第06章回复再结晶.ppt

第七章 金属及合金的回复与再结晶,姜庆辉 qhjiang@ 材料科学与工程学院,1,第一节 形变金属与合金在退火过程 中的变化,第二节 回 复,第五节 金属的热加工,第三节 再 结 晶,第四节 晶粒长大,2,变形储能使金属内能升高，处于热力学亚稳状态退火过程中，原子活动能力升高，形变金属就能从亚稳态向稳态转变，而变形储能则是形变金属退火过程中组织变化的驱动力形变储能: 弹性应变能(3~12%) 晶格畸变能(80~90%) 退火： 将材料加热到一定温度保持一定时间的热处理 工艺，按目的又可分为去应力退火、成分均匀 化退火等多种 0.5 Tm,,亚稳态,塑形变形消耗的功=热+,3,第一节 冷变形金属在加热时的组织与性能变化,1.1 回复与再结晶,回 复：冷变形金属较低温加热时，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4,1.2显微组织 的变化,回复阶段： 在这段时间内从显微组织上几乎看不出任何变化，晶粒仍保持伸长的纤维状； 再结晶阶段 在变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒，随着时间的延长，新晶粒不断出现并长大，这个过程一直进行到塑性变形后的纤维状晶粒完全改组为新的等轴晶粒为止， 晶粒长大阶段 新的晶粒逐步相互吞并而长大，到一个较为稳定的尺寸 新若将保温时间确定不变，而使加热温度由低温逐步升高时，也可以得到相似的三个阶段，0～T1为回复阶段，T1～T2为再结晶阶段，T2～T3为晶粒长大阶段。

的晶粒逐步相互吞并而长大，晶粒长大到一个较为稳定的尺寸5,1.2 显微组织变化,6,在加热过程中，由于原子具备了足够的活动能力，偏离平衡位置大、能量较高的原子，将向能量较低的平衡位置迁移，使内应力得以松弛，储存能也将逐渐释放出来1.3储存能和内应力变化,其中1代表纯金属的，2、3分别代表非纯金属和合金的每一曲线都出现一个高峰，高峰开始出现的地方（如图中箭头所示）对应于第一批再结晶晶粒出现的温度在此温度之前，只发生回复，不发生再结晶7,内应力的变化,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： 内应力可完全消除回顾：残余应力类型,8,1.4 性能变化,力学性能,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9,金属的电阻与晶体中点缺陷的密度相关，点缺陷所引起的晶格畸变会使电子产生散射，提高电阻率，它的散射作用比位错所引起的更为强烈由此可知，在回复阶段，形变金属中的点缺陷密度将有明显的降低此外，点缺陷密度的降低，还将使金属的密度不断增加，应力腐蚀倾向显著减小。

物理性能的变化,10,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 形变储能：回复阶段部分释放，再结晶至长大初期完全释放11,在回复阶段的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶温度时，亚晶粒尺寸显著增大1.5 亚晶粒尺寸,,12,第二节 回 复,回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程通常指冷塑性变形金属在退火处理时，其组织和性能变化的早期阶段 它是在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化回复阶段一般加热温度在0.4Tm以下13,2.1 回复时组织性能变化,宏观应力基本去除，微观应力仍然残存； 物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回到未变形前的水平； 力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的变化； 光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，在电子显微镜下可见到晶粒内部组织的变化位错的胞状组织转变为亚晶),14,2.2回复动力学 退火温度和时间对回复过程的影响,纵坐标表示剩余加工硬化分数1-R。

其中R=（σm-σr）/(σm-σ0)，σ0是纯铁经充分退火后的屈服极限，σm是冷变形后的屈服极限，σr是冷变形后经不同规程回复处理的屈服极限显然1-R越小，则R越大，表示回复的程度越大图7-4 经拉伸变形后的纯铁在不同温度下屈服强度的回复动力学曲线,15,其它材料性能参量的回复过程也具有类似的热激活特征设变形前（或完全退火态）材料的某一可测物性参量(如电阻率等)为P0，冷变形后为Pd，回复过程中其性能P和回复温度、时间满足如下动力学关系：,其中A为与材料类型结构有关的常数，Q为回复激活能，R为气体常数，T发生回复温度，t为回复进行的时间16,同理，不同的温度下，回复到相同的程度所需时间可以表示为：,即ln t ~ 1/T成线性关系一方面可以由此测量计算它的激活能；另一方面说明热激活过程中时间和温度的等效关系实际上任何材料变形后都在慢慢的发生回复，室温下无明显变化主要是因为变化的速度很慢所致17,退火温度和时间对回复过程的影响,从图中的各条曲线不难看出，回复的程度是温度和时间的函数温度越高，回复的程度越大当温度一定时，回复的程度随时间的延长而逐渐增加但在回复初期，变化较大，随后就逐渐变慢，当达到了一个极限值后，回复也就停止了。

在每一温度，回复程度大都有一个相应的极限值，温度越高，这个极限值越大，同时达到这个极限值所需的时间越短达到极限值后，进一步延长回复退火时间，没有多大的实际意义,18,2.3 回复机制,低温阶段 —点缺陷的迁移和减少, 表现为: 空位与间隙原子的相遇而互相中和 点缺陷运动到界面处消失 聚集成空位对和空位群 空位或间隙原子运动到刃位错处消失，引起位错的攀移,总之，空位运动的结果，使空位密度大大减少由于电阻率对空位比较敏感，所以它的数值有较显著的下降，而力学性能对空位的变化不敏感，所以不出现变化19,2.3 回复机制,中温阶段:主要涉及到位错的运动 异号位错抵消, 位错密度略有降低 缠结位错重新组合; 亚晶粒长大20,2.3 回复机制,高温回复 多边化； 位错攀移和位错环缩小； 亚晶粒合并多边化 是指冷变形金属加热时，原来处于滑移面上的位错，通过滑移和攀移形成与滑移面垂直的亚晶界的过程多边化的驱动力是弹性应变能的降低21,冷变形后，晶体中同号的刃型位错处在同一滑移面时它们的应变能是相加的，可能导致晶格弯曲（见图7-5a）；而多边化后，上下相邻的两个同号刃型位错之间的区域内，上面位错的拉应变场正好与下面位错的压应变场相叠加，互相部分地抵消，从而降低了系统的应变能（见图7-5b）。

