材料科学基础：第五章 材料的形变和再结晶 3.ppt

第九章 回复与再结晶1第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 一一 回复与再结晶回复与再结晶 回回复复：：冷冷变变形形金金属属在在低低温温加加热热时时，，其其显显微微组组织织无无可可见见变变化化，，但但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程 再再结结晶晶：：冷冷变变形形金金属属被被加加热热到到适适当当温温度度时时，，在在变变形形组组织织内内部部新新的的无无畸畸变变的的等等轴轴晶晶粒粒逐逐渐渐取取代代变变形形晶晶粒粒，，而而使使形形变变强强化化效效应应完完全全消消除的过程除的过程2第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 二二 显微组织变化（示意图）显微组织变化（示意图） 回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化； 再再结结晶晶阶阶段段：：变变形形晶晶粒粒通通过过形形核核长长大大，，逐逐渐渐转转变变为为新新的的无无畸畸变变的等轴晶粒的等轴晶粒 晶晶粒粒长长大大阶阶段段：：晶晶界界移移动动、、晶晶粒粒粗粗化化，，达达到到相相对对稳稳定定的的形形状状和和尺寸。

尺寸3第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 二二 显微组织变化（示意图）显微组织变化（示意图） Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E4第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 三三 性能变化性能变化 1 1 力学性能（示意图）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、硬度继续下降晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降, ,塑性继续提高，塑性继续提高， 粗化严重时下降粗化严重时下降 2 2 物理性能物理性能 密度密度: :在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；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。

电阻：电阻在回复阶段可明显下降5第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 三三 性能变化性能变化 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E6第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 四四 储存能变化（示意图）储存能变化（示意图） 1 1 储储存存能能：：存存在在于于冷冷变变形形金金属属内内部部的的一一小小部部分分（（～～1010％）变形功％）变形功 弹性应变能（弹性应变能（3 3～～1212％）％） 2 2 存在形式存在形式 位错（位错（8080～～9090％）％） 驱动力驱动力 点缺陷点缺陷 3 3 储储存存能能的的释释放放：：原原子子活活动动能能力力提提高高，，迁迁移移至至平平衡衡位位置，储存能得以释放置，储存能得以释放回回复复再再结结晶晶7第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 五五 内应力变化内应力变化        回回复复阶阶段段：：大大部部分分或或全全部部消消除除第第一一类类内内应应力力，，部部分分消消除第二、三类内应力；除第二、三类内应力； 再结晶阶段：内应力可完全消除。

再结晶阶段：内应力可完全消除8第二节 回复 一一 回复动力学（示意图）回复动力学（示意图）1 1 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系加工硬化残留率与退火温度和时间的关系 ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT)x x0 0 –原始加工硬化残留率；原始加工硬化残留率；x x－－退火时加工硬化残留率；退火时加工硬化残留率；c c0 0－－比例常数；比例常数；t t－－加热时间；加热时间；T T－－加热温度加热温度9第二节 回复 一一 回复动力学回复动力学（示意图）（示意图） 2 2 动力学曲线特点动力学曲线特点 （（1 1）没有孕育期；）没有孕育期； （（2 2）开始变化快，随后变慢；）开始变化快，随后变慢； （（3 3）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10第二节 回复 二二 回复机理回复机理 1 1 低温回复（低温回复（0.10.1－－0.3Tm0.3Tm））                           移至晶界、位错处移至晶界、位错处点缺陷运动点缺陷运动 空位＋间隙原子空位＋间隙原子 消失消失 缺陷密度降低缺陷密度降低                           空位聚集（空位群、对）空位聚集（空位群、对）11第二节 回复 二二 回复机理回复机理 2 2 中温回复中温回复  （（0.30.3－－0.5Tm0.5Tm）） 异号位错相遇而抵销异号位错相遇而抵销位错滑移位错滑移 位错密度降低位错密度降低 位错缠结重新排列位错缠结重新排列12第二节 回复 二二 回复机理回复机理 3 3 高温回复（高温回复（>0.5Tm>0.5Tm））位错攀移位错攀移（＋滑移）（＋滑移） 位错垂直排列（亚晶界）位错垂直排列（亚晶界） 多边化（亚晶粒）多边化（亚晶粒） 弹性畸变能降低。

弹性畸变能降低13第二节 回复 二二 回复机理回复机理 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E14第二节 回复 三三 回复退火的应用回复退火的应用 1 1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，亚晶较细；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，位错应变能降低电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低 2 2去应力退火去应力退火 降降低低应应力力（（保保持持加加工工硬硬化化效效果果）），，防防止止工工件件变变形形、、开裂，提高耐蚀性开裂，提高耐蚀性15第三节 再结晶 一一 再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大 1 1 形核形核 亚晶长大形核机制亚晶长大形核机制 （变形量较大时）（变形量较大时） 亚晶合并形核亚晶合并形核 亚晶界移动亚晶界移动( (长大长大) )形核形核( (吞并其它亚晶或变形部分吞并其它亚晶或变形部分) ) 凸出形核凸出形核 晶核伸向小位错胞晶粒晶核伸向小位错胞晶粒( (畸变能较高区域畸变能较高区域) )内内. .16第三节 再结晶 一一 再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大1 1 形核形核 17第三节 再结晶 一一 再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大 晶界凸出形核（变形量较小时晶界凸出形核（变形量较小时,<20%,<20%）） 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向. . 18第三节 再结晶 一一 再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大   驱动力：畸变能差驱动力：畸变能差 2 2 长大长大 方式方式: :晶核向畸变晶粒扩展晶核向畸变晶粒扩展, ,至新晶粒相互接触。

