金屬學熱處理部分第七

1、金屬材料及熱處理第三篇金屬的塑性變形與再結(jié)晶回復與再結(jié)晶·第七章Ø 本章主要內(nèi)容Ø 變形金屬退火時的組織與性能變化Ø 回復的過程、機理與應(yīng)用Ø 再結(jié)晶的過程、機理與應(yīng)用Ø 影響再結(jié)晶的因素Ø 晶粒長大的Ø 熱塑性與應(yīng)用的組織與性能2第七章回復與再結(jié)晶Ø 形變金屬處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)：Ø 吸收了一部分變形功Ø 晶體缺陷數(shù)量高Ø 存在殘余應(yīng)力Ø硬化狀態(tài)形變金屬有回到變形前組織與性能狀態(tài)的趨勢7.1形變金屬及合金在退火過程中的變化Ø 回復、再結(jié)晶、晶粒長大是形變

2、金屬退火時經(jīng)歷的基本過程Ø 1.顯微組織變化圖7-1回復、再結(jié)晶、晶粒長大過程示意圖42.儲存能與性能變化Ø 經(jīng)過回復與再結(jié)晶，材料的儲存能完畢，材料的組織與性能能夠逐漸恢復變形前的狀態(tài)。57.2回復Ø 回復Ø 指經(jīng)過冷變形的金屬在退火加熱的過程中，于再結(jié)晶過程開始之前、仍保留著變形態(tài)組織特點的階段。Ø 回復的驅(qū)動力是儲存能Ø 回復階段儲能部分。Ø 不同溫度，回復機制有差異。61.退火溫度和時間對回復過程的影響硬化分數(shù)1-R 表示回復進行的程度時：1- R = (s r -s 0) /(s m -s 0)0 ：充分退火材料的

3、強度用剩余m：塑性變形后材料的屈服強度r：經(jīng)歷一定回復退火材料的強度1-R越小，回復越充分71.退火溫度和時間對回復過程的影響圖7-4經(jīng)拉伸變形的純鐵在不同溫度退火時，屈服強度的回復動力學曲線Ø 一定溫度下回復時間越長，回復程度越大，但逐漸趨于極限值Ø 回復溫度越高，回復軟化程度越大，且達到極限程度的時間越短。87.2回復Ø 2.回復機理a低溫回復點缺陷的遷移點缺陷密度降低b中溫回復位錯在滑移面上運動位錯密度有所降低，纏結(jié)位錯重新排列c高溫回復位錯滑移、攀移多邊化及多邊形亞晶形成，亞晶粒增大910圖7-8純鋁多晶體（冷變形5%）在200回復退火時亞結(jié)構(gòu)變化的a）回

4、復退火前的冷變形狀態(tài)b）回復退火0.1h c）回復退火50hd）回復退火300h117.2回復Ø 2.回復機理a. 低溫回復點缺陷的遷移點缺陷密度降低b. 中溫回復位錯在滑移面上運動位錯密度有所降低，纏結(jié)位錯重新排列c. 高溫回復位錯滑移、攀移多邊化及多邊形亞晶形成，亞晶粒增大概括：回復過程中點缺陷數(shù)量降低；位錯密度下降不多， 但位錯的分布有變化，處于應(yīng)變能低的狀況。123.回復退火的應(yīng)用Ø 工業(yè)應(yīng)用：去應(yīng)力退火Ø 效果：保留腐蝕開裂硬化，降低應(yīng)力，防止應(yīng)力Ø 回復退火的溫度、時間可參考回復曲線制定137.3再結(jié)晶Ø 再結(jié)晶：Ø 指經(jīng)

