华南师范大学材料科学与工程教程第八章材料的变形与断裂(四)

1、2材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*第八章材料的变形与断裂（四）2017/3/2012材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*2017/3/20#2材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*十一、冷变形金属的再结晶再结晶现象眾在加热温度更高时发生再结晶，而在此之前变形金属的力学性能和物 理性能都是逐渐变化的，但只要加热到某一确定值（或者说是一个很窄 的温度范围），就可看到力学性能和物理性能急剧变化，加工硬化可以 完全消除，性能可恢复到未变形前的退火状态。哭显微组织也发生明显变化，由拉长的变形晶粒变为新的等轴晶粒再结晶的实际意义一冷变形而产生强烈的加工硬化，导致加工工艺（如拉拔线 材）不能继续进行

2、时，中间必须进行再结晶退火同时也是改变金属组织结构与性能的一种方法，特别是对 那些在固态下没有相变的金属材料，在适当的场合下可以应用。概念:冷变形金属加热到一定温度后(T>0.4T熔)，在原来变形组 织中重新产生了无畸变的新晶粒，性能恢复到完全软化状态(冷变形前的状态)，这一过程称为再结谒.再结晶是一个先产生无畸变的晶核,然后再在变形的金属基体中长大的过再结晶是形核和晶核长大的过程(本质上再结晶不(a)(b)(c)(J)(c)(f)图7(再结晶过程示意图程，但是再结晶转变没有晶体结构和化学成分的改变。在畸变的晶体中形成无畸变的晶 核，晶核不断的长大，再结晶完 成后，获得等轴晶粒。1、再结

3、晶的形核再结晶的转变驱动力是晶体的弾性畴变能，从而晶核必然是产生在高畸变区域，若晶核本身无畸变，且畸变能的降低足以弥补新晶核形成时所增加的界面能，这使系统的能量降低,晶核就会进一步增大。2017/3/2052材料科学基础g纬第8章材料的变形与断裂*2017/3/202材料科学基础g纬第8章材料的变形与断裂*再结晶核心实际上是“现成的”,它已存在 畸变能较大的区域，不需要原子逐个积累到超 过某一临界尺寸。实际观察到的再结晶核心首先产生在去角度显直上，如晶界、相界面、李晶或滑移带界面上，也可能产生在晶粒内某些特定的位向差较大的亚晶上（右图）对于再结晶核心产生在大角度的晶界上，照 Beck所提出的模

4、型，也是变形的两个相邻晶粒内，其位错胞的尺寸相差悬殊（晶核产生于位错胞尺寸大的晶粒一侧,长入到有小位错胞晶粒内,即伸向畸变能较高的区域以减小畸变能.图8-37再结晶照片a）工业纯铁的再结晶（再结品核心优先产生于晶界）LOOX b）低碳钢的再结晶（再结品核心产生在Mn（）夹杂物上）-纟声:兔耀.Ju*.；'岳如3工心2017/3/202材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*变形小的晶粒向变形度大的亚晶粒一侧弓出T形,图7$亚晶合并机制图7-9丽品吞伶机制再结晶的形核与长大1 形核机制(1)晶界弓出小变形量时，各晶粒形变形核不均匀, 畸变晶核 亚晶合并变形大时:多边形化的亚晶合并为再结晶晶

5、核.亚晶蚕食变形大时，低密度位错的亚晶蚕食途 中遇到的位错。2 长大再结晶晶核形成后，自发长大,形成无畸变的新等轴 晶粒.2、再结晶动力学在一定变形量下，将变形金属在不同温度下退火，测定发生再结晶 的体积分数随时间的变化；2017/3/2092材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*050 100 150 200 250 300350 400 450时间/min0 8 6 4 2 1 o o o OM 一 读薰线)转变量再增加，速率又减慢。忑爲矗訂晁&萬 移，即转变加速；(4)如在恒定温度下，变形量不同， 也会有不同的再结晶速率(图840 变形量越大，再结晶速率越大0080604020g

6、材料科学基础g下图表明再结晶的动力学与回复不同：(1)在每一固定温度下，转变曲线形成如S, 发生再结晶需要一孕育期，退火温度越高, 孕育期越短(2)开始再结晶时，转变速率很低，随着 转变量增加，转变速率逐渐增大，到转变量为50%时，速率最快(中间范围是一直阿弗拉米提出的再结晶动力学方程力R-expLBr© 式中，力在t时间已经再结晶的 体积分数，B和K为常数当再结晶是三维的，K在34之间；再结晶是二维的（如薄板）,K在2 3之间；再结晶是一维的（如线材），K在12之间如对前式取对数，则有：lgln=Kgt + 诽作 lglniix-lgt 图,得直线的斜率K,在一定温度范围 内K值几

