材料科学基础第五章.ppt

第五(2)章 回复和再结晶 Recovery and Recrystallization,塑性变形→系统的能量↑,回复再结晶,回复 Recovery 再结晶 Recrystallization 晶粒长大 Grain growth after recrystallization,,,,,自发趋势,,,,※ 1.变形材料加热时的变化,一 、显微组织的变化,热（～90％） 储存能（～10％）,变形材料发生回复再结晶的驱动力 冷变形材料在加热时先后经历,回复,在较低温度下变形材料的显微组织基 本上未发生变化，多边化 再结晶 新的无畸变等轴小晶粒代替变形组织 晶粒长大 细小新晶粒通过互相吞并长大而形成 稳定的尺寸,,,,,,,,塑性变形外 力所做的功,,,,回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组 织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复 到冷变形以前的过程 再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时， 在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代 变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可 见变化；,再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大， 逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒 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。

回复,再结晶,晶粒长大,,,,,显微组织变化（示意图）,,,,,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,,,性能变化 1 力学性能（示意图） 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高 再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降,塑性继续提高， 粗化严重时下降 2 物理性能 密度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高； 电阻：电阻在回复阶段可明显下降三 性能变化,,,,,,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,,,变形金属加热时组织和性能变化示意图,,,,,内应力,,塑性,,强度,,晶粒度,回复 再结晶 晶粒长大,,,,,性能变化,组织变化,加热温度,,,,储存能变化（示意图） 1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10 ％）变形功 弹性应变能（3～12％）,2 存在形式,位错（80～90％） 驱动力 点缺陷,3 储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位 置，储存能得以释放。

内应力变化 回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消 除第二、三类内应力； 再结晶阶段：内应力可完全消除 2. 回复 Recovery,一 、回复阶段性能与组织的变化: 在回复阶段，观察以下几种现象: 1.宏观内应力大部分去除，而微观应力仍存 在 2.电阻率 ρ ↓ Cu、 Al、 Ag 线材预先在90K下变形，发 现在293K下导电性能就可以逐渐恢复，相 对原始变形态ρ↓ 30％,,,,,,,3. HV、 s变化随材料不同而异： Zn、Cd 在室温下就可以绝大部分去除冷变形所产 生的加工硬化； Cu、α黄铜则加热至350℃，其HV仍无明显变化 Fe 在358℃以上就可看到部分加工硬化的去除 4. 在光镜下显微组织基本上未发生变化但在高温回 复时，在热激活能条件下，通过位错与攀移，会 发生多边化亚结构二、 回复动力学 Recovery Kinetics,,,变形材料加热时，其力学和物理性能回复程度随温度T和时 间t变化 1 R    0,R为回复部分 为回复退火后的流变应力 0为加工硬化完全消除的流变应力 m为退火前即冷态的流变应力, m  0,,,,,动力学曲线特点 （1）没有孕育期； （2）开始变化快，随后变慢； （3）长时间处理后，性能趋于一平衡值; (4) 预变形量越大，起始回复速率越快。

驰豫过程,无孕育期,,,回复的初始阶段去除硬化的程度较快，随着时间 的延长，回复的程度就减弱了，而且，随变形量越 大，起始回复速率也越快进一步分析，在某一恒 定温度下，回复时间可表达为 ： 1  R  b  a ln t  Ae Q / RT  ln t  B  Q / RT Q为回复过程的激活能，R为气体常数 T为绝对温度 A 、B 为常数 作lnt- 1/T关系曲线 直线，由直线斜率可求得Q,,,三 、回复机制,在回复过程中，发生如下变化 1.低温回复,迁移至表面或晶界 与间隙原子复合 与位错交互作用 聚集成空位片 崩塌,,,(过饱和空位的消失) 点缺陷变化―,表现ρ↓,,,回复机理 1 低温回复（0.1－0.3Tm）,移至晶界、位错处 空位＋间隙原子 消失 空位聚集（空位群、对）,点缺陷运动,缺陷密度降低,,,,,,2 中温回复,（0.3－0.5Tm）,异号位错相遇而抵销 位错缠结重新排列,位错滑移,位错密度降低,,,位错滑移――位错重新组合以及异号位错互相抵消,,,回复机理,3 高温回复（0.5Tm） 位错攀移（＋滑移） 多边化（亚晶粒）,位错垂直排列（亚晶界） 弹性畸变能降低。

多边化 Polygonization,多边化产生的条件 1）塑性变形使晶体点阵发生弯曲 2）在滑移面上有过剩的同号刃型位错 3）热激活下刃位错产生攀移运动,,,刃型位错可获得足够 能量产生攀移,⊥位错排列成墙,多边化结构,,,,产生单滑移的单晶体中多边化过程最为典型 多晶体中，由于多系滑移→位错缠结→形成胞状 组织，多边化不明显,,,回复退火的应用,1,回复机制与性能的关系 内应力降低:弹性应变基本消除; 硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较细； 电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低 2,去应力退火 降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、 开裂，提高耐蚀性 3. 再结晶 Recrystallization,t℃↑，在变形组织的基体上就会产 生新的无畸变再结晶晶核，并逐渐长大 形成等轴晶粒，从而取代变形组织，该 过程就成为再结晶过程 再结晶——无晶体结构和化学成分 的变化，不属于相变一、再结晶的形核,再结晶的转变驱动力： ——晶体的弹性畸变能 可预料晶核必然产生于高畸变能区域： 大角度晶界、相界面、孪晶或滑移带界 面上,,,,,1.晶界弓出形核 变形量较小（20％）多晶体，其再结晶核心往往 以晶界弓出方式形成或称应变导致的晶界迁移，凸出 形核方式形成。

