第七章回复和再结晶

1、1西北工业大学 材料学院 王永欣 教授内因外因冷变形加热原子活动能力畸变（空位、位错）自由能能（2-10%弹性能）克服亚稳态/稳态间能垒亚稳态2西北工业大学材料学院 王永欣 教授冷变形前的状态（组织、性能）晶体缺陷（空位、位错）重新分布或消失原子重排纯Al的回复再结晶晶粒长大3西北工业大学 材料学院 王永欣 教授4西北工业大学 材料学院 王永欣 教授50%65050%35050%15050% 原始组织冷变形金属退火晶粒形状大小变化5西北工业大学 材料学院 王永欣 教授冷变形金属退火性能变化William D. Callister. Materials Science and Engineeri

2、ng an Introduction, 8ed. Wiley6西北工业大学材料学院 王永欣 教授低温回复 （对应）不同的空位、位错运中温回复制高温回复1西北工业大学 材料学院 王永欣 教授低温回复空位运动中温回复异号位错抵消高温回复2西北工业大学 材料学院 王永欣 教授多边化位错滑移 +攀移位错数量略减位错滑移位错重组、合并空位大量减少迁移到刃位错下端消失与间隙原子复合消失空位片崩塌位错环迁移到晶界、表面消失多边化3西北工业大学 材料学院 王永欣 教授亚晶界位错墙攀移 + 滑移变形位错塞积应力迭加高温回复机制4西北工业大学 材料学院 王永欣 教授多晶体高温回复机制 多晶体：晶界、位向差多滑移

3、位错缠结 位错胞位错变直、重排 多边化 位错网络亚晶界 亚晶合并单晶体高温回复机制多边化亚晶界亚晶合并1西北工业大学 材料学院 王永欣 教授变形一、回复的热力学外力作功热能耗散储存能（2-10）微观内应力点阵畸变（80-90）宏观内应力一般热力学条件：体系自由能下降 驱动力（主要是）点阵畸变能的回复热力学条件：能的2西北工业大学 材料学院 王永欣 教授二、回复的动力学无孕育期快慢长时间趋于平衡值温度高、速度快属于热激活过程驰豫过程Fe在不同温度退火后的性能变化曲线3西北工业大学 材料学院 王永欣 教授1西北工业大学 材料学院 王永欣 教授一、温度温度 速度 热激活过程二、变形量变形量 能 速度

4、 三、溶质原子能 速度 溶质原子 阻碍位错运动 2西北工业大学 材料学院 王永欣 教授四、第二相粒子 弥散强化 能 速度 速度 第二相粒子（细密） 阻碍位错运动 五、原始晶粒原始晶粒 细晶强化 能 速度 3西北工业大学材料学院 王永欣 教授1西北工业大学 材料学院 王永欣 教授2西北工业大学 材料学院 王永欣 教授3西北工业大学 材料学院 王永欣 教授原理：亚结构：性能：应用：4西北工业大学 材料学院 王永欣 教授去应力退火物理性能基本恢复力学性能基本不变内应力基本消除位错的重排、抵消空位的消失晶体缺陷的移动与重排消除内应力稳定稳定形状保持高强度、硬度 成品热处理5去应力退火一、再结晶晶粒的形

5、核机制以回复后多边化亚晶为基础1西北工业大学 材料学院 王永欣 教授变形量大（>20%）变形量小（<20%）层错能易攀移层错能难攀移晶粒变形量差位错密度差畸变能差通过亚晶界迁移通过大角晶界迁移通过攀移、滑移吞并相邻亚晶界部分亚晶界消失，相邻大角晶界向错密度的亚晶合并晶粒突出亚晶长大形核机制亚晶合并形核机制大角晶界凸出形核机制形成形成大角晶界，无应变区无应变区（大角晶界扫过区）形成2西北工业大学 材料学院 王永欣 教授再结晶晶核3西北工业大学 材料学院 王永欣 教授4西北工业大学 材料学院 王永欣 教授5西北工业大学 材料学院 王永欣 教授二、再结晶晶粒的长大机制6西北工业大学材料学

6、院 王永欣 教授无应变区直到新晶粒相互接触大角度晶界自发迁移扫过应变区形成黄铜冷变形量33580保温3 s580保温4 s580保温 8 s引自：William D. Callister. Materials Science and Engineering an Introduction, 8ed. Wiley7西北工业大学 材料学院 王永欣 教授1西北工业大学 材料学院 王永欣 教授一、再结晶的热力学冷塑性变形外力作功热能耗散储存能（2-10）微观内应力点阵畸变（80-90）宏观内应力一般热力学条件：体系自由能下降 驱动力（主要是）点阵畸变能的再结晶热力学条件：能的2西北工业大学 材料学院