7、乎不随温度而变2017/3/20112材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*再结晶速率V再温度T的关系符合阿罗尼乌斯(Arrhenius) 公式：V再=Aexp(-Q/RT).式中Q 再结晶激活 能；R 气体常数再结晶速率与产生某一体积分数的再结晶所需要的时间成反比，即2017/3/20#2材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*2017/3/20#2材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*在两个不同温度进行等温退火，若要产生同样程度的再结晶所需的时间分别为垃、t2,贝)此式在生产上 极为有用。3、影响再结晶的因素临界变形度：在给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量, 即通常为临界变形度,低于此变

8、形度，不能再结晶；退火温度：变形度越小，开始再结晶的温度越高，这也意味着临界变形度随退火温度的升高而减小;2017/3/2013凹材料科学基础s第8章材料的变形与断裂*再结晶后晶粒大小主要决定于变形程度,变形量越大,再结晶后 的晶粒越小而温度的影响，对刚完成再结晶来说，其影响很弱，随温度升高, 同时增加了形核率和生长速率，其比值没有变化，因而晶粒大小的变化也很小温度只是加速了再结晶过程，若再结晶过程已完成,随后还有一个晶粒长大阶段，很明显温度越高晶粒越粗大(见右图)1234申 集56788 12 16 20 24应变（）4图8-41低碳钢(sc = 006%), 应变|霍辣蠶鹽晶Oo Oo O

9、1 2 47粢宾碼>'-E02r莒举 02<罡2017/3/202材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*微量杂质元素就可明显的ffflt 再结晶温度或推迟再结晶过程的进行|0微量元素是如何影响再结晶的， 是影响再结晶的形核，还是阻止 其长大，或者是两者兼而有之？ooJ0f。0 00 &soot:l"18 200 0.20.4 0160.810 1214 16洛质(Pb)浓度/(原子0-6)在区域精炼的铅中加入极微量的 Sn、Ag、和Au,发现在106个原 子中只要有1个Au或Ag原子界面 迁移的速度就可降低两个数量级0.1图8-42铅中溶质浓度对界面迁移速

10、度的影响二42），而生长的激活能2材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*从纯铅时的20.9kJ/mol增大到1312® 細0mol。凹材料科学基础C®*第8章材料的变形与断裂*第二相的影响：定性地说，第二相尺寸较大（伽），间距较宽时，再结晶核心能在其 表面产生在钢中常可看到再结晶核心在夹杂物MnO或第二相粒状FesC 表面上产生当第二相尺寸很小且较密集时,则会阻碍再结晶的进行 在钢中常加入Nb、V或Al,形成NbC、V4C3、AIN,这些化 合物的尺寸很小，一般都在100nm以下，可以抑制形核。原始晶粒越细，或者退火时间增长，都会降低再结晶温度。 总的来说，变形金属再结晶温

11、度不是恒定的，而受许多因素的影响, 粗略估计，金属再结晶温度与其熔点有以下关系：心=0.4心（热 力学温度） 表84列出了各种金属的再结晶温度2017/3/20192材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*表8-4各种金属的再结晶温度金屈熔点/°c再结晶温度/°c金屈熔点广c再结晶温度/°cSn232'V室温Cu1085200Cb321室温Fe1538450Pb327V室温Pt1769450Zn420V室温Ni1453600：Al，660150Mo2610900Mg650200Ta29961000Ag962200W34101200Au1064200例如：AI

12、的估算再结晶温度为(660+273) X0.4-273=100 (°C)Ag的估算再结晶温度为(962+273) X0.4-273=221 CC)Fe的估算再结晶温度为(1538+273) X0.4-273=451 CC)20Wte算温度是比较接近实际再结晶温度的4、再结晶后的晶粒长大再结晶完成后晶粒长大有两种类型: 是随温度升高或时间的增长而均匀地连续长大一正常长大 是不连续不均匀地长大一反常长大一二次再结晶(1)晶粒的正常长大米再结晶完成后，晶粒长大是一自发的过程, 这是因为金属总是力求使其界面自由能最小米这是就整个系统来说的，晶粒长大的驱动力是降低其总界面能米就个别晶粒长大的微

