第5章 材料的形变和再结晶5

1、曾荣昌曾荣昌第五章第五章 材料的形变和再结晶材料的形变和再结晶(5)Chapter 5 Deformation and re-crystallization of materials回复和再结晶回复和再结晶(I)(I)本节主要内容 冷变形金属在加热时的组织与性能变化冷变形金属在加热时的组织与性能变化 回复回复 再结晶再结晶 晶粒长大晶粒长大 再结晶退火后的组织再结晶退火后的组织重要概念 回复回复 多边化多边化 再结晶再结晶 晶粒长大晶粒长大 二次再结晶二次再结晶 再结晶织构再结晶织构 再结晶温度再结晶温度 弓出形核弓出形核 临界变形量临界变形量 回复激活能回复激活能 再结晶激活能再结晶激活能

2、退火孪晶退火孪晶黄铜弹壳的季裂(Season cracking)l 20世纪初，英军在印度贮存的黄铜弹壳，每当雨季就频繁发生大量裂缝，当时称之为季裂。l 经冷变形后的金属冷变形后的金属内有拉伸应力存在又处于特定环境中所发生的断裂。l 它是含锌量超过15%的黄铜具有的一种特殊腐蚀现象。图片来源：/wiki/Season_crackingl 金属经过塑性变形后，不仅内部组织结构与性能均发生相应的变化，而且由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能的升高，将使其处于热力学不稳定的高自由能状态。l 经过塑性变形的材料具有自发恢复到变形前低自由能的趋势。l

3、 冷变形金属加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大过程。l 了解这些过程对于改善和控制金属的组织和性能具有重要意义。5.3 回复（Recovery）l 概念：冷变形金属材料经重新加热进行退火时组织性能变化的早期阶段，即：新的无畸变晶粒出现之前新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。5.3.1显微组织的变化 回复：晶粒的形状和大小回复：晶粒的形状和大小无可见变化；无可见变化； 再结晶：形变组织完全改再结晶：形变组织完全改组为新的、无畸变的细等组为新的、无畸变的细等轴晶粒；形核长大轴晶粒；形核长大 晶粒长大：晶粒长大： 小晶粒小晶粒大晶粒大晶粒 驱动力：晶界表面能的降驱动力：晶界表面能的

4、降低低热挤压镁合金热挤压镁合金AM60AM60显微组织显微组织5.3.2 性能和能量的变化强度和硬度强度和硬度电阻电阻内应力内应力亚晶粒尺寸亚晶粒尺寸密度密度储能释放储能释放）力学性能回复：硬度、强度略有下降，塑性略有提高；回复：硬度、强度略有下降，塑性略有提高；再结晶：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；再结晶：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；晶粒长大：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，晶粒长大：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降。粗化严重时下降。）物理性能密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；剧升高；电阻率：电阻在回复阶段可明

5、显下降。电阻率：电阻在回复阶段可明显下降。都与点缺陷浓度降低有关都与点缺陷浓度降低有关、内应力变化 回复阶段：回复阶段： 大部分或全部消除第一类内应力，部分消除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；第二、三类内应力； 再结晶阶段：再结晶阶段： 内应力可完全消除。内应力可完全消除。、储能的释放）储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（）储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（-10-10）变）变形功。形功。）存在形式）存在形式）储存能的释放）储存能的释放 原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。放。、亚晶粒尺寸的变化回复前

6、期变化不大，回复后期亚晶粒尺寸显著增大。回复前期变化不大，回复后期亚晶粒尺寸显著增大。5.3.3 回复动力学纵坐标为剩余应变硬化分数1-R，R为屈服强度回复率=（m-r)/(m-0)m，r和0-变形后 、回复后和 完全退火后的屈服强度（1-R）越小，R越大，则回复程度越大。5.3.4 回复的动力学特点 回复是一个弛豫过程。 其特点为： 没有孕育期； 在一定温度下，初期的回复率很大，随后即逐渐变慢，直到趋近于零。 每一温度的回复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，达到此极限值所需的时间则越短；1.预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减少也有利于回复过程的加快。回复动力学 回复

7、特征可用一级反应方程来表达： （5.17） 式中，x-冷变形导致的性能增量经加热后的残留分数，t 恒温下的加热时间， c-材料和温度有关的比例常数。c值具有典型的热激活过程的特点，可由阿累尼乌斯公式来描述： （5.18） 式中，Q-激活能，R-气体常数，T-热力学温度，C0-比例常数dxcxdt 0QRTcc e 式（5.18）代入式（5.17）并积分，x0表示开始时性能增量的残留分数，则得 在不同温度下，如以回复到相同程度作比较，此时上式左边为一常数，取对数，可得 如作lnt-1/T图，如为直线，则可由斜率求得激活能Q Q。000QxtRTxdxc edtdt 00lnQRTxc texln

