第11章 冷变形金属的回复、再结晶与热加工.ppt

第十一章冷变形金属的回复、再结晶与热加工主讲教师李香芝《材料科学基础》同学们好！面心立方结构晶体中有一单位位错,其 课堂 练习题1. 试问该单位位错能够在{111}晶面族的那些晶面上存在？ 2. 若该位错为单位刃型位错，在切应力的作用下如何 运动？若为螺位错又如何运动？ 3. 若该位错为单位刃型位错，位错线的方向为___，位 错线运动方向为_____；若为单位螺位错，其位错线的方向是___,位错线运动方向是_____； 4.若该单位螺型位错能够在滑移面上分解为扩展位错,写出位错分解的反应式并判断其反应能否进行？§11-1 冷变形金属在加热时的组织与性能变化§11-2 冷变形金属的回复§11-3 冷变形金属的再结晶§11-4晶粒长大§11-5 金属的热加工第十一章 冷变形金属的回复、再结晶与热加工一、显微组织变化§11-1 冷变形金属在加热时的组织与性能变化1.回复阶段：显微组织仍为纤维状，晶粒外形无变化； 2.再结晶阶段：变形晶粒通过形核与长大,拉长的晶粒逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒 3.晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化,达到相对稳定的形状和尺寸二 . 性能变化1.回复阶段：强度、硬度略有下降,塑性略有提高,电阻率明显下降,弹性应变能基本消除。

2.再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高，内应力全部消除3.晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性、韧性继续提高，晶粒粗化严重时强度、硬度大大下降， 塑性、 韧性大大升高§11－2 冷变形金属的回复一．回复阶段组织及性能的变化 （一）低温回复阶段 1. 回复温度 － 0.1~0.3Tm 2. 回复组织－晶粒外形无变化 3. 性能变化－电阻率明显下降，强度、硬度无变化 4. 低温回复机制－①由于温度较低只有点缺陷的运动,空位运动到晶体表面、晶界处而消失；空位与间隙原子相互作用而消失等，使空位浓度降低，电阻率明显下降②无位错的运动（强度、硬度无变化）二）中温回复阶段 1.回复温度 － 0.3~0.5Tm 2. 回复组织－晶粒外形无变化 3. 回复性能－因回复温度度升高除点缺陷运动外位错开始运动，位错滑移导致异号位错相互抵销使位错密度稍有下降，从而性能变化不大1. 回复温度 － T≥0.5Tm 2. 回复组织－晶粒外形无变化，亚结构发生变化 3. 回复性能－弹性应变能基本消除，内应力明显下降，强度、硬度稍有下降 4. 回复机制－“多边化过程”（三）高温回复阶段② 亚晶粒长大、聚集形成了多边形的亚晶粒。

即发生了“多边化过程”,使弹性应变能基本消除,内应力明显下降（1）单晶体： ① 同一滑移面排列的位错群，借助位错攀移和滑移而呈垂直排列的小角度晶界,形成许多不明显的亚晶.形变产生的弹性弯曲形变产生的弹性弯曲 滑移面上的位错组态滑移面上的位错组态滑移面上刃位错的滑移面上刃位错的攀移滑移示意图攀移滑移示意图多边化后滑移面上多边化后滑移面上 的位错组态位错垂的位错组态位错垂 直排列直排列① 胞内位错移向胞壁，胞壁位错由弯曲变为平直，由无序变为有序 ② 亚晶聚集长大2）多晶体：回复阶段小结 1.回复阶段组织变化：晶粒外形无变化,亚结构发生了 变化即形成了多边形的亚晶粒（畸变能最小） 2.回复阶段性能变化：①电阻率明显下降-点缺陷的运动（低温回复）；②弹性应变能基本消除,内应力明显下降-“多边化过程” （高温回复） 3. 回复阶段的驱动力－弹性应变能的降低二． 回复动力学 （一）等温回复曲线 变形纯铁在不同温度退火时屈服强度的回复动力学曲线加工硬化回复率 σm- 加工硬化状态晶体的屈服强度 σ0- 完全退火后（无加工硬化）的屈服强度σ - 回复退火后（较小加工硬化）的屈服应力（（1 1－－R R））×100×100％％- -残余加工硬化率残余加工硬化率由图可知： 1.回复初始阶段去除硬化的程度较快，时间增长，回复程度减慢。

