材料科学基础-第六章_金属及合金的回复与再结晶_ppt课件

第六章 金属及合金的回复与再结晶第六章 金属及合金的回复与再结晶Chapter 6 Recovery and Recrystallization of Metals and Alloys主要内容：l冷变形金属在加热时的组织和性能变化l回复l再结晶l晶粒长大l金属的热加工冷变形金属在不同加热温度时组织和性能的变化第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化第一节 冷变形金属在加热时的组织和性能变化金属经冷变形后，组织处于亚稳定状态，有自发恢复到变形前状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，亚稳定状态可以维持相当长时间。加热可以增加原子扩散能力 ,金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。与此同时，变形金属的组织与性能也发生相应的变化。回复和再结晶的驱动力：冷变形后保留在金属内部的畸变能，或称储存能。一、显微组织的变化第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化轴小晶粒，并随时间的延长不断长大，直至伸长的晶粒完全转变为新的等轴晶粒为止。3.晶粒长大阶段再结晶过程中形成的等轴晶粒逐步相互吞并而长大，直至达到一个稳定的尺寸。1.回复阶段显微组织几乎没有发生变化，晶粒仍保持冷变形后的伸长状态。2.再结晶阶段在变形的晶粒内部开始出现新的等 冷变形金属显微组织随加热温度和时间的变化二、储存能及内应力的变化第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化1.储存能的变化冷变形造成的偏离平衡位置大、能量较高的原子，在加热过程中向能量较低的平衡位置迁移，使内应力得以松弛，储存能随之逐渐释放出来。2.残余内应力的变化在回复阶段，第一类内应力得到较为充分的消除，第二类或第三类内应力部分得到消除。在再结晶阶段，因冷变形造成的残余内应力得以完全消除。冷变形金属在加热过程中能量的释放1纯金属； 2不纯金属； 3合金。三、性能的变化第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化1.回复阶段的变化硬度和强度略有下降，塑性和韧性略有提高，电阻率较显著地降低，应力腐蚀倾向显著减小。回复阶段位错密度减少有限，但点缺陷数量明显降低，导致上述性能的变化。2.再结晶阶段的变化硬度和强度显著下降，塑性和韧性显著提高，电阻率显著地降低。再结晶阶段位错密度下降明显，点缺陷继续减少，导致上述性能变化。冷拉伸变形后的工业纯铜在加热时性能的变化第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.2 回复二、回复机制1.低温回复低温回复是冷变形产生的过量空位消失，点缺陷密度明显下降的过程。回复机制：空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环位错环空位与间隙原子的合并 空位迁移到金属的自由表面或晶界处而消失； 空位与间隙原子合并，空位与间隙原子同时消失； 空位与位错发生交互作用而消失； 空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环而消失。第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.2 回复2.中温回复中温回复是位错主要以滑移方式运动，以及位错发生重新排列，位错密度略有下降的过程。回复机制： 位错滑移，导致位错重新组合排列； 位于同一滑移面上的 异号位错相互吸引，会聚后而互相抵消。在中温下，处于同一滑移面上的异号位错要实现会聚所需的激活能较小，可以发生。不在同一滑移面上的异号位错要会聚而互相抵消，则必须先通过攀移或交滑移至同一滑移面上才能得以实现。显然这一过程需要更大的激活能，即需要更高的温度，这在中温下难以发生。第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.2 回复3.高温回复高温回复是位错攀移和滑移，发生多边化，使不规则的位错重新分布，形成稳定的位错网络，构成亚结构，位错密度下降，畸变能显著降低的过程。回复机制：多边化 （ Polygonization） 。多边化前多边化后位错墙多边化过程 刃位错通过攀移和滑移排列成位错墙多边化过程是一种热激活过程。第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.2 回复三、回复过程中亚结构的变化经冷变形的金属，显微组织中形成了胞状亚结构，在胞壁处位错密度很高。回复过程中，胞状亚结构发生显著变化： 胞壁内位错密度有所下降； 弯曲的位错逐渐伸直； 位错缠结逐渐转变成能量较低的稳定的位错网络； 胞壁变得较清晰，成为亚晶界； 位错网络发生分解，并入更稳定的位错网络中，使亚晶粒聚合而长大。