5、過冷變形的金屬退火過程中，于變形的基體中重新生成無畸變的等軸狀的新晶粒的過程。再結(jié)晶的特點Ø 再結(jié)晶的驅(qū)動力是儲存能Ø 再結(jié)晶階段剩余儲能全部Ø硬化消除Ø 是形核與長大的過程，不改變晶體結(jié)構(gòu)再結(jié)晶的應(yīng)用Ø 消除硬化Ø 再結(jié)晶退火（中間退火）151.再結(jié)晶的形核Ø問題：變形嚴重的區(qū)域位錯密度高，而形成無缺陷的微區(qū)可以迅速降低能量。該微區(qū)可成為再結(jié)晶晶核的孕育地。16(1).晶界弓出形核塑性變形量<40%Ø 晶界兩側(cè)位錯密度差異較大Ø 晶界向位錯密度高側(cè)弓出后，可使儲存能下降，形成無畸變的圖7-10再結(jié)

6、晶形核機制示意圖c）凸出形核17(2)亞晶長大形核變形量大、均勻Ø 亞晶合并機制錯能金屬Ø 由于變形時有交滑移，位錯密度相對低Ø 亞晶通過各種作用合并，長大。亞晶界發(fā)展為大角度晶界，能迅速遷移Ø 晶界遷移時掃清前方位錯，留下無畸變的晶體成為再結(jié)晶18制低層錯能金屬Ø 亞晶移Ø 變形時沒有交滑移，位錯密度相對高。Ø 相鄰亞晶界位向差大，加熱時易遷移發(fā)展為大角度晶界。能迅速遷移，掃清前方位錯，留下無畸變的晶體成為再結(jié)晶。192.再結(jié)晶晶核長大再結(jié)晶形核結(jié)束后，會進一步長大。長大驅(qū)動力為新晶粒與舊晶粒之間的應(yīng)變能差。晶界背向其曲率

7、中心方向移動，直到消耗完所有的畸變晶粒形成無畸變的等軸新晶粒時再結(jié)晶完成203.再結(jié)晶溫度Ø 指冷變形金屬開始進行再結(jié)晶的最低溫度。Ø 規(guī)定：Ø 工業(yè)生產(chǎn)中則通常以經(jīng)過大變形量(70以上)的冷變形金屬，經(jīng)1h退火能完成再結(jié)晶(R95) 所對應(yīng)的溫度定為再結(jié)晶溫度。工業(yè)純金屬，經(jīng)強烈冷變形后的最低再結(jié)晶溫度TR/K=（0.350.4）TmKØ 中間退火的溫度高于最低再結(jié)晶溫度100-20021224.影響再結(jié)晶溫度的因素Ø (1) 變形程度增加冷塑性變形的程度可以降低再結(jié)晶溫度。存在一最低的再結(jié)晶溫度0.4Tm.23(2)微量溶質(zhì)原子Ø

8、 溶質(zhì)原子會阻礙位錯運動和晶界的遷移， 提高再結(jié)晶溫度。24(3) 原始晶粒原始組織細小，變形產(chǎn)生的儲存能更大，降低再結(jié)晶溫度。變形后的晶粒越細小，再結(jié)晶速度越快。25(4) 分散相（第二相）粒子Ø 可促進或阻礙基體金屬的再結(jié)晶，取決于粒子的 及間距。Ø 細小彌散的第二相粒子一般阻礙亞晶界的遷移， 故阻礙再結(jié)晶。26(5)再結(jié)晶退藝參數(shù)加熱速度、加熱溫度與保溫時間退火溫度愈高，再結(jié)晶速度極慢的加熱產(chǎn)生了大量的回復，再結(jié)晶溫度上升。極快的加熱，也會引起再結(jié)晶溫度上升（一定范圍）延長保溫時間，也會降低再結(jié)晶溫度275.再結(jié)晶晶粒大小的Ø 受到變形度、退火溫度、成分等的

