材料科学基础_回复和再结晶.ppt

第九章回复与再结晶 回复再结晶晶粒长大再结晶后的组织金属的热加工 引言 冷变形后的金属材料存在加工硬化和残余内应力等性能变化 在很多情况下并不是人门希望的 可以通过加热引起的组织变化来改变这些性能 塑性变形后 在材料的内部的晶粒破碎拉长 位错等缺陷大量增加和存在的内应力都使材料存在弹性应变能 使其内能升高处于不稳定的状态 系统本身就存在释放能量的潜力 当温度提高后 原子的活动能力增强 原子在热运动中会使材料朝着减少缺陷 降低能量的方向发展 造成组织和性能的变化 冷变形后的材料加热转变 对冷变形的塑性材料进行重新加热 随着加热的温度和保温时的不同 发生的变化大致可以分为三个阶段 回复 再结晶和晶粒的长大 他们都是减少或消除结构缺陷的过程 相应材料的内应力 晶粒尺寸 强度 塑性等性能也发生对应变化 第一节回复 回复的变化回复机制回复动力学 所谓回复 即在加热温度较低时 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 回复概念 回复的组织性能变化 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 在电子显微镜下可间到晶粒内部组织的变化 位错的胞状组织转变为亚晶 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 空位或间隙原子运动刃位错处消失 引起位错的攀移 点缺陷运动到界面处消失 他们都将减少晶体中的点缺陷 力学性能无变化 但物理性能发生回复 较高温阶段 位错的运动和重新分布 滑移面上异号位错相遇销毁 可使位错密度略有降低 回复机制 高温回复 当温度大于0 3Tm后 位错可以获得足够的能量自身除滑移外还可产生攀移 除异号位错中和外 还有位错的组合和重新排列 例如排列成墙明显降低弹性应变能 变形的晶体发生多边化 甚至形成亚晶粒 回复动力学 回复过程是热激活过程 转变的速度决定于原子的活动能力 即决定于转变的温度 设材料的某一可测量物理性能指标数值为P P可能指电阻率或其他 变形前为P0 变形后为Pd 可以证明发生回复过程后的性能和时间的关系为 其中A为与材料类型结构有关的常数 Q为激活能 R为气体常数 T发生回复的温度 t为回复进行的时间 回复动力学 因此在不同的温度下 回复到相同的程度所用的时间的为 即ln t 和1 T成线形关系 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 平时在室温下未见到性能变化的仅因为变化的速度很慢 第二节再结晶 基本过程再结晶形核再结晶动力学影响再结晶速度的因素 再结晶的基本过程 经过塑性变形后的金属材料在加热到较高温度时 一般大于0 4Tm 可以发生晶粒的重新改组 同结晶过程类似 首先在材料中形成新的无畸变的小晶粒 这些小晶粒消耗周围发生过变形的晶体而不断长大 同时也有新的小晶粒形成 直到新的晶粒全部代替变形过的晶体 这个过程也是一形核和核心长大 称为再结晶 材料发生了再结晶后 由于全部用新生成的晶粒替换了原发生过塑性变形的晶粒 所以材料经过再结晶后 由冷塑性变形带来的所有性能变化就全部消失 材料的组织发生了变化 性能完全彻底回到变形前的状态 再结晶的转变不是相变 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 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 再结晶的晶界弓出的形核机制 金属在变形时是不均匀的 若晶界两边一个晶粒的位错密度高 