图7-5 多边化前、后刃型位错的排列情况 a）多边化前 b）多边化后,2.3 回复机制,22,发生多边化时，除了需要位错的滑移（沿滑移面运动）外，还需要位错的攀移，如图7-6所示所谓攀移是指刃型位错沿垂直于滑移面的方向运动，如图7-7所示如果额外半原子面下端的原子扩散出去，或者与空位交换位置，这样就会使位错线的一部分或整体移到另一个新的滑移面上（即额外半原子面缩短），这种运动称为正攀移相反，假若在额外半原子面下端添加原子，使额外半原子面扩大，称为负攀移2.3 回复机制,23,金属材料经多滑移变形后形成胞状亚结构，胞内位错密度较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密度很高在回复退火阶段，当用光学显微镜观察其显微组织时，看不到有明显的变化但当用电子显微镜观察时，则可看到胞状亚结构发生了显著地变化图7-8为纯铝多晶体进行回复退火时亚结构变化的电镜照片2.4 亚结构的变化,24,亚结构的变化,图7-8 纯铝多晶体（冷变形5%） 在200℃回复退火时亚结构变化的 电镜照片 a）回复退火前的冷变形状态 b）回复退火0.1h c）回复退火50h d）回复退火300h,25,回复退火在工程上称之为去应力退火，使冷加工的金属件在基本上保持加工硬化状态的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力）， 减轻工件的翘曲和变形，降低电阻率，提高材料的耐蚀性并改善其塑性和韧性，提高工件使用时的安全性。

2.5 回复退火的应用,,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26,黄铜弹壳的晶间开裂 来自于铜锌合金的应力腐蚀,,,,,冷拉钢丝卷制弹簧 去应力退火,27,第三节 再结晶 (Recrystallization),再结晶的基本过程,冷变形后的金属加热到一定温度(一般大于0.4Tm)或保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，新生成的晶粒逐渐全部取代塑性变形过的晶粒，位错密度显著降低，性能发生显著变化并恢复到冷变形前的水平，这个过程称为再结晶再结晶的驱动力也是变形储能的降低28,变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于同一个相 再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没有确定的转变温度 再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化后可以发生可逆变化 发生再结晶的热力学驱动力是冷塑性变形晶体的畸变能，也称为储存能冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大来进行，但再结晶过程不是相变原因有：,29,再 结 晶,影线部分代表塑性变形基体，白色部分代表无畸变的新晶粒从图中可以看出，再结晶并不是一个简单地恢复到变形前组织的过程，两者的晶粒大小并不一定相同，这就启示人们掌握再结晶过程的规律，以便使组织向着更有利的方向变化，从而达到改善性能的目的。

图7-9 再结晶过程示意图,30,3.1 再结晶形核,再结晶的形核是个复杂的过程最初人们尝试用经典的形核理论来处理再结晶过程，但计算得到的临界晶核半径过大，与试验结果不符 大量实验表明，再结晶晶核总是在塑性变形引起的最大畸变处形成，并且回复阶段发生的多边化是再结晶形核的必要准备31,3.1.1 亚晶粒长大形核机制,亚晶粒长大形核一般在受大变形度的材料中发生回复阶段，塑性变形所形成的胞状组织经多变化发展成亚晶，其中亚晶长大形核的方式有亚晶合并和亚晶界移动两种机制a. 亚晶合并机制,相邻亚晶界的位错，通过滑移和攀移转移到周围晶界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，最后通过原子扩散和位置的调整，使两个或多个亚晶粒的取向变为一致，合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核32,b. 亚晶界移动机制,如上图，晶粒中某些局部位错密度很高的亚晶界向周边移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核33,3.1.2 晶界凸出形核机制,晶界凸出形核又称为晶界弓出形核，当金属材料的变形度较小（约小于40％）时，再结晶晶核常以这种方式形成金属变形是不均匀的，若晶界两边一个晶粒的位错密度高，另一个位错密度低，加热时晶界会向密度高的一侧突然移动，高密度一侧的原子转移到位错低的一侧，新的排列应为无畸变区，这个区域就是再结晶核心。

34,和结晶形核方式类似，晶界弯曲后，一方面晶界的弯曲面因面积增加会增加界面能，另一方面形核区中原变形区内有应变能的释放 35,形核的临界条件是 ：,其中ES为单位体积内的应变畸变能，σ为界面能，a为生成前晶界的半径36,晶界凸出形核现象在铜、镍、银、铝及铝-铜合金中曾直接观察到37,3.1.2再结晶晶核的长大,当再结晶晶核形成之后，它就可以自发、稳定地生长晶核在生长时，其界面总是向畸变区域推进界面移动的驱动力是无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差界面移动的方向总是背离界面曲率中心当旧的畸变晶粒完全消失，全部被新的无畸变的再结晶晶粒所取代时，再结晶过程即告完成，此时的晶粒大小即为再结晶初始晶粒38,再结晶晶核的形成与长大都需要原子的扩散，因此必须将冷变形金属加热到一定温度之上，足以激活原子，使其能进行迁移时，再结晶过程才能进行通常把再结晶温度定义为：经过严重冷变形（变形度在70。