至新晶粒相互接触 注：再结晶不是相变过程注：再结晶不是相变过程19第三节 再结晶 二二 再结晶动力学再结晶动力学     （（1）再结晶速度与温度的关系）再结晶速度与温度的关系v再再＝＝Aexp(-QR/RT)     （（2））规律规律               有孕育期有孕育期; 温度越高温度越高,变形量越大孕育期越短变形量越大孕育期越短;在体在体               积分数为积分数为0.5时速率最大，然后减慢时速率最大，然后减慢20第三节 再结晶 三三 再结晶温度再结晶温度1 再结晶温度：经严重冷变形（变形量再结晶温度：经严重冷变形（变形量>70%）的金属或合）的金属或合   金，在金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数内能够完成再结晶的（再结晶体积分数>95%））   最低温度最低温度                         高纯金属：高纯金属：T再再＝＝(0.25~0.35)Tm2 经验公式经验公式     工业纯金属：工业纯金属：T再再＝＝(0.35~0.45)Tm                        合金：合金：T再再＝＝(0.4~0.9)Tm。

    注：再结晶退火温度一般比上述温度高注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～～200℃21第三节 再结晶 三三 再结晶温度再结晶温度  3 影响因素影响因素        变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低；变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低； 纯度越高，再结晶温度越低；纯度越高，再结晶温度越低； 加热速度太低或太高，再结晶温度提高加热速度太低或太高，再结晶温度提高22第三节 再结晶 四四 影响再结晶的因素影响再结晶的因素1 1 退火温度温度越高，再结晶速度越大退火温度温度越高，再结晶速度越大2 2 变形量变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温变形量变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温 度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行3 3 原始晶粒尺寸晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核原始晶粒尺寸晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核4 4 微量溶质元素阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶微量溶质元素阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶5 5 第二分散相。

间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核第二分散相间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核 心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁 移，阻碍再结晶移，阻碍再结晶23第三节 再结晶 五五 再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）         再结晶晶粒的平均直径再结晶晶粒的平均直径d=k[G/N]1/424第三节 再结晶 五五 再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）1 1 变形量（图）存在临界变形量，生产中应避免临界变变形量（图）存在临界变形量，生产中应避免临界变 形量2 2 原始晶粒尺寸晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多，原始晶粒尺寸晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多， 使晶粒细化使晶粒细化3 3 合金元素和杂质增加储存能，阻碍晶界移动，有利于合金元素和杂质增加储存能，阻碍晶界移动，有利于 晶粒细化晶粒细化4 4 温度变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶温度。

变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶 粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大25第三节 再结晶 六六 再结晶的应用再结晶的应用                              恢复变形能力恢复变形能力 改善显微组织改善显微组织 再结晶退火再结晶退火 消除各向异性消除各向异性 提高组织稳定性提高组织稳定性         再结晶温度：再结晶温度：T再再＋＋100～～200℃ 26第四节 晶粒长大晶粒长大 驱驱 动动 力：力：界面能差界面能差. . 长大方式：长大方式： 正常长大；正常长大； 异常长大（二次再结晶）异常长大（二次再结晶）. .27第四节 晶粒长大晶粒长大一一 晶粒的正常长大晶粒的正常长大 1 1 正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。

2 2 驱动力：界面能差界面能越大，曲率半径越小，驱驱动力：界面能差界面能越大，曲率半径越小，驱 动力越大动力越大 ( (长大方向是指向曲率中心长大方向是指向曲率中心, ,而再结晶晶核的长大方向相反而再结晶晶核的长大方向相反.).) 28第四节 晶粒长大晶粒长大一一 晶粒的正常长大晶粒的正常长大 晶界趋于平直晶界趋于平直; ; 3 3 晶粒的稳定形状晶粒的稳定形状 晶界夹角趋于晶界夹角趋于120℃;120℃; 二维坐标中晶粒边数趋于二维坐标中晶粒边数趋于6.6.29第四节 晶粒长大晶粒长大一一 晶粒的正常长大晶粒的正常长大4 4 影响晶粒长大的因素影响晶粒长大的因素(1)(1)温度。