9、影響Ø （1）變形度影響圖7-12金屬的冷變形度對再結(jié)晶晶粒大小的影響Ø臨界變形度：在能引起再結(jié)晶的最小變形度附近變形后，再結(jié)晶后的晶粒特別粗大， 稱為“臨界變形度”。一般為2-10%。28圖7-13純鋁的再結(jié)晶晶粒度與變形度的關(guān)系變形度自左至右依次為：3%、4%、5%、6%、7%、8%、10%、12%、14%29（2）退火溫度的影響提高退火溫度：臨界變形度減小 再結(jié)晶后晶粒粗大307.4晶粒長大Ø 晶粒長大指再結(jié)晶結(jié)束后，細小的等軸晶通過晶粒相互吞并導致的長大的過程。Ø 長大驅(qū)動力：長大可以降低界面能Ø 正常長大：連續(xù)長大Ø 異常長

10、大（二次再結(jié)晶）：極少數(shù)晶粒長大311.正常長大Ø 晶界移動的驅(qū)動力µ s Rfs：比界面能R：晶界曲率半徑直到晶界平直Ø 晶界移動的方向Ø 指向曲率中心Ø 大者長大，小者消失Ø 三個晶粒晶界交角趨于12032332.影響晶粒長大的因素通過影響晶界遷移而作用Ø （1）溫度Ø 溫度越高，長大越快Ø 一定溫度下有一個極限Ø （2）雜質(zhì)與合金元素雜質(zhì)元素與微量溶質(zhì)原子與晶界產(chǎn)生交互作用，阻礙晶界遷移。微量雜質(zhì)元素含量越高，晶界遷移越慢35Ø （3）第二相（分散相）質(zhì)點阻礙晶界移動，降低晶粒長

11、大速度4r3j-Dlim =j ：分散相粒子所占的體r：粒子的半徑數(shù)。36第二相顆粒所占體數(shù)一定時，顆粒愈細，其數(shù)量愈多，則晶界遷移所受到的阻力也愈大，晶粒正常長大速度越小。即分散相粒子的越小，再結(jié)晶的極限平均晶粒越小。37Ø （4）晶粒間位向差Ø 位向差決定晶界能的高低Ø 大角度晶界晶界能高，晶界遷移快，小角度晶界晶界能低，晶界遷移慢故：Ø 位向差大者，晶界遷移快，晶粒易長大Ø 位向差小者，晶界遷移慢，晶粒難長大Ø 有織構(gòu)的組織晶粒難以長大383.晶粒異常長大二次再結(jié)晶指當正常晶粒長大過程被分散相微粒、織構(gòu)或表面熱蝕溝等因素強烈阻礙

12、時，局部位置此類因素的缺少或消失而造成的突發(fā)性的晶?？焖匍L大 的現(xiàn)象。會降低力學性能，一般應(yīng)避免。圖7-12金屬的冷變形度對再結(jié)晶晶粒大小的影響驅(qū)動力：晶界能的降低。404.再結(jié)晶退火后的組織Ø （1）晶粒大小避開晶粒粗大區(qū)Ø 可用再結(jié)晶圖來圖7-23工業(yè)純鋁的再結(jié)晶圖圖7-24純鐵退火1h的再結(jié)晶圖414.再結(jié)晶退火后的組織Ø （2）再結(jié)晶織構(gòu)Ø 由于再結(jié)晶退火所產(chǎn)生的擇優(yōu)取向Ø 與形變織構(gòu)可以相同或不同Ø 大變形與高溫退火易促進再結(jié)晶織構(gòu)Ø 產(chǎn)生各向異性424.再結(jié)晶退火后的組織Ø （3）退火孿晶Ø

13、低層錯能材料（Cu，奧氏體鋼）中出現(xiàn)Ø 與形變孿晶機理不同，與切變無關(guān)435.再結(jié)晶退火的應(yīng)用Ø 效果：消除硬化；去除應(yīng)力Ø 應(yīng)用：軟化變形金屬的中間退火Ø 溫度：最低再結(jié)晶溫度以上100-20044小結(jié)：冷變形在金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生了儲存能，退火過程中原子活動能力增強，儲存能逐漸材料內(nèi)部發(fā)生回復、再結(jié)晶與晶粒長大。退火溫度較低時，產(chǎn)生回復。儲存能部分，材料中的宏觀殘余應(yīng)力基本消除，力學性能及顯微組織均保持變形后的特點。退火溫度較高時，產(chǎn)生再結(jié)晶。儲存能完全，材料重新軟化，晶粒為細小的等軸晶。再結(jié)晶完成后繼續(xù)加熱保溫，晶粒會長大以降低晶界能。457.5T&g