另一个位错密度低 在加热时晶界会向位错密度高的一侧突然移动 从位错高的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 和结晶形核方式类似 晶界弯曲后 一方面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间有应变能释放 再结晶的晶界弓出的形核机制 和液体结晶形核不相同的是如果达不到临界条件 晶界也会弯曲 到一定程度停止但不会消失 相关的定量数学式略 同时位错低的一边的原子在晶核处重排列 从原变形状态改变为无变形状态 超过一定的区域与原晶粒形成大的取向差 即独立形成一新晶粒 形核的临界条件是 其中ES为单位体积内的应变畸变能 为界面能 a为生成前晶界的半径 晶界弓出的形核例证 晶界弓出形核这种现象在铜 镍 银 铝及铝 铜合金中曾直接观察到 再结晶的其它形核机制 其他形核机制 在再结晶中的形核还有亚晶合并长大 详细过程就不分析了 总之核心都是在原有晶粒的边界或变形较大的地方先产生 核心的长大是变形晶粒晶界附近的原子移动到新的未变形晶粒上 从而可以减少变形应变能 新晶粒不断长大到相遇 最后全部为新晶粒 再结晶完成 再结晶动力学 在一定变形量下 将变形金属在不同温度进行不同时间的退火 让其发生再结晶 用金相法测定发生再结晶的体积分数随时间的变化 得出结果如图所示 再结晶动力学 对于均匀结晶过程 即形核率N和长大速度G不变时 分析可以推导出转变分数XV和时间t的关系 即Johnson Mehl方程 这里忽略孕育期且未考虑生长后期晶粒相遇带来的影响 工程中常用数学回归的Avrami方程 式中常数B与材料种类和变形量等有关 常数n为反应级数 一般材料为3 4 板材 2 3 和线材 1 2 或更小 再结晶动力学 再结晶过程也是热激活过程 达到同样的再结晶程度 也存在温度和时间的等效关系 其中激活能Q除决定于材料的类型 成分 纯度等 外 还和变形量的大小直接相关 显然退火前 材料的冷塑性变形量愈大 相应所需的激活能愈小 影响再结晶速度的因数 材料因素 原子的结合力大 表现为熔点高的材料 再结晶进行较慢 材料的纯度 纯净材料如纯金属 进行较快 而溶入了其他元素 特别是元素易在晶界处存在聚集时 将降低再结晶的速度 第二相质点的存在 特别是其成弥散分布时 将明显降低再结晶的速度 工艺因素 加热温度愈高 再结晶速度愈快 变形量大 弹性畸变能大 再结晶速度也快 当变形量过小 弹性畸变能不能满足形核的基本要求时 再结晶就不能发生 即能发生再结晶需要一起码的变形量 称为临界变形量 C 大多金属材料的临界变形量在2 10 之间 第三节晶粒长大 晶粒长大的动力晶粒的正常长大晶粒的非正常长大 晶粒长大的动力 晶粒的长大是一自发过程 其驱动力是降低其总界面能 长大过程中 晶粒变大 则晶界的总面积减小 总界面能也就减小 为减小表面能晶粒长大的热力学条件总是满足的 长大与否还需满足动力学条件 这就是界面的活动性 温度是影响界面活动性的最主要因素 晶粒长大的动力分析 两晶粒的界面如果是弯曲如图所示 则在晶粒 内存在附加压力 其中r1和r2分别为界面在两个方向的曲率半径 可见晶粒 的化学位比晶粒 要高 因而原子从晶粒 越过晶界到晶粒 晶界向晶粒 边迁移 会降低自由能 所以自发过程是界面向凹向边迁移 晶粒的正常长大 晶粒长大在热力学上是必然 在长大过程中 所有能长大晶粒都处在大致相同的环境 长大后的晶粒大小分布统计结果相同 所以把这种晶粒的均匀长大称为正常长大 从晶界平衡可知 都为大角晶界时 小晶粒周围的原子数少于6 弯曲面向内 而大晶粒周围的原子数多于6 弯曲面向外 