8、QtART例题 铁的回复激活能为88.9KJ/mol,如果将经冷变形的铁在400下进行回复处理，使残留加工硬化为60%需160min，问在450 下回复处理至同样效果需要多长时间？ 根据公式 那么lnQtART2111()21QR TTtet8890011()8.31723 673216053.3minte回复机制 低温回复低温回复回复主要与点缺陷的迁移有关。回复主要与点缺陷的迁移有关。冷变形产生了大量点缺陷冷变形产生了大量点缺陷- -空位和间隙原子空位和间隙原子点缺陷所需的热激活较低，因而在较低温度下可进行。点缺陷所需的热激活较低，因而在较低温度下可进行。点缺陷可迁移至晶界或表面消失方式：

9、空位与位错的交互作用；空位与位错的交互作用； 空位与间隙原子的重新结合；空位与间隙原子的重新结合； 空位聚合形成空位对空位聚合形成空位对/ /空位群空位群/ /空位片空位片- -坍塌成位错环坍塌成位错环中温回复 发生位错运动和重新分布发生位错运动和重新分布 主要与位错的滑移有关：主要与位错的滑移有关： 同一滑移面上的异号位错可以相互吸引而抵消；同一滑移面上的异号位错可以相互吸引而抵消；1.1.位错偶极子的两条位错线相消。位错偶极子的两条位错线相消。高温回复 高温（高温（0.3Tm）时，刃型位错可获得足够的能量产）时，刃型位错可获得足够的能量产生攀移（生攀移（climb）。）。 攀移产生攀移产生

10、2种重要的结果：种重要的结果： 刃型位错垂直排列成墙：刃型位错垂直排列成墙：使滑移面上不规则排列的位使滑移面上不规则排列的位错重新分布，显著降低位错的弹性畸变能。错重新分布，显著降低位错的弹性畸变能。 形成多边化结构形成多边化结构（polygonization） ：沿垂直于滑移沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙面方向排列并具有一定取向差的位错墙小角度亚晶小角度亚晶界，以及由此产生的亚晶。界，以及由此产生的亚晶。1. 驱动力：应变能的降低。驱动力：应变能的降低。多边化产生的条件塑性变形使晶体点阵发生弯曲；塑性变形使晶体点阵发生弯曲；在滑移面上有塞积的同号刃型位错；在滑移面上有塞积的同

11、号刃型位错；须加热到较高温度，使刃位错产生攀移运动。须加热到较高温度，使刃位错产生攀移运动。攀移同号刃型同号刃型位错位错镁合金的塑形变形 200锥面滑移锥面滑移使冷加工的金属件在基本上保持加工硬化状态的条件下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（主要为第一内应力）；降低其内应力（主要为第一内应力）；减轻工件的翘曲和变形；减轻工件的翘曲和变形；降低电阻率；降低电阻率；提高材料的耐蚀性；提高材料的耐蚀性；改善其塑性和韧性；改善其塑性和韧性；提高工件使用时的安全性。提高工件使用时的安全性。3 3、回复退火（去应力退火）、回复退火（去应力退火）三、再结晶三、再结晶概念：冷变形后

12、的金属加热到一定温度之后，在原变形组织概念：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了中重新产生了无畸变的新晶粒无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的情况。并恢复到变形前的情况。驱动力：变形金属经回复后未被释放的储存能驱动力：变形金属经回复后未被释放的储存能再结晶过程再结晶过程形核形核+ +长大长大 经过经过冷塑性变形冷塑性变形后的金属材料在后的金属材料在加热到较高温度加热到较高温度时时( (一般大于一般大于0.4Tm)0.4Tm)，可以发生晶粒的重新改组。，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同结晶过程类似

13、，首先在材料中形成新的无畸变无畸变的的小晶粒。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，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。变形过的晶体。 思考：思考：再结晶过程是不是相变过程再结晶过程是不是相变过程? ?“再结晶的转变不是相变再结晶的转变不是相变”原因：原因：变化前后的变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于因此它们是属于同一个相同一个相；再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即再结晶不像相变那样，有转变的临界温

14、度点，即没有没有确定的转变温度确定的转变温度。再结晶过程是再结晶过程是不可逆的不可逆的，相变过程在外界条件变化后，相变过程在外界条件变化后可以发生可逆变化。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发生再结晶的热力学驱动力是冷塑性变形晶体的畸变畸变能能，也称为储存能。，也称为储存能。1 1）再结晶时，晶核是如何产生的？）再结晶时，晶核是如何产生的？l再结晶晶核是现存于局部高能量区域内的，以多边化形再结晶晶核是现存于局部高能量区域内的，以多边化形成的亚晶为基础形核。成的亚晶为基础形核。l再结晶形核机制有：再结晶形核机制有：（1）晶界弓出形核）晶界弓出形核（2）亚晶形核）亚晶形核