温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化2)(2)分散相粒子阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率一分散相粒子阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率一 般有晶粒稳定尺寸般有晶粒稳定尺寸d和第二相质点半径和第二相质点半径r、、体积分数体积分数 的的     关系：关系：d=4r/3 (3)(3)杂杂质质与与合合金金元元素素气气团团作作””钉钉扎扎晶晶界界, ,不不利利于于晶晶界界移移动动 (4)(4)晶粒位向差小角度晶界的界面能小于大角度晶界，晶粒位向差小角度晶界的界面能小于大角度晶界， 因而前者的移动速率低于后者因而前者的移动速率低于后者30第四节 晶粒长大晶粒长大二二 晶粒的异常长大晶粒的异常长大1 1 异常长大异常长大: :少数再结晶晶粒的急剧长大现象少数再结晶晶粒的急剧长大现象 (二次再结晶二次再结晶））2 2 基本条件基本条件: :正常晶粒长大过程被正常晶粒长大过程被( (第二分散相微粒、织构）第二分散相微粒、织构） 强烈阻碍强烈阻碍3 3 驱动力：界面能变化不是重新形核）驱动力：界面能变化。

不是重新形核）31第四节 晶粒长大晶粒长大二二 晶粒的异常长大晶粒的异常长大 钉扎晶界的第二相溶于基体钉扎晶界的第二相溶于基体. .4 4 机制机制 再结晶织构中位向一致晶粒的合并再结晶织构中位向一致晶粒的合并. . 大晶粒吞并小晶粒大晶粒吞并小晶粒. .                                                                   各向异性各向异性                                               织构明显织构明显    优化磁导率优化磁导率 5 对组织和性能的影响对组织和性能的影响       晶粒大小不均晶粒大小不均     性能不均性能不均                                                                   降低强度和塑韧性降低强度和塑韧性                                               晶粒粗大晶粒粗大    提高表面粗糙度提高表面粗糙度32第四节 晶粒长大晶粒长大三三 再结晶退火的组织再结晶退火的组织1 1 再结晶图。

退火温度、变形量与晶粒大小的关系图再结晶图退火温度、变形量与晶粒大小的关系图2 2 再结晶织构再结晶织构: :再结晶退火后形成的织构退火可将形变织再结晶退火后形成的织构退火可将形变织 构消除，也可形成新织构构消除，也可形成新织构 择优形核（沿袭形变织构）择优形核（沿袭形变织构） 择优生长（特殊位向的再结晶晶核快速长大）择优生长（特殊位向的再结晶晶核快速长大）3 3 退火孪晶退火孪晶: :再结晶退火后出现的孪晶是由于再结晶过程再结晶退火后出现的孪晶是由于再结晶过程 中因晶界迁移出现层错形成的中因晶界迁移出现层错形成的33第五节 金属的热变形金属的热变形一一 动态回复与动态再结晶动态回复与动态再结晶 1 1 动态回复：在塑变过程中发生的回复静态动态回复：在塑变过程中发生的回复静态…) 2 2 动动态态再再结结晶晶：：在在塑塑变变过过程程中中发发生生的的再再结结晶晶 （（静静态态…) 特点特点    反复形核，有限长大，晶粒较细反复形核，有限长大，晶粒较细。

                        包含亚晶粒，位错密度较高包含亚晶粒，位错密度较高,强度硬度高强度硬度高            应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、                                                        快的冷却速度可获得细小晶粒快的冷却速度可获得细小晶粒34第五节 金属的热变形金属的热变形二二 金属的热加工金属的热加工1 加工的分类加工的分类    冷加工：在再结晶温度以下的加工过程发生加工硬化冷加工：在再结晶温度以下的加工过程发生加工硬化热加工：在再结晶温度以上的加工过程硬化、回复、热加工：在再结晶温度以上的加工过程硬化、回复、                 再结晶   2 热加工温度：热加工温度：T再再

提高强度、塑性、韧性降低偏析提高强度、塑性、韧性    （（2）形成纤维组织（流线）形成纤维组织（流线）        组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布        性能：各向异性沿流线方向塑性和韧性提高明显性能：各向异性沿流线方向塑性和韧性提高明显36第五节 金属的热变形金属的热变形二二 金属的热加工金属的热加工3 热加工后的组织与性能热加工后的组织与性能               （（3）形成带状组织）形成带状组织         形成：两相合金变形或带状偏析被拉长形成：两相合金变形或带状偏析被拉长         影响：各向异性类似于流线组织影响：各向异性类似于流线组织         消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高                     温扩散退火或正火温扩散退火或正火37第五节 金属的热变形金属的热变形二二 金属的热加工金属的热加工4  热加工的优点热加工的优点          （（1）可持续大变形量加工可持续大变形量加工。

          （（2）动力消耗小动力消耗小          （（3）提高材料质量和性能）提高材料质量和性能38第五节 金属的热变形金属的热变形三三 超塑性超塑性1 超塑性：某些材料在特定变形条件下呈现的特别大的超塑性：某些材料在特定变形条件下呈现的特别大的                   延伸率2条件：晶粒细小、温度范围（条件：晶粒细小、温度范围（0.5~0.65Tm）、）、应变速率小应变速率小            （（1～～0.01%/s）3 本质：多数观点认为是由晶界的滑动和晶粒的转动所致本质：多数观点认为是由晶界的滑动和晶粒的转动所致4 应用：复杂零件的精密成形；难于热变形材料的加工应用：复杂零件的精密成形；难于热变形材料的加工 39。