13、观过程来说，晶粒界 面的不同曲率是造成晶界迁移的直接原因 米晶粒长大时，晶界总是向着曲率中心的方 向移动(右图),因为界面弯曲后，必然有一表面张力2b/y指向曲率中心 > 而力求使 界面向曲率中心移动2017/3/202017/3/2072材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*米再结晶后晶粒长大是界面向曲率中心移动，而再结晶核心的长大界面是背向曲率中心移动（见图838）,因为后者长大的驱动力是减小畸变能米减小表面能是晶粒长大的热力学条件，满足这个条件只说明 晶粒有长大的可能，但长大与否还需满足动力学体件一一晶图8-38具有亚晶组织的晶间凸出形核示意图界的活动性2017/3/2072材料科

14、学基础g第8章材料的变形与断裂*温度：越高,速度越快温度是影响晶界活动性的最主要因素,晶界的活动性B2017/3/2072材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*/bsinA晶界迁移中的晶界与第二相颗粒间的交互作用图 8-44晶界迁移方向第二相颗粒IAZbsint?2tt?cos与晶界的扩散系数Q有以下关系：B= Db/ RT,而 Db=D°e_%RT由此关系可以看出晶界移动速度因温度升高而急 剧增大第二相：尺寸越大或体积分数越 大，晶粒尺寸越小生产上为了阻止金属在高温下晶粒的长大， 常加入一些合金元素，形成颗粒很小的第二相 钉扎住晶界，阻碍晶界的移动。（见右图） 其中，晶粒的最大尺寸

15、D与第二相颗粒半径7 > 第二相体积分数卩有以下矢系:°= 鱼3卩此式说明，第二相颗粒半径越大，或第二相体积分数越大，晶粒的最大 尺歸t命越小。182017/3/2070材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*(2)二次再结晶一般情况下，再结晶完成后，晶粒长大随温度的增加是连续变化的但在一定条件下，对某些金属会出现当温度升高到某一数 值时，晶粒会突然反常地长大,温度再升高，晶粒又趋于减小二次再结晶现象 二次再结晶不是靠重新产生的晶核，而是在一次再结晶晶 粒长大的过程中，某些局部区域的晶粒产生了优先长去。2017/3/20#0材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*2017/3/20

16、270材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*厚035IOOS6 a 600180010（xf1200 w瑕終退火温度厂 C图8-46硅钢片退火lh后 晶粒尺寸的变化例如硅钢（s=3%）冷轧变形程度为50%,轧 制成0.35mm厚的薄板，当在不同温度退火一小 时，其二次再结晶晶粒的长大情况（右图）图中实线表示原硅钢片中含有少量MnS ，再结晶完成后晶粒先是均匀长大，而在920°C左 右发生晶粒突然长大，个别晶粒可达平均晶粒径 的50倍（图8_47）温度再升高时晶粒又变细粒长大与温度的关系图8-47硅铁二次再结晶的反常晶粒8-46曲线1表示在发生二次再结晶周围，只 有一次再结晶的晶粒随温

17、度升高均匀增大的情形, 曲线2表示不含MnS夹杂的高纯度的硅钢片的晶二次再结晶的产生：主要是再结晶后晶粒长大过程中，只有少数晶粒 能优先长大，而大多数晶粒不易长大，这是因为：冷变形造成了变形织构，再结晶退火至一定温度时（如对硅钢片至少在900C以上）又形成了再结晶织构，当织构形成后，各个晶粒的 取向趋于一致，晶粒间的位向差很小时，晶界是不易移动的，因为界 面能是随位向差的增大而增大，直至形成大角度晶界，界面能才趋于一恒定值。因此形成强烈织构后晶粒是不易长大的;当加入少量杂质形成第二相（如硅铁中的MnS）能强烈钉扎住晶界,阻碍晶界的移动,晶粒也就不会长大。而当加热到高温，某些局部区域的MnS夹杂

18、熔解，该处的晶粒便优先长大，吞并了周围的晶粒，这就形成了晶粒的反常长大。二次再结晶对材料的力学性能肯定有不良影响但对硅钢片退火是有意要形成二次再结晶的，产生强的再结晶织构（笛0）001（即高斯织构）和大晶粒，很适合制作变压器铁心等软磁材料。2017/3/2029g材料科学基础9纬第8章材料的变形与断裂*十二、金属的热变形、蠕变和超塑性1 金属热变形过程以及对组织与性能的影响热变形：金属在再结晶温度以上的加工变形金属的热变形可看作是两个过程的组合:像冷加工那样发生晶粒的伸长与加工硬化又发生了回复和再结晶过程，同时又新形成了等轴晶粒与消除了加工硬化2017/3/20#g材料科学基础9纬第8章材料的

