第7章《材料科学》回复与再结晶课件.ppt

1 1第一节 冷变形金属在加热时的变化第二节 回复 第三节 再结晶 第四节 晶粒长大晶粒长大第五节 金属的热变形金属的热变形7 7 回复与再结晶回复与再结晶7 7 回复与再结晶回复与再结晶金属材料冷变形时，其内部的位错、空位、间隙原子等多种点阵缺陷将发生增殖和运动，其结果是点阵缺陷密度增大并排列成高能量的组态产生的结果是：产生的结果是：使金属内部组织结构及一系列与上述点阵使金属内部组织结构及一系列与上述点阵缺陷有关的物理、力学等性能较冷变形前发缺陷有关的物理、力学等性能较冷变形前发生明显变化生明显变化使金属变形时所消耗能量的一部分（不使金属变形时所消耗能量的一部分（不超过总消耗的百分之几）以点阵缺陷所具超过总消耗的百分之几）以点阵缺陷所具有的应变能储存于金属内部有的应变能储存于金属内部变形储存能：变形储存能：冷变形时储存于金属内部的能量冷变形时储存于金属内部的能量7.1 7.1 冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化7.1.17.1.1显显微组织的变化微组织的变化 冷变形后金属在加热时，其组织和性能会发生变化，根据观察可以将这个过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段：回复阶段：回复阶段：新的无畸变晶粒出现前所产生的亚结构和性能变化的阶 段，在金相显微镜中无明显变化；再结晶阶段：再结晶阶段：无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶粒长大阶段：晶粒长大阶段：再结晶结束后晶粒的长大过程。

7.1 7.1 冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化7.1.2 7.1.2 性能的变化性能的变化回复阶段：回复阶段：冷变形强化效果仍能大 部分保留再结晶阶段：再结晶阶段：强度、硬度明显下降， 塑性升高，冷变形强化效果丧失，金 属软化晶粒长大阶段：晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降, 塑性继续提高，粗化严重时塑性也下 降密度密度: :在回复阶段变化不大，在再结 晶阶段急剧升高；电阻：电阻：电阻在回复阶段可明显下降1 1 1 1）力学性能）力学性能）力学性能）力学性能（2 2 2 2）物理性能）物理性能）物理性能）物理性能各阶段性能变化示意图各阶段性能变化示意图各阶段性能变化示意图各阶段性能变化示意图回复阶段：回复阶段：内应力部分消除；再结晶阶段：再结晶阶段：内应力全部消除3 3）内应力的变化）内应力的变化7.1 7.1 冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化7.1.3 7.1.3 储存能的释放储存能的释放 冷变形阶段形成的储存能使金属处于亚稳态，在退火阶段组织和性冷变形阶段形成的储存能使金属处于亚稳态，在退火阶段组织和性 能的变化过程既是储存能的释放过程。

能的变化过程既是储存能的释放过程储存能储存能是是变形金属变形金属加热时发生加热时发生回复与再结晶回复与再结晶的的驱动力驱动力曲线对比表明：曲线对比表明：回复阶段时各材料释放回复阶段时各材料释放的储存能量均很小的储存能量均很小不纯金属及合金在再结不纯金属及合金在再结晶前的回复阶段，储存能晶前的回复阶段，储存能释放的较多释放的较多杂质或合金元素对基体杂质或合金元素对基体金属再结晶过程存在推迟金属再结晶过程存在推迟作用图图 变形金属退火过程中的能量释放变形金属退火过程中的能量释放纯金属不纯金属合金7.2 7.2 回复回复7.2.17.2.1回复过程中微观结构的变化机制回复过程中微观结构的变化机制 回回回回复复复复：冷冷冷冷变变变变形形形形金金金金属属属属在在在在加加加加热热热热时时时时，其其其其光光光光学学学学显显显显微微微微组组组组织织织织未未未未发发发发生生生生改改改改变变变变前前前前的的的的晶晶晶晶体体体体缺陷运动过程缺陷运动过程缺陷运动过程缺陷运动过程回复的驱动力回复的驱动力：弹性畸变能的降低弹性畸变能的降低1 1）低温回复）低温回复（温度：温度：0.1Tm0.3 Tm）在低温加热时在低温加热时，冷变形金属的回复与空位、间隙原子等点缺陷的运动有，冷变形金属的回复与空位、间隙原子等点缺陷的运动有关，关，这些运动主要有两种情况：这些运动主要有两种情况：点缺陷迁移至晶界、表面、位错处而消失；空位和间隙原子相遇对消。