晶粒长大的方式是小晶粒变小到消失 而大晶粒不断变大 即大吃小的兼并方式进行 晶粒长大的最终结果是材料的晶粒平均尺寸变大 影响最后晶粒尺寸的因素和影响再结晶速度相同 但这时已经没有弹性畸变能的作用了 显然同一材料 退火过程中加热温度愈高 保温时间越长 长大后的晶粒就愈粗大 晶粒的非正常长大 在长大过程中 一般晶粒在正常缓慢长大时 如果有少数晶粒处在特别优越的环境 这些大量吞食周围晶粒 迅速长大 这种现象称为晶粒的异常长大 这些优先长大的少数晶粒最后到互相接触 早期的研究以为是形核和核心的生长过程 而称为 二次再结晶 但实质并不是靠重新产生新的晶核 而是在一次再结晶后的长大过程中 某些晶粒的环境特殊而产生的优先长大 材料发生异常长大时 出现了晶粒大小分布严重不均匀 长大后期可能造成材料晶粒尺寸过大 它们都对材料的性能带来十分不利的影响 晶粒非正常长大图片 异常长大的晶粒金相图片 晶粒非正常长大预防 再结晶退火时发生晶粒异常长大的条件是 材料的冷变形程度较大 产生了织构 变形织构 再结晶后晶粒取向的遗传 组织依然存在择优取向 再结晶织构 这时晶粒取向差小 晶界的界面能较小 正常长大速度较慢 个别较大的晶粒的取向不同 有较大的界面能 长大速度也较快 晶粒优先长大就有了可能 再结晶的加热温度较高 再结晶发生快 晶界容易移动又有足够的时间来进行晶粒长大 所以防止材料发生晶粒异常长大的方法就是注意这两个环节 第四节再结晶后的组织 再结晶温度再结晶后的晶粒尺寸其他组织变化 再结晶温度 再结晶并不是只能在固定的温度以上才能发生 而是温度愈高 转变速度愈快 再结晶温度被定义为在一定时间内完成再结晶所对应的温度 通常规定在一小时内再结晶完成95 所对应的温度为再结晶温度 准确的称呼应是一小时再结晶温度 再结晶温度与材料的类型 纯度有关 而且和材料冷变形程度也有关 再结晶温度随着变形量的增加而降低 最终有一下限值 对于工业纯金属来讲 经验表明最低再结晶温度在0 35TM左右 一般再结晶温度用0 4TM来估计 再结晶后的晶粒尺寸 1 预先变形量 在临界变形量 不同材料不相同 一般金属在2 10 之间 以下 材料不发生再结晶 维持原来的晶粒尺寸 在临界变形量附近 刚能形核 因核心数量很少而再结晶后的尺寸 很大 有时甚至可得到单晶 一般情况随着变形量的增加 再结晶后的晶粒尺寸不断减小 当变形量过大 70 后 可能产生明显织构 在退火温度高时发生晶粒的异常长大 再结晶后的晶粒尺寸 2 退火温度和时间 再结晶刚结束时 材料的晶粒尺寸一般与退火温度无明显的变化 但退火温度高 完成再结晶用的时间少 长大的时间就长 所以一般规律依然是随退火温度的提高而晶 粒尺寸增大 再结晶退火一般均采用保温2小时 保证再结晶充分完成而晶粒不过分长大 延长保温时间显然会造成晶粒尺寸的长大 再结晶后的晶粒尺寸 杂质 无论是固溶于晶体内的异类原子 还是在材料组织中存在的第二相质点 特别是弥散分布时 都将促进再结晶后的晶粒细化 原始晶粒大小 在其他条件相同时 材料变形前的晶粒尺寸愈细小 晶界面多 有利形核 再结晶后的晶粒也细小 材料变形温度较高 或再结晶退火前进行较有效的回复处理 因降低了畸变能 可使再结晶后的晶粒变粗 再结晶后的晶粒尺寸 变形金属退火后即再结晶后的晶粒尺寸对材料的性能有极其重要的影响 再结晶后的晶粒尺寸和凝固结晶一样 决定于G N的值 已经分析了它们受到各种条件的影响 为了防止再结晶后晶粒尺寸粗大 材料需要进行再结晶退火时 应避免在临界变形量 同时一次不宜进行过大的变形 防止产生组织织构或出现晶粒的异常长大 严格控制再结晶退火的温度和保温时间 以保证再结晶能充分完成而晶粒不过分长大 其他组织变化 