变形度较小时，多晶粒间 变形不均匀性而导致多晶粒内 位错密度不同为了降低系统 的自由能，再结晶时，通过晶 界迁移原来平直的晶界会向位 错密度大的晶粒内凸出，在其 前沿扫过的区域内通过吞食畸变亚晶的方式形成无畸 变的再结晶晶核再结晶的形核机制,,,晶核的临界尺寸可作如下估算,,ΔG,形核时单位体积引起总的自由能变化,,ES,单位体积储存的应变能,,,界面表面能,dA dV,弓出的表面积 弓出的晶界由位置Ⅰ—Ⅱ时扫过的体积,,,dV, dA,ΔG  E,S,,,若界面为一球面其半径为r，则dA/dV＝2/r ，则上式 可改写为,由于弓出形核的能量条件为△G0,即,若弓出部分两端距离为2L 则r=L/sin 当α＝π/2时，L=rmin ∴Lc=2/Es,,,r,ΔG  ES＋,2,,,r,ES ,2,,,,,,品,多钱,,,2.亚晶形核,,当变形度较大（20%）时，形成位错缠 结组成的胞状结构→加热 多边形化→亚晶，借助 亚晶作为再结晶的核心，其形核机制为： 1)亚晶的迁移机制 通过亚晶界的移动，吞并相邻的形变基 体和亚晶而生长 2)亚晶合并机制 通过两亚晶之间亚晶界的消失，使两相 邻亚晶合并而生长 位错网络解离、拆散以及位错的攀移与滑移,,,,,,,,豆 品 拯奋 异 彩锁,,,亚晶无论以那种方式生长，包围 着它的一部分亚晶界的位向差必然会 越来越大，最后构成了大角度晶界。

大角度晶界一旦形成，由于它较亚晶 界具有大的多的迁移率，故可以迅速 移动，而在其后留下无畸变的晶体— —再结晶核心二、 再结晶动力学,Recrystallization Kinetics,,,再结晶过程是通过无畸变新晶粒的形核和长 大而进行的，故再结晶的动力学决定 N& 和G于N,),N&  N& 0 exp(,RT,Q  N,,,),G  G0 exp(,RT,QG,,实验：不同T，以纵坐标表示再结晶的体积分数R 以横坐标表示再结晶的时间t,,,恒温动力学曲线,,,,,,1）不同T，不同变形度，曲线不同，但有“S” 特征,2）发生再结晶，需要一段孕育期 incubation period （T ↑ ，t孕↓ ） 3）开始再结晶时，转变量速率V转 很低， 随着转变量↑ ，V转 ↑ ， 至50％时，V转 V转max 转变量进一步↑ V转↓,,,,Johnson&Mehl ： •,均匀形核 晶核为球形,N,,,,,N& 和G不随t 而改变 推导出恒温下经过t时间后，再结晶体积分数为：,即所谓J－M 方程,),3,R  1 exp(, N&G3t 4,假定,,,N,B、K均为常数，再结晶为三维时，K＝3-4,二维 一维,K＝2-3 K＝1-2,,  1 exp(Bt K ),R,,, Bt K,1 R,1,ln,,但实际 N& 是随t↑而呈指数关系 ↓，并非 Const，故J－M方程应修正，通常采用Avrami方 程来描述再结晶过程比较合适，即：,,,取双对数,,, lg B  K lg t,1 R,1,lg ln,,,,,lg t,1 R,1,lg ln,截距 斜率,此分析结果与试验结果完全吻合，且发现在一 定温度范围内，K不随T而变 不同T下，各直线基本平行, B则随T不同而变,作,关系图（线性关系图）,,,,,,,,,,170℃139℃125℃,T1 T2 T3 T4 T5,,,1 R,1,lg ln,,lg t,,,，N,表示之,而再结晶速率V和产生某一体积分数R所需要的时 间t成反比，（V∝ 1/t）,∴,,V  AeQ / RT,（2.3lgx=lnx）,,,1  AeQ / RT t,,,,,ln 1  ln A  Q  1 t R T,,,,,1  2.3R lg A  2.3 lg t T Q Q,,再结晶是一热激活过程 N& 和G均符合Arrhenius方 程，因此等温温度T对再结晶速率V的影响可用,,,作 1/T -- lgt 即可求得Q,图 （再结晶的激活能）,在两个不同的恒定温度T1、T2 产生同样程度的 再结晶时可得,,,,,,),1  1 R T 2 T1,Q (,t 2,1, e,t,,,三 、再结晶温度 Recrystallization temperature,冷变形材料开始进行再结晶的最低温度称为再 结晶温度，它可以用不同的方法来测定。

1）金相法：从显微镜中观察到第一个新晶粒或者晶界 因凸起形核而出现锯齿状边缘的退火温度为TR 2）硬度法：以硬度－退火温度曲线上硬度开始显 著降低的温度定为TR，有时也将该曲线上软化50％ 的退火温度定为TR应指出， TR并不是一个物理常数，它随 变形程度，纯度，及退火时间而变 工业生产中，通常以经过大变形量(70%) 的冷变形金属，经一小时退火能完全再结晶 或再结晶体积分数95％的最低退火温度定为 TR TR↑ ，VR ↑ ，达到一定再结晶体积分数 所需时间必愈短,,,根据Johnson和Mehl 方程式，令R＝0.95，则 可求出完成95％再结晶所需时间为,N,N,,由于 N&,、G 随 t℃ ↑,而 ↑ 即为温度的函,数，故可根据各t℃下的 、 G值建立t℃与,关系，于是，一小时内能完成再结晶的温度 TR即可确定。