u根据回复阶段加热温度及内部结构变化特征、机制不同，将其分为三类：根据回复阶段加热温度及内部结构变化特征、机制不同，将其分为三类：因此，金属中的点缺陷密度明显降低因此，金属中的点缺陷密度明显降低点缺陷运动点缺陷运动7.2 7.2 回复回复7.2.17.2.1回复过程中微观结构的变化机制回复过程中微观结构的变化机制 （2 2）中温回复（）中温回复（温度：温度：0.3Tm0.5 Tm）中温加热时，中温加热时，冷变形金属的回复仍与点缺陷的运动有关，但由于回复温冷变形金属的回复仍与点缺陷的运动有关，但由于回复温度的升高，金属中度的升高，金属中原来运动受阻的位错因热激活重新开始滑移并成为中温原来运动受阻的位错因热激活重新开始滑移并成为中温回复的主要机制回复的主要机制其主要表现有两种：其主要表现有两种： 同一滑移面上的异号位错相遇而抵销同一滑移面上的异号位错相遇而抵销同一滑移面上的异号位错相遇而抵销同一滑移面上的异号位错相遇而抵销 亚晶规整化，位错胞（缠结）亚晶规整化，位错胞（缠结）亚晶规整化，位错胞（缠结）亚晶规整化，位错胞（缠结）位错滑向胞壁位错滑向胞壁位错滑向胞壁位错滑向胞壁异号位错对消异号位错对消异号位错对消异号位错对消 胞壁较窄、清晰胞壁较窄、清晰胞壁较窄、清晰胞壁较窄、清晰亚晶界形成亚晶界形成亚晶界形成亚晶界形成位错滑移位错滑移因此，金属中的位错密度降低。

因此，金属中的位错密度降低7.2 7.2 回复回复7.2.17.2.1回复过程中微观结构的变化机制回复过程中微观结构的变化机制 （3 3 3 3 ）高温回复（）高温回复（）高温回复（）高温回复（温度：温度： 0.5T0.5Tm m）由于高温加热对位错的热激活进一步加强，由于高温加热对位错的热激活进一步加强，变形金属的回复机制主变形金属的回复机制主要与位错的攀移运动有关要与位错的攀移运动有关F同一滑移面上的同号刃型位错同一滑移面上的同号刃型位错在本身弹性应力场作用下，发生攀移运动，最终通过滑移和攀移通过滑移和攀移使得这些位错从同一滑移面变为在不同滑从同一滑移面变为在不同滑移面上竖直排列的位错墙，移面上竖直排列的位错墙，如图所示，以降低总畸变能降低总畸变能图图 回复过程中的位错攀移与滑移回复过程中的位错攀移与滑移 图为经弯曲变形的单晶体产生高温回复多边化过程的示意图图a为弯曲变形后滑移面上存在的同号刃型位错塞积群； 图b为高温问复时，按攀移与滑移模型，沿垂直于滑移面方向排列并按攀移与滑移模型，沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙具有一定取向差的位错墙( (小角度亚晶界小角度亚晶界) )以及由此所产生的亚晶（回复以及由此所产生的亚晶（回复亚晶），即多边化结构。