19、变形与断裂*J动态回复和再结晶I静态回复和再结晶一般只以是否完成了再结 晶作为最后判别动、静态再结晶就其物理过 程及所产生的组织结构来说, 并无本质上的区别高温时热变形后的再结晶实际上是很快的右图是51B60钢（"c 0.6%, Wcr0.8%,微量B)在1200°C奥氏体化后在 920°C轧制，变形量60%,于不同温度 下停歇不同时间，随之淬火后观察其再 结晶进行情况：92(rc轧制变形后的再结晶温度时间曲线时间/S51B6O钢1200弋奥氏体化后，在95090085080075在900°C下停歇只ffilmin就可完成再结晶，随温度降低，开始 发生和

20、完成再结晶的时间稍长，即使终轧温度降到临界温度Am2017/3/2031g材料科学基础9纬第8章材料的变形与断裂*2017/3/20#g材料科学基础9纬第8章材料的变形与断裂*以下如00°C,再结晶完成时间也只需10mino2017/3/20#0材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*实际工艺处理：一般终轧温度选在单相奥氏体区，温度要尽可能低，目的是防止热轧后再结晶晶粒的长大。图849是低碳钢(Wc0.2%)热轧前后组织变化示意图，临 界点Ar3为830°C,在850°C可获得细小的奥氏体等轴晶，这就保证 T随后冷却时其转变产物铁素体和珠光体也是细小的。870648

21、426204时间图8 49热轧时晶粒尺寸变化示意图02017/3/20330材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*注：恒定温度和应力图8-50典型的蠕变曲纟戈在蠕变过程后期,蠕变速率加快直至断裂，即为第三阶段。2.金属的蠕变金属在室温下或者温度低于03臨 时的变形，主要是通过滑移和李晶两种方式进行。而在T > 0.3 Tm全肢电位错的攀移,从而产生嬷变 现象一一金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下, 发生缓慢的塑性变形（指材料在高温下的变形不仅 与应力有关，而且与应力作用时间有关）。整个过程可分为三个阶段：由蠕变速率Cds/dt）逐渐减慢的第一阶段;稳态（恒速）蠕变的第二阶段；0材料科学

22、基础g第8章材料的变形与断裂*0材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*随温度与应力的提高，蠕变第二阶段渐短，即蠕变由第一阶段很快过渡到第0材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*0材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*因此高温条件下服役的金属零部件寿命大大减少252材料科学基础g由于蠕变第二阶段蠕变速率最小且蠕变量容易推算，故高温下工作的零件使用寿命多规定在 这一阶段；其蠕变速率与温度有指数关系,作InT/T图可得一直线，其斜 率为一Q/兄Q为蠕变过程的激活能2017/3/20材料的变形与斷裂*材料的变形与斷裂*i/r度的关系2材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*AI140138Cu19619

23、4a-Fe305291y-Fe299288Mg117134Zn8890表&5蠕变激活能和自扩散激活能QdAHc /(kJ. mol-1)QD/(kJ- mok1)相比,蠕变激活能低,蠕变速率大.许多金属蠕变第二阶段的激活能与自扩散的激活能计分接近，这说明控制蠕变速率的过程是由过E所控制。 金属原子的扩散机制是空位扩散，自扩散的激活能Q。可看 成是空位形成能Q与空位运动能Q/W两者之和，即：Qd =Qf+ Qm体心立方金属中原子排列不 够紧密，空位容易运动，qd 较小，因此与面心立方金属2017/3/20272材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*蠕变第二阶段，一般认为是由位错滑移产生的加工硬化和由位错攀移产生高温回复，此两过程的速率相等，于是便形成了恒定的蠕变速率过程位错攀移可消除加工硬化，例如当位错滑动遇到障碍 而阻塞，位错可藉热激活产生攀移而避开障碍由位错攀移而引起蠕变的机制叫做位错蠕变2017/3/20292材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*3.金属的超塑性许多金属在一定条件下如:C -O'. 2an 2017/3/20#2材料科学基础g第8章材料的变形与断裂*变形速率在10-210-4/s范