回复前的冷变形状态 回复 0.1小时回复 50小时 回复 300小时经 5% 冷变形的纯铝在 200C回复的亚结构变化缠结位错 伸直了的位错位错网络大的稳定网络四、回复的应用去应力退火 （ Stress-relief Annealing） ：将已经加工硬化的金属在较低的温度下加热，使其内应力基本消除，耐应力腐蚀性提高，同时又保持加工硬化的工艺方法。举例：举例： 深冲成形的黄铜弹壳，经 260C的去应力退火，充分消除残余内应力，避免发生应力腐蚀开裂。如果不进行去应力退火，弹壳在放置一段时间后，由于内应力的作用，加上外界气氛对晶界的腐蚀，导致发生晶间开裂 （ 称为 “ 季裂 ” ） 。 冷卷弹簧制品，在成型后进行一次 250 300C的低温加热，充分消除残余内应力，稳定尺寸，同时保持其强度和硬度基本不变。如果不进行去应力退火，弹簧尺寸会发生变化。第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.2 回复第三节 再结晶 （ Recrystallization）再结晶是冷变形金属在加热到一定温度后，在已变形组织中重新产生无畸变的新晶粒，性能发生明显的变化，并恢复到完全软化状态的过程。加热前 625 加热（不完全再结晶） 670 加热（完全再结晶） 第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶无畸变的再结晶晶粒在变形组织中形核，然后长大，最后完全取代变形的晶粒。第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶回复和再结晶对冷变形金属性能的影响经过再结晶，冷变形所导致的各种性能改变基本消失，加工硬化被消除，内应力得到充分释放，电阻率降低到变形前的水平。第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶一、再结晶动力学再结晶具有典型的形核长大过程的动力学特征：等温下，再结晶速度开始时很小，随再结晶百分数的增加而增大，并在50%处达到最大，然后又逐渐减小。经 98% 冷轧的纯铜（ 99.999%Cu ）在不同温度下的等温再结晶动力学曲线第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶式中， V在 t时间已经再结晶的体积分数； B、 K常数，由实验决定。等温再结晶动力学方程：或结论：结论：冷变形金属在加热发生再结晶时，温度越高，再结晶进行得越快，产生一定体积分数再结晶所需的时间也越短。（温度恒定）等温下，时间越长，再结晶进行得越充分。再结晶速度与温度的关系：式中： v再 再结晶的速度； QR再结晶的激活能；R气体常数； T绝对温度； A比例常数。再结晶是一种热激活过程，温度越高，再结晶进行得越快。举例：举例：第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶采用不同的温度加热冷变形金属使之再结晶到同样的程度（即再结晶的体积分数相同），温度越高，所需时间越短。再结晶的速度与产生一定再结晶体积分数所需的时间 t 成反比。则：H70黄铜 (含 30%Zn) 分别在 400C和 390C下完成再结晶所需要的时间：400C下需要 1小时， 390C下需要 1.97小时。H70黄铜的再结晶激活能为 251kJ/gmol。或 （ 2.3lgx=lnx）第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶二、再结晶的形核与长大再结晶的核心 (晶核 )在变形造成的最大畸变处形成，随后进一步长大。1.形核 亚晶形核机制亚晶形核主要发生在经较大冷变形金属的再结晶过程中。l亚晶合并形核通过亚晶粒之间的亚晶界消失，使亚晶合并而长大成再结晶的核心。l亚晶直接长大形核通过亚晶界的移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而长大成再结晶的核心。亚晶粒合并形核机制亚晶直接长大形核机制第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶 晶界凸出形核机制（晶界弓出形核机制）晶界凸出形核主要发生在经较小冷变形金属的再结晶过程中。变形程度小，变形很不均匀，各晶粒中的位错密度不同，则亚晶粒的大小也有所不同，因此，晶界中的某一段就会向亚晶细小、位错密度高的一侧弓出，被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体，即再结晶的核心。晶界凸出形核机制具有亚晶粒组织晶粒间的凸出形核机制在晶界处 A 晶粒中的某些亚晶粒能通过晶界迁移而凸入 B 晶粒中，借消耗 B 中的亚晶而生长，从而形成再结晶的核心。第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶2.长大再结晶晶核形成之后，即借界面的移动向周围畸变区域长大。 再结晶晶核长大（晶界迁移）的驱动力无畸变的新晶粒与周围畸变的旧晶粒之间的畸变能差。 晶界的迁移方向晶界总是背离其曲率中心，向着畸变区域推进，直至全部形成无畸变的等轴晶粒为止，再结晶即告完成。三、再结晶温度及其影响因素1.再结晶温度冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度。再结晶不是一个恒温过程，没有恒定的转变温度。