2.随着回复温度的升高，σ↓,则回复率R↑,残余加工硬化率（1－R）×100％↓（二）回复动力学 在回复过程中空位浓度明显下降,晶体缺陷减小速率为： Cd－缺陷密度 △E－扩散激活能T－绝对温度K－波尔茲蔓常数Cd＝exp(-Bt＋C) 令令代入上式积分后整理得到：C－积分常数 t－时间2. 回复阶段晶体缺陷的减少主要是通过空位迁移实现回复动力学回复动力学小结1.随着回复时间的延长缺陷密度Cd↓,且随着回复T↑晶体缺陷下降速率 ↑3. 回复阶段不能使晶体回复到冷变形前的水平，仍保留一部分加工硬化4. 由回复动力学曲线可知：回复没有孕育期，开始变化快，随后变慢，长时间处理后，性能趋于一平衡值Cd＝exp(-Bt＋C) Cd－缺陷密度 C－积分常数 t－时间三．回复退火的应用如：冷卷弹簧250℃～300℃去应力退火铸铁件在500℃～550℃去应力退火焊接件在500℃～600℃去应力退火冷变形强化不锈钢18－8型300℃～350℃去应力退火以提高耐蚀性二）回复退火的应用－消除应力退火一）回复退火－对冷变形金属进行加热保留部分加工硬化的退火§11－3 冷变形金属的再结晶1.组织－拉长的晶粒变成等轴晶粒。

2.性能－内应力全部消除，基本恢复到冷变形前的水平 1.再结晶－“形核”与“长大”的过程,无相变发生 2.重结晶－固态相变,形核与长大，有晶体结构的变化二．再结晶与重结晶一．再结晶阶段组织及性能固态相变再结晶过程是一个形核 与长大过程，影线部分 为塑性变形基体，白色 部分代表无畸变的新晶 粒变形前后的组织并 不完全相同再结晶过程示意图再结晶晶核-具有大角度晶界所包围的无畸变的亚晶粒三.再结晶晶核纯金属的凝固和再结晶动力学曲线比较（a）纯金属的凝固动力学曲线（b）纯金属再结晶动力学曲线（（b b））四．再结晶动力学再结晶体积分数（Xv）－在温度T时，经过一定时间t后已再结晶的体积分数 （一）再结晶动力学曲线1.再结晶需要一定的孕育期，且温度越高，孕育期越小，易于再结晶（与纯金属凝固动力学相反）； 2.开始再结晶速度较慢，随着再结晶的体积分数Xv增加，结晶速率增大； 3.当Xv＝50％时再结晶速率最大，当Xv＞50％时再结晶速率减小由再结晶动力学曲线可知：由再结晶动力学曲线可知：再结晶动力学曲线再结晶体积分数Xv可用下式表示： （二）再结晶速度与温度的关系Xv＝1－exp[－BtK] K- 常数,K为1～2B- 常数,随T↑而B↑t - 时间1.加热温度T↑，完成再结晶所需要的时间越短。

Xv＝0.95时为完成在结晶的标志） 2. 保温时间越长，完成再结晶所需要的温度越低由Xv＝1－exp[－BtK] 可知：多边化过程形成许多畸变能较小的亚晶，该亚晶是再结 晶晶核的基础因此说：“没有多边化则没有再结晶五．再结晶过程－形核和长大（一）回复阶段的多边化是再结晶的必备阶段（二）再结晶形核及其机制1. 冷变形量ε％＞20％ （1）高层错能金属－“亚晶粒合并形核” 多边化后产生的畸变能小的亚晶界（A、B、C亚晶） 上的位错滑移和攀移到其它晶界上，A、B、C亚晶界消 失，合并在一起的亚晶界位错密度增加形成大角度晶界 时变形成了“由大角度晶界所包围的无畸变的亚晶粒”－ 即为再结晶“晶核”亚晶合并形核畸变能小的亚晶（白色区域），在界面能的驱动下亚晶 界由低畸变能亚晶向高畸变能亚晶移动,直至形成“由大 角度晶界所包围的无畸变的亚晶粒”-即为再结晶“晶核”2）低层错能金属－“亚晶界移动形核”如图b)b)亚晶界移动形核 再结晶突出形核示意图2. 冷变形量ε％＜20％（较小）为“凸出形核”机制（如图c） 由于变形量较小，变形不均匀，从而使相邻亚晶粒间的 位错密度不同，储存的能量不同，低位错密度的亚晶粒 依靠大角度晶界的迁移凸入高位错密度的亚晶粒，当形 成“由大角度晶界所包围的无畸变的晶粒－即为再结晶晶 核”。