14、t;T再金屬的熱成形Ø 熱變形的特點：硬化與軟化同時存在，變形抗力小。Ø 軟化機制：Ø 動態(tài)回復：合金，純鐵等，錯能金屬與合金：Al及其Ø 動態(tài)再結(jié)晶：低層錯能金屬：Cu及其合金，奧氏體不銹鋼等，461.動態(tài)回復錯能金屬Ø 隨著變形進行，硬化速度降低，直到實現(xiàn)在一個穩(wěn)定應(yīng)力下變形。Ø 變形金屬內(nèi)有異號位錯的互毀和位錯的重新分布。Ø 晶粒變形而亞晶粒為等軸狀2.動態(tài)再結(jié)晶低層錯能金屬Ø 隨著變形進行，硬化速度降低，軟化，逐漸實現(xiàn)在一個穩(wěn)定應(yīng)力下變形。Ø 變形金屬內(nèi)發(fā)生再結(jié)晶，變形抗力小Ø 晶粒變?yōu)?/p>

15、等軸狀Ø 熱變形結(jié)束后，還可發(fā)生進一步的（靜態(tài)）再結(jié)晶，消除儲存能Ø 熱變形后快冷，可以保留較錯密度和細小晶粒，強度高于靜態(tài)再結(jié)晶組織Ø 動態(tài)回復組織強度高于動態(tài)再結(jié)晶組織493. 熱Ø對組織與性能的影響鑄態(tài)組織缺陷Ø 焊合氣孔、疏松，致密化Ø 細化鑄態(tài)組織Ø夾雜物與脆性相的形態(tài)、大小與分布Ø 部分消除偏析Ø 形成熱織Ø 注意流線（組織）、帶狀組熱變形度與晶粒50熱流線Ø 夾雜物、偏析、第二相等沿變形方向伸長，在浸蝕后的宏觀磨面上出現(xiàn).51Ø熱流線的利用Ø 縱向（沿

16、橫向（垂直方向），塑性、韌性增加方向），塑性、韌性降低但抗剪切能力顯著增強。Ø 縱向具有最大的抗拉強度，橫向具有最大的抗剪切強度.52熱流線的合理利用Ø 流線沿零件輪廓分布不中斷Ø 最大拉應(yīng)力方向沿流線Ø 最大剪應(yīng)力方向垂直于流線5354帶狀組織Ø 多相合金中的各相熱分布時沿變形方向交替呈帶狀Ø 引起各向異性Ø 可由正火處理或除變形在奧氏體單相區(qū)完成來消556.超塑性變形Ø 主要條件Ø 一定的變形溫度Ø 低的應(yīng)變速率Ø 極細小的等軸晶粒Ø 較高的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)-m

17、6; 例:Ø 利用鈦合金的超塑成型工藝制造噴氣式飛 機的艙門、尾艙、骨架，原工藝需個零件， 經(jīng)各種方法連接組裝而成。如用超塑性合金，可 一次成型做成，使尾艙架的重量減輕，成 本降低。56金屬與合金的冷熱變形比較Ø 冷塑性變形產(chǎn)生熱塑性變形同時存在硬化、變形抗力大；硬化與動態(tài)回復、動態(tài)再結(jié)晶造成的軟化，變形抗力小Ø 無論室溫變形還是高溫變形，單相固溶體組織都表現(xiàn)出比多相合金更好的變形能力Ø 合金中存在的晶界、溶質(zhì)原子、位錯、第二相粒子都具有抵抗外力造成變形的能力Ø 冷、熱塑性變形均會對組織與性能產(chǎn)生影響57金屬塑性成形Ø 特點的特點及應(yīng)用&#