7、王永欣 教授二、再结晶动力学有孕育期慢快慢温度高速度快属热激活过程形核 +长大过程3西北工业大学 材料学院 王永欣 教授一、再结晶温度1理论再结晶温度开始发生再结晶的最低温度实际准确测量很难2工业再结晶温度指经过大约70%冷变形，退火一小时， 能完全（或95%以上）再结晶的最低温度1西北工业大学 材料学院 王永欣 教授3测定方法金相法：理论再结晶温度：第一个新晶粒形成，或出现凸出形核锯齿状边缘的温度引自：William D. Callister. Materials Science and Engineering an Introduction, 8ed. Wiley工业再结晶温度：完全再结晶

8、8075硬度法：测硬度退火曲线，硬度开始明显下降，或软化50%的退火温度706560100 200300400500600 700退火温度 2西北工业大学 材料学院王永欣 教授硬度 HRC二、影响再结晶的因素1温度热激活过程 温度速度退火时间 （s）Fe在不同温度等温退火后的再结晶曲线3西北工业大学 材料学院 王永欣 教授再结晶量（）2变形度变形度 畸变能 驱动力 速度 、T再 3原始晶粒畸变能驱动力形核位置 原始晶粒 变形抗力速度、T再4西北工业大学 材料学院王永欣 教授4溶质原子微量溶质原子阻碍形核阻碍长大速度、T再 (次要)速度、T再 (主要)速度、T再5西北工业大学 材料学院 王永欣

9、教授驱动力增大能偏聚晶界晶界迁移阻力柯氏气团位错运动阻力提高变形抗力合金元素对铁再结晶温度影响6西北工业大学 材料学院 王永欣 教授5分散相粒子7西北工业大学 材料学院 王永欣 教授粒子间距大 位错运动阻力 驱动力 > 阻力 速度、T再 粒子间距小 位错运动阻力 驱动力 < 阻力 速度、T再冷变形时 变形抗力 畸变能 驱动力 促进再结晶阻碍位错运动再结晶时 阻碍再结晶阻碍晶界迁移一、退火温度温度 再结晶晶粒越大二、原始晶粒原始晶粒越细 畸变能 驱动力 再结晶晶粒越细1西北工业大学 材料学院 王永欣 教授三、变形度不同变形量，纯Al的再结晶晶粒大小2西北工业大学 材料学院 王永欣 教

10、授低碳钢变形度及退火温度对再结晶晶粒大小的影响3西北工业大学 材料学院 王永欣 教授4西北工业大学 材料学院 王永欣 教授极粗大再结晶晶粒临界变形度不发生再结晶变形程度越大形成晶核越多再结晶晶粒越细驱动力很小不能形成再结晶晶核变形量>10%变形量2-10%变形不均匀（个别大）形成少数再结晶晶核变形量<2%四、溶质原子提高驱动力阻碍形核和长大溶质原子 （一般地）细化晶粒五、第二相粒子细小弥散 阻碍再结晶 细化晶粒粗大稀疏 促进再结晶 晶粒粗大第二相粒子5西北工业大学 材料学院 王永欣 教授 正常长大连续、均匀长大 异常长大少数晶粒突发、非均匀长大（二次再结晶）1西北工业大学 材料学院

11、 王永欣 教授一、正常长大方式大角晶界的迁移 大晶粒吞并小晶粒 晶粒长大黄铜33冷变形580保温8 s再结晶刚完成580再结晶完成后保温15min引自：William D. Callister. Materials Science and Engineering an Introduction, 8ed. Wiley2西北工业大学 材料学院 王永欣 教授二、晶粒长大的热力学与动力学（异于回复、再结晶）驱动力： 体系自由能下降 总界面能下降畸变能不再有影响， 因为再结晶后已完全消除了变形引起的晶格畸变三、晶粒长大的动力学单纯晶粒长大过程 先快后慢黄铜33冷变形580再结晶完成后580再结晶完成后

12、保温15min引自：William D. Callister. Materials Science and Engineering an Introduction, 8ed. Wiley3西北工业大学 材料学院 王永欣 教授四、晶粒的稳定形状晶界变直二维：三角晶界120°三维：趋向十四面体4西北工业大学 材料学院 王永欣 教授驱动力作用总界面能下降五、影响晶粒长大的因素（注意与再结晶的影响因素比较）1）温度（同再结晶因素） 温度 长大速度 热激活过程黄铜33冷变形580再结晶完成后580再结晶完成后保温15min引自：William D. Callister580再结晶完成后，700

13、保温10min. Materials Science and Engineering an Introduction, 8ed. Wiley5西北工业大学 材料学院 王永欣 教授2）分散相颗粒（异于再结晶无二重性）分散相颗粒 阻碍晶界迁移 长大速度 3）微量溶质、杂质（异于再结晶无二重性）微量溶质、杂质 易偏聚晶界 阻碍晶界迁移 长大速度 6西北工业大学 材料学院 王永欣 教授（再结晶无）4）晶粒位向差位向差（影响）晶界活性（影响）长大速度例：位向差 活性 长大速度 特殊位向差 （对应于）重合点阵 不利于杂质偏聚 晶界活性 速度 7西北工业大学 材料学院 王永欣 教授（再结晶无）5）表面热蚀沟