亚晶），即多边化结构图图 位错在多边化过程中重新分布位错在多边化过程中重新分布7.2 7.2 回复回复7.2.17.2.1回复过程中微观结构的变化机制回复过程中微观结构的变化机制 多边化多边化 -高温回复阶段，刃型位错通过攀移和滑移而形成低能排列方高温回复阶段，刃型位错通过攀移和滑移而形成低能排列方 式的过程式的过程ab7.2 7.2 回复回复7.2.2 7.2.2 回复动力学回复动力学 在回复阶段，在回复阶段，材料性能的变化是随温度和时间的变化而变化的材料性能的变化是随温度和时间的变化而变化的，图所示就，图所示就是相同变形程度多晶体铁在不同温度下的回复动力学曲线是相同变形程度多晶体铁在不同温度下的回复动力学曲线 图中纵坐标为余应变硬化率(1R)R R为屈服应力回复率， 其中m m、r r和和0 0分别代表变形前、变形后以及回复后的屈服应力显然，屈服应力回复程度屈服应力回复程度R R愈大，则剩余应愈大，则剩余应变硬化率变硬化率(1(1R R) )越小特点：特点：图图 同一变形度的同一变形度的FeFe在不同温度等温退火后的性能变化曲线在不同温度等温退火后的性能变化曲线无孕育期；无孕育期；开始变化快，随后变慢；开始变化快，随后变慢； 长时间处理后，性能趋于一平衡值；长时间处理后，性能趋于一平衡值；加热温度越高，回复程度也越高；加热温度越高，回复程度也越高；变形量越大，初始晶粒尺寸越小，变形量越大，初始晶粒尺寸越小， 有助于加快回复速率。

有助于加快回复速率回复特征通常可用一级反应方程来表达，即：回复特征通常可用一级反应方程来表达，即： 7.2 7.2 回复回复7.2.2 7.2.2 回复动力学回复动力学 式中t t为恒温下的加热时间，x x为冷变形导致的性能增量经加热后的残留分数，c c为与材料和温度有关的比例常数，c c值与温度的关系具有典型的热激活过程的特点：值与温度的关系具有典型的热激活过程的特点：式中Q Q为激活能，R R为气体常数(8.3110-3J/molK)，c c0 0为比例常数，T T为绝对温度 将式将式7.27.2代入方程代入方程7.17.1中并积分，以中并积分，以x x0 0表示开始时性能增量的残留分数，则得：表示开始时性能增量的残留分数，则得： （7.1） （ 7.2） （ 7.3） （7.4） 说明说明：与其它热激活过程一样，回复的速度随温度升高而增大 如果采用两个不同温度将同一冷变形金属的性能回复到同样程度，则有：如果采用两个不同温度将同一冷变形金属的性能回复到同样程度，则有：-冷变形金属的回复过程能使内应力得到很大程度的消除，同冷变形金属的回复过程能使内应力得到很大程度的消除，同时又能保持冷变形强化状态。

时又能保持冷变形强化状态7.2 7.2 回复回复7.2.2 7.2.2 回复动力学回复动力学 7.2.3 7.2.3 去应力退火去应力退火回复退火的应用回复退火的应用 回复机制与性能的关系回复机制与性能的关系 -内应力降低内应力降低: :弹性应变基本消除弹性应变基本消除; ;硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显， 亚晶较细；亚晶较细； -电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低 去应力退火去应力退火 -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7.3 7.3 再结晶再结晶7.3.1 7.3.1 再结晶的形核及长大再结晶的形核及长大再结晶：再结晶：经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒 的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程再结晶是一个显微组织彻底改组、变形储能充分释放、性能显著变化的过程再结晶是一个显微组织彻底改组、变形储能充分释放、性能显著变化的过程。

形核的两种方式：形核的两种方式：晶界凸出形核、亚晶形核晶界凸出形核、亚晶形核1 1）晶界凸出形核）晶界凸出形核-晶核伸向小位错胞晶粒(畸变能较高区域)内 对于变形程度较小的金属（一般小于对于变形程度较小的金属（一般小于20%20%），再结晶晶核往往采用凸出形核机制生成，），再结晶晶核往往采用凸出形核机制生成，如图所示如图所示 图图 晶界弓出形核晶界弓出形核原因：当变形度较小时，变形在各晶粒中往往不够均匀，处于软取向的晶粒变形较大原因：当变形度较小时，变形在各晶粒中往往不够均匀，处于软取向的晶粒变形较大 14147.3 7.3 再结晶再结晶7.3.1 7.3.1 再结晶的形核及长大再结晶的形核及长大若界面由若界面由I I向向IIII推进，则：推进，则：当当/2/2时，晶界可以自发生长，因时，晶界可以自。