再结晶织构 材料的冷变形程度较大 如果产生了变形织构 在再结晶后晶粒取向的遗传 组织依然存在择优取向 这时的织构称为再结晶织构 第二相质点的分布 由多个相组成材料的材料 塑性变形后 作为强化的第二相往往被拉长 或压碎后成长条形分布 它们的再结晶温度也较高 在材料进行再结晶退火时不能改变其分布 保留着变形的痕迹 出现所谓 带状 组织 第五节金属的热加工 热加工热加工时的软化机制热加工对材料组织性能的影响 热加工引出 冷态对材料进行塑性变形会产生加工硬化 当材料成形需要较大的变形量时 一种方法就是进行一段变形后 进行一次再结晶退火 再来继续进行塑性变形 再退火 直到达到需要的变形程度 金属材料的强度和硬度会随温度的上升而下降 塑性会随温度的升高而升高 因此在较高的温度下进行塑性变形 材料的抗力小 变形所用的动力 外加变形力 也小 高的塑性减少开裂破坏的可能性 如果温度超过材料的再结晶温度 在变形的同时会发生再结晶 可不产生加工硬化 直接进行大变形量的变形 热加工定义 把金属的塑性变形称为加工 凡是在其再结晶温度以上进行加工变形称为热加工 反之在其再结晶温度以下进行的加工变形称为冷加工 这里的冷热加工的分界线不是以变形过程是否进行过加热 铅的再结晶温度在0 以下 在室温下进行变形是属于热加工 铁的再结晶温度为450 左右 在400 进行变形仍属于冷加工 而钨在1000 进行变形也属于冷加工 热加工的流变应力 热加工所需的应力称为流变应力 材料进行塑性变形 一方面产生加工硬化 进一步变形需要加大应力 另一方面在再结晶温度以上 材料会发生再结晶软化 可使变形应力减小 并且加工硬化程度越高 再结晶速度越快 二者达到动态平衡后 继续变形就不需要再加大应力 也就是在这个应力作用下能一直变形 这个应力就是流变应力 流变应力的大小和材料的本质有关 由材料成分所决定的强度高 对应的流变应力必然也高 此外 还和变形温度和变形速度有直接的关系 流变应力随变形速率 单位时间内的变形量 加大而增加 随变形温度升高而下降 热加工时的软化机制 在高温下 塑性变形的同时 发生组织结构的软化 尽管软化本身的方式也是属于回复和再结晶 由于变形硬化和软化同时发生 这时的软化具有自己的特点 总结起来在热加工时软化有以下类型 1 动态回复 在热加工的温度下 材料可以进行较快回复过程 它不同于静态回复 材料在变形的同时 一方面变形在增加缺陷 另一方面以回复方式减少部分缺陷 某些性能因二者的同时作用可达到动态平衡 维持在某一固定的水平 热加工时的软化机制 2 动态再结晶 多晶体材料发生塑性变形 变形是不均匀的 部分区域的变形量超过临界变形量后 可以以再结晶方式形核 变形量增加 形核的部位也在增加 形成的核心不断的长大 由于变形在继续进行 长大的晶粒也在变形中 一边长大的同时 内部又因变形而增加缺陷硬化 长大前后不同 内部的缺陷密度也不同 这些在再结晶中生成长大的晶粒当变形超过一定程度会再次形核长大 如此往而复始 材料中的平均统计缺陷的密度决定于变形速率 变形速率高 平均硬化程度维持在较高的水平 材料在变形中表现出较高的流变应力 热加工时的软化机制 3 亚动态再结晶 变形过程中形成的再结晶核心或长大未完成的小晶体 在变形过程停止后的继续长大 4 静态回复和静态再结晶 变形过程停止后 由于在较高的温度下 这时所发生的回复过程和重新形核并长大的再结晶过程 热加工对材料组织性能的影响 为了得到大的变形量 热加工一般都在压应力下进行 如锻造 挤压 镦粗等 在热加工过程中 尽管加工硬化和再结晶软化互相抵消 但材料经过热加工后 组织性能也会带来一系列的变化 为了控制材料的最后组织 如晶粒尺寸 必需控制好最