14、形成高温长时间加热表面与晶界张力平衡 表面、晶界交界处原子扩散离去热蚀沟晶界移动晶界面积增大界面能长大速度8西北工业大学材料学院 王永欣 教授 正常长大连续、均匀长大 异常长大少数晶粒突发、非均匀长大（二次再结晶）1西北工业大学 材料学院 王永欣 教授一、异常长大（二次再结晶）1现象高纯Fe-3Si箔材1200真空退火的二次再结晶镍基耐蚀合金Hastelloy G3合金二次再结晶2西北工业大学材料学院 王永欣 教授Mg-3Al-0.8Zn合金退火组织a .正常再结晶，b. 晶粒长大，c. 二次再结晶3西北工业大学 材料学院 王永欣 教授2. 异常长大机理4西北工业大学 材料学院 王永欣 教授多

15、数晶粒长大受阻热蚀沟钉扎晶界晶界迁移阻力冷变形变形织构再结晶织构位向差小晶界迁移能力细小弥散的第二相粒子钉扎晶界晶界迁移阻力5西北工业大学 材料学院 王永欣 教授少数晶粒快速长大部分晶界迁移能力 少数再结晶后较大的晶粒少数热蚀沟钉扎，但表面能较低的晶粒（某些位向）少数再结晶织构中，非择优取向的晶粒少数第二相溶解的晶界6西北工业大学 材料学院 王永欣 教授性能异常粗大的晶粒组织二、异常长大热力学驱动力 体系自由能下降 总晶界能下降 + 总表面能下降（某些特殊位向的晶粒表面自由能较低，薄板工件易发生）三、异常长大动力学单纯晶粒长大过程 先快后慢7西北工业大学 材料学院 王永欣 教授1西北工业大学

16、材料学院 王永欣 教授一、再结晶退火工艺：加热至T再以上保温 再结晶1） 软化冷变形后金属 便于后续2） 细化晶粒（特别要防止二次再结晶）目的：2西北工业大学 材料学院 王永欣 教授二、再结晶退火组织1. 再结晶图描述变形度、退火温度对再结晶后晶粒大小的三维曲面图注意：临界变形度区及二次再结晶区3西北工业大学 材料学院 王永欣 教授2. 退火孪晶塑性变形时，不易生成孪晶的面心立方晶体，再结晶时出现孪晶孪晶界能与大角晶界能差 易于形成退火孪晶引自：William D. Callister. Materials Science and Engineering an Introduc ion, 8e

17、d. Wiley4西北工业大学 材料学院 王永欣 教授3. 再结晶织构现象：冷变形形变织构再结晶保持原织构产生新织构称为再结晶织构进一步二次再结晶织构表现出各向异性5西北工业大学 材料学院 王永欣 教授机理：定向（择优）形核理论凸出晶核、亚晶均保持原织构取向有利位向晶粒长大速度快其它位向晶粒长大受抑制与变织构相同的再结晶织构特殊位向织构（可能与变织构相同或不同）6西北工业大学材料学院 王永欣 教授择优形核、择优成长理论定向（择优）成长理论1西北工业大学 材料学院 王永欣 教授一、热变形再结晶温度以上的变形硬化速度 = 软化速度对应温度以上的变形2西北工业大学 材料学院王永欣 教授二、动态回复机

18、理第一阶段，微应变阶段第二阶段，均匀塑性变形，硬化第三阶段，稳定流变阶段，持续形变动态回复时的真应力应变曲线3西北工业大学材料学院 王永欣 教授第一阶段：位错密度由10101011m-2增至10111012m-2第二阶段：位错密度继续增大形成位错缠结和位错胞 位错消失速率随应变增大第三阶段：位错密度达10141015m-2，位错增殖速率位错消失速率动态回复时的真应力应变曲线稳态流变阶段（无硬化）位错亚晶界，形成亚晶，保持等轴状4西北工业大学 材料学院 王永欣 教授高应变速率：三个阶段硬化阶段(0<<c)动态再结晶的初始阶段(c<<s) 稳态流变阶段(s)三、动态再结晶机理低应变速率：交替硬化-软化硬化阶段(0<<c)，位错增殖动态再结晶软化，曲线下降再结晶驱动力减小硬化占优，曲线上升再结晶驱动力增大再结晶软化动态再结晶的真应力-真应变曲线下降 上升5西北工业大学材料学院 王永欣 教授四、动态回复 与 动态再结晶动态回复动态再结晶适应材料错能材料（位错不易扩展，易攀移、交滑移）低层错能材料软化机制位错增殖与位错抵消平衡变形造成的畸变与 无畸变