熔，其中T再、T熔為絕對(duì)溫度K.金屬熔點(diǎn)越高,T再也越高.,T再=(T熔+273)0.4273，如Fe的T再=(1538+273)0.4273=451,Fe的再結(jié)晶溫度？,30,2、金屬的純度金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點(diǎn)元素起阻礙擴(kuò)散和晶界遷移作用，使再結(jié)晶溫度顯著提高.eg.C加入到純Fe中變成低C鋼，再結(jié)晶溫度變?yōu)?40。,3.原始晶粒尺寸：晶粒越細(xì)，再結(jié)晶溫度越低；4.第二相粒子：可提高、或降低再結(jié)晶溫度；,31,5、加熱速度和保溫時(shí)間,提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生,延長加熱時(shí)間,使原子擴(kuò)散充分,再結(jié)晶溫度降低。生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火recrystallizationannealing。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100200。,32,再結(jié)晶后晶粒的大小,由約翰遜-梅厄方程得再結(jié)晶晶粒尺寸d為：,33,預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響.當(dāng)變形度很小時(shí)，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶.當(dāng)變形達(dá)到210%時(shí)，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，易互相吞并和長大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個(gè)變形度稱臨界變形度。,1、預(yù)先變形度,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(shí)形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細(xì)而均勻，達(dá)到一定變形量之后，晶粒度基本不變。對(duì)于某些金屬，當(dāng)變形量相當(dāng)大時(shí)(90%)，再結(jié)晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認(rèn)為這與形成織構(gòu)有關(guān).,預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒度的影響,再結(jié)晶晶粒大小的控制（晶粒大小變形量關(guān)系圖）,34,2原始晶粒尺寸:晶粒越小，驅(qū)動(dòng)力越大，形核位置越多，使晶粒細(xì)化。3合金元素和雜質(zhì):增加儲(chǔ)存能，阻礙晶界移動(dòng)，有利于晶粒細(xì)化。4溫度:變形溫度越高，回復(fù)程度越大，儲(chǔ)存能減小，晶粒粗化；退火溫度越高，臨界變形度越小，晶粒粗大。,再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響,35,再結(jié)晶的應(yīng)用恢復(fù)變形能力改善顯微組織再結(jié)晶退火消除各向異性提高組織穩(wěn)定性再結(jié)晶退火溫度：T再100200。,36,黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大,580C保溫8秒后的組織,580C保溫15分后的組織,700C保溫10分后的組織,5.4再結(jié)晶后的晶粒長大graingrowth,再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個(gè)自發(fā)的過程。,37,驅(qū)動(dòng)力：界面能差長大方式：正常長大；異常長大（二次再結(jié)晶）,38,晶粒長大Graingrowth正常長大,正常長大：大多數(shù)晶粒幾乎同時(shí)長大，晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力是降低其界面能，晶粒界面的不同曲率是造成界面遷移的直接原因，界面總是向曲率中心的方向移動(dòng)。,晶粒長大示意圖,39,晶粒的長大是通過晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度，尤其是塑性和韌性降低。,40,影響晶粒長大的因素(1)溫度。溫度越高，晶界易遷移，晶粒易粗化。(2)分散相粒子。阻礙晶界遷移，降低晶粒長大速率。(3)雜質(zhì)與合金元素?！皻鈭F(tuán)”作釘扎晶界,不利于晶界移動(dòng)。(4)晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界，因而前者的移動(dòng)速率低于后者。,41,晶粒長大Graingrowth異常長大,異常長大（不連續(xù)晶粒長大、二次再結(jié)晶）：少數(shù)晶粒突發(fā)性不均勻長大，使晶粒之間尺寸差別顯著增大，直至這些迅速長大的晶粒完全相互接觸為止。,形成條件：正常晶粒長大過程被分散相粒子、織構(gòu)或表面熱蝕溝等強(qiáng)烈阻礙，能夠長大的晶粒數(shù)目較少，致使晶粒大小相差懸殊。,42,各向異性織構(gòu)明顯優(yōu)化磁導(dǎo)率對(duì)組織和性能的影響晶粒大小不均性能不均降低強(qiáng)度和塑韌性晶粒粗大提高表面粗糙度,43,金屬經(jīng)過塑性變形后,回復(fù),加工硬化,殘余應(yīng)力,退化處理,再結(jié)晶,晶粒長大,特點(diǎn),特點(diǎn)晶粒形核和長大再結(jié)晶溫度,長大特點(diǎn),44,再結(jié)晶退火的組織1再結(jié)晶織構(gòu):對(duì)于變形織構(gòu)的金屬及合金，退火可將形變織構(gòu)消除，也可形成新織構(gòu)。擇優(yōu)形核（沿襲形變織構(gòu)）擇優(yōu)生長（特殊位向的再結(jié)晶晶核快速長大）2退火孿晶:因晶界遷移出現(xiàn)層錯(cuò)形成的。,700C保溫10分后的組織,45,5.5金屬的熱加工,1冷加工與熱加工的區(qū)別,低于再結(jié)晶溫度的加工變形稱為冷加工,高于再結(jié)晶溫度的加工變形稱為熱加工,熱加工：加工硬化動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶,Fe的再結(jié)晶溫度為451，其在400以下仍為冷加工。而Sn的再結(jié)晶溫度為-71，則其在室溫下為熱加工。,軟化,抵消,46,自由鍛,47,金屬的冷熱加工,48,動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶1動(dòng)態(tài)回復(fù)：在塑變過程中發(fā)生的回復(fù)。2動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：在塑變過程中發(fā)生的再結(jié)晶。特點(diǎn)反復(fù)形核，有限長大，晶粒較細(xì)。包含亞晶粒，位錯(cuò)密度較高，強(qiáng)度硬度高。應(yīng)用：采用低的變形終止溫度、大的最終變形量、快的冷卻速度可獲得細(xì)小晶粒。,49,2熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響,熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹枝晶或拄狀晶破碎，從而使組織致密、成分均勻、晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高。,熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