15、（1 1）晶界弓出形核）晶界弓出形核 概念：变形度较小概念：变形度较小( (一般一般20%)95%转变量）所对应的温度定义为再结晶温度。3、再结晶温度2）影响再结晶温度的因素再结晶温度不是一个物理常数，与材料、冷变形程度/原始晶粒度等因素相关。变形程度的影响：变形度储能再结晶驱动力再结晶温度注意：在给定温度下需要一个最小变形量（临界变形度），低于此变形度，不发生再结晶。 经验公式：T再T熔 为0.350.40（工业纯金属） 0.250.35（高纯金属） 0.400.90（合金）原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸变形抗力变形抗力储能储能再结晶温度再结晶温度微量溶质原子存在微量溶质

16、原子存在再结晶温度再结晶温度溶质原溶质原子与位错及晶界间存在交互作用，对位子与位错及晶界间存在交互作用，对位错的滑移和攀移和晶界的迁移起着阻碍错的滑移和攀移和晶界的迁移起着阻碍作用。作用。第二相粒子第二相粒子: :取决于基体上分取决于基体上分散相粒子的大小及分布。散相粒子的大小及分布。第二相粒子尺寸大，且间距较第二相粒子尺寸大，且间距较宽，促进再结晶；宽，促进再结晶；第二相粒子尺寸小，且较密集，第二相粒子尺寸小，且较密集，阻碍再结晶进行。阻碍再结晶进行。再结晶退火工艺参数：加热再结晶退火工艺参数：加热速度、加热温度、保温时间速度、加热温度、保温时间4、再结晶后的晶粒大小 晶粒尺寸 形核率， 长

17、大速率1）变形度的影响变形度的影响：临界变形度：再结晶后得到特别粗大晶粒的变形程度，一般金属在210%。临界变形量，变形量再结晶晶粒尺寸临界变形度N.G临界变形度2）退火温度再结晶速度、晶粒临界变形度四、晶粒长大 再结晶结束后，材料组织为细小等轴晶粒，若继续提高加热温度或延长加热时间，晶粒进一步长大。驱动力：总的界面能的降低分类： 正常晶粒长大 异常晶粒长大1、晶粒的正常长大及其影响因素1）正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。 晶粒界面的不同曲率是造成晶界迁移的直接原因。2）驱动力：界面能差。 界面能越大，曲率半径越小，驱动力越大。 (长大方向是指向曲率中心,而再结晶晶核的长大方向相反)

18、晶界趋于平直;3）晶粒的稳定形状 晶界夹角趋于120; 二维坐标中晶粒边数趋于6.正常晶粒长大时，晶界的平均移动速率 晶界的平均迁移率； 晶界的平均驱动力； 晶界的平均曲率半径； 单位面积的晶界能； 晶粒平均直径的增大速度；v2bd Dvm pmRdtmpRbd Ddt 均匀的晶粒组织 因此上式可写成 分离并积分，可得 若 则/ 2RD1d DKdtD220tDDK t0tDD1/2tDCt温度：温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。2220mQRTettDD2220lg()lg2.3mQttRTDD4）影响晶粒长大的因素分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。一般有晶粒稳定尺寸d和第二相质点

19、半径r、体积分数的关系：d=4r/3晶粒间的位向差。 当晶界两侧的晶粒位相较为接近或具有孪晶位相时，晶界迁移速率很小。 若晶粒间具有大角度晶界的位相差，则由于晶界能和扩散系数相应增大，因而晶界的迁移速度也随之加快。杂质与合金元素。降低界面能，不利于晶界移动。柯氏气团阻碍晶界迁移4个数量级2、异常晶粒长大（二次再结晶） 概念：又称不连续晶粒长大或二次再结晶，少数再结再结晶晶粒的急剧长大晶晶粒的急剧长大现象。 条件：正常晶粒长大过程被分散相微粒、织构或表面的热蚀沟等所强烈阻碍。 驱动力：界面能的降低，不是来自应变能。2、异常晶粒长大（二次再结晶）： 当细小的一次再结晶晶粒被继续加热时，上述阻碍晶粒正常长大的因素一旦消除时，少数特殊晶界迅速迁移，这些晶粒一旦长到超过它周围的晶粒时，由于大晶粒的晶界总是凹向外侧的，晶界总是向外迁移，直到长大到互相接触为止，形核二次再结晶。 钉扎晶界的第二相溶于基体1）机制 再结晶织构中位向一致晶粒的合并 大晶粒吞并小晶粒 热挤压镁合金AZ61晶粒异常长大再结晶退火后的组织 再结晶退火的晶粒大小主要取决于预先变形度和退火温度。 变形度越大，退火后的晶粒越小； 退火温度高，晶粒越粗大。再结晶织构 概念：具有变形织构的金属经再结晶后的新晶粒仍具有择优取向。 再结晶织构与原变形织构之间存在三种情况： 与原有的织构相一致； 原有织构消失而代