在点阵畸变能的驱动下，再结晶晶核迅速长大，直至“畸 变能小的亚晶粒完全由大角度晶界所包围的无畸变的亚晶 粒所取代，再结晶结束三）晶核的长大（一）理论－冷变形金属完全发生再结晶的最低温度六．再结晶温度高 纯 金 属： T再＝(0.25~0.35)Tm; 工业纯金属：T再＝(0.35～0.45)Tm 合 金：T再＝(0.4~0.9)Tm3. 形核的驱动力-点阵畸变能的降低(与回复驱动力相同).注:再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃二）工业－ε％＞70％的冷变形金属，经过1小时加热95％已经再结晶的最低温度工业纯金属：T再＝(0.35～0.45)TmT再＝0.40Tm=（1538℃＋ 273℃） ×0.40－273 ℃＝450℃＋150℃＝600℃影响再结晶的因素主要从形核率（N）和长大速度（u）七.影响再结晶的因素及再结晶后晶粒度大小的因素冷变形度对晶粒度的影响（一）变形度（ε％）临界变形度-ε％＝2％～10％ 1.ε％＜2％～10％时没有再结晶，对晶粒大小无影响 2.ε％＝2％～10％时晶粒异常长大变形不均匀,晶粒间畸变能差大，从而使N＜＜u,导致晶粒异常长大。

3.ε％＞2％～10％时,N＞u,畸变能△E↑,随着ε％↑,晶粒越细4.4.ε％＞＞ 2％～10％，出现形变织构，u ↑ ↑，晶粒异常粗大ε％↑,畸变能△E↑,T再↓, u再↑,再结晶所需要的时间越短 退火温度越高,再结晶u↑,N ↑,因此再结晶温 度对晶粒度影响不大二）再结晶退火温度再结晶温度与再结晶再结晶温度与再结晶 完成时间的关系曲线完成时间的关系曲线原始晶粒越细小,变形抗力↑,驱动力越大；晶 界越多,有利于形核,T再↓,再结晶后晶粒细小（三） 原始晶粒尺寸小尺寸粒子,增加变形抗力,使畸变能↑,N ↑促进再结晶,晶粒细小; 大尺寸粒子,阻碍位错运动,阻碍晶界迁移,阻碍再结晶,晶粒粗大四）微量溶质元素微量溶质元素阻碍位错和晶界的运动,不利于再 结晶,晶粒粗大 （五）第二分散相粒子§11-4 再结晶后的晶粒长大 长大方式：正常长大；异常长大（二次再结晶）一.晶粒的正常长大2.正常长大的驱动力－界面能差1. 正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大再结晶完成后晶粒细小,相互接触,在更高温度和较长时间下是以大角度晶界迁移、一些晶粒尺寸增大，另一些晶粒尺寸缩小而消失，晶粒相互吞食方式进行的 。

晶界夹角趋于120℃； 二维坐标中晶粒边数趋于6； 晶界趋于平直3.晶粒的稳定形状在在200200℃℃时观察到的时观察到的ZnZn晶粒长大，通过晶界迁移晶粒长大，通过晶界迁移“ “x”x”晶粒缩小而消失晶粒缩小而消失a)a)、、b)b)、、c)c)、、d)d)、、e)e)、、f) f)分别是加热分别是加热0 0、、3030、、3737、、3838、、4040和和4242分钟分钟晶粒平衡形状晶粒平衡形状- -十四面体十四面体二维晶粒的顶角均为二维晶粒的顶角均为 120120℃℃多变形晶粒多变形晶粒①温度：温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化 ②分散相粒子：4.影响晶粒正常长大的因素分散相粒子阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率多个粒子对界面迁移的最大约束力为：多个粒子对界面迁移的最大约束力为：- -分散相粒子的体积分数分散相粒子的体积分数 σ-σ-分散相粒子单位面积界面能分散相粒子单位面积界面能 γ-γ-分散相粒子的半径分散相粒子的半径 说明分散相粒子的体积分数说明分散相粒子的体积分数 ↑ ↑；；γ↓γ↓，，F Fmaxmax ↑.↑.当来自界面能的驱动力当来自界面能的驱动力P P与约束力与约束力F Fmaxmax间保持如。