再结晶温度可定义为： 经过大变形量（变形度 70%以上）冷变形的金属，保温 1h能够完成再结晶（ V95%）的温度。第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶再结晶温度的经验公式：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)Tm2.影响再结晶温度的因素 变形度冷变形度越大， T再 越低。 原始晶粒度变形金属的晶粒越小， T再 越低。 金属的纯度纯度越高， T再 越低。 加热速度和保温时间加热速度缓慢和极快，均使 T再 升高。保温时间越长， T再 越低。T再 再结晶温度； Tm熔点。冷变形度与开始再结晶温度的关系FeAl第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶四、再结晶后的晶粒大小式中： d再结晶晶粒的平均直径； 形核率；G长大线速度； K比例常数。1.再结晶后的晶粒尺寸2.影响再结晶后晶粒大小的因素 变形度l变形度较小不发生再结晶，晶粒保持原状、大小。l变形度达到 2 10%再结晶后的晶粒异常粗大。2 10%的变形度称为临界变形度。l变形度超过临界变形度变形度越大，晶粒越细小。 冷变形度对再结晶后晶粒大小的影响第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶 加热（退火）温度和保温时间退火温度越高、保温时间越长，晶粒越粗大。Cu-35Zn退火温度与晶粒尺寸的关系含碳 0.06% 的低碳钢变形度及退火温度对再结晶后晶粒大小的影响 原始晶粒尺寸当变形度一定时，冷变形金属的晶粒越细小，再结晶后的晶粒越细小。提高退火温度，临界变形度数值变小。五、再结晶的应用再结晶退火 （ Recrystallization Annealing） ：将已经加工硬化的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶，以消除加工硬化的工艺方法。再结晶退火温度： T再 100 200 。再结晶退火的主要作用：恢复变形能力；消除各向异性；改善显微组织；提高组织稳定性。举例：举例：冷拔钢丝时，每拉拔一次，中间均进行再结晶退火，消除加工硬化，以便于下一次拉拔。第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.3 再结晶第四节 晶粒长大 （ Grain Growth）冷变形金属在再结晶结束后，继续升高温度或延长保温时间，晶粒就会不断长大，这一过程称为晶粒长大。一、晶粒的正常长大随温度的升高或保温时间的延长，晶粒均匀连续地长大。1.晶粒长大的驱动力晶粒长大前后总的界面能差。 第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.4 晶粒长大晶粒长大时晶界移动方向晶粒越小，晶界越多，界面能越高，晶粒长大可以降低总的界面能。2.晶粒的长大方式晶粒长大的实质是晶界的移动。晶界向着晶界的曲率中心移动，结果是：“ 大晶粒吞并小晶粒，凹界面变平直界面 ”。3.晶粒的稳定形状晶界移动的基本规律： 弯曲的晶界向其曲率中心的方向移动； 三个（或三个以上）晶粒交会处的界面角的变化是趋向于使作用在各晶界的表面张力在交会点达到互相平衡的状态 。 第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.4 晶粒长大三晶粒交会处的界面角 二维晶粒的稳定形状在平衡状态下，三晶界交会处的各界面角相等，均为 120，此时晶粒达到稳定的形状， 晶界平直 ，晶粒不会长大，也不会缩小。第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.4 晶粒长大晶粒的平衡形状十四面体 晶界曲率与晶粒形状晶界曲率与晶粒形状4.影响晶粒长大的因素 温度温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大。 杂质及合金元素杂质及合金元素阻碍晶界移动，使晶粒长大速度减小，晶粒细化。 第二相质点弥散的第二相质点强烈阻碍晶界移动，使晶粒长大速度减小，晶粒细化。 相邻晶粒的位向差位向差越大，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大。 晶界与金属表面相交处的热蚀沟热蚀沟对晶界产生约束，阻碍晶界移动，晶粒细化。第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.4 晶粒长大二、晶粒的反常长大（二次再结晶）在较高退火温度下，冷变形金属的再结晶晶粒不均匀不连续地迅速长大。 第六章 金属及合金的回复与再结晶 6.4 晶粒长大Fe-Si箔材二次再结晶的反常晶粒1.二次再结晶的特点 二次再结晶的反常晶粒是以一次再结晶后的某些特殊晶粒为基础而长大的。 一次再结晶后，绝大多数晶粒长大速度很慢，仅少数晶粒大具有特别大的长大能力。 少数反常长大的晶粒与其他晶粒的尺寸悬殊后，更有利于 “ 大呑并小 ” 。 反常长大的晶粒只在局部区域出现，造成明显不均匀的晶粒尺寸。2.二次再结晶的原理组织中的夹杂物、第二相质点、表面热蚀沟