第七章金属及合金的回复与再结晶-3

1、1第七章第七章 金属及合金的回复与再结晶金属及合金的回复与再结晶第一节第一节 形变金属与合金在退火过程中的变化形变金属与合金在退火过程中的变化第二节第二节 回复回复第三节第三节 再结晶再结晶第四节第四节 晶粒长大晶粒长大第五节第五节 金属的热加工金属的热加工2塑性变形功塑性变形功形变金属在退火过程中发生的现象形变金属在退火过程中发生的现象热能（大部分）热能（大部分）畸变能畸变能弹性应变能（弹性应变能（3-12%）储存能（小部分）储存能（小部分）空位能空位能位错能（位错能（80-90%）塑性变形后的金属塑性变形后的金属材料的自由能升高材料的自由能升高在热力学上处在热力学上处于不稳定状态于不稳定状

2、态有自发恢复到变形前有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势低自由能状态的趋势常温下原子活动能力小常温下原子活动能力小不能发生明显的变化不能发生明显的变化提高温度就能实提高温度就能实现恢复低能状态现恢复低能状态退火退火回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大金属发生塑性变形时，外力所做的功，大部分转化为金属发生塑性变形时，外力所做的功，大部分转化为热能热能，小部分（变形功的小部分（变形功的10）保留在金属内部，变为残留应力。）保留在金属内部，变为残留应力。3黄铜黄铜形变金属在退火过程中发生的现象形变金属在退火过程中发生的现象 47-1 形变金属在退火过程中的变化形变金属在退火过程中的变化5保持纤维状或

3、扁平状，显微组织上几乎不变化保持纤维状或扁平状，显微组织上几乎不变化7-1 形变金属在退火过程中的变化形变金属在退火过程中的变化在变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒；随时间的延长新晶粒不断出现并长大，直到完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒。新晶粒互相吞食长大，得到稳定的尺寸。 黄铜黄铜黄铜退火过程中各个阶段的金相照片黄铜退火过程中各个阶段的金相照片冷变形量为冷变形量为38的组织的组织580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C保温保温15分后的组织分后的组织700C保温保温10分后的组织分后的组织7再结晶再结晶再结晶再

4、结晶再结晶再结晶123图图7-2 退火过程中的能量释放退火过程中的能量释放1- 纯金属纯金属 2- 不纯金属不纯金属 3- 合金合金能量的释放能量的释放温度温度7-1 形变金属在退火过程中的变化形变金属在退火过程中的变化内应力得以松弛；储存能的释放内应力得以松弛；储存能的释放原子活动能力提高，迁移至平衡位置原子活动能力提高，迁移至平衡位置第一批再结晶第一批再结晶晶粒出现的温度晶粒出现的温度几乎全部被消除几乎全部被消除存在于冷变形金属内存在于冷变形金属内部的一小部分变形功部的一小部分变形功剩余内应力可完全被消除剩余内应力可完全被消除第第一类（宏观）内应力一类（宏观）内应力第二类（微观）内应力、第

5、二类（微观）内应力、第三类内应力（点阵畸变）第三类内应力（点阵畸变）部分消除部分消除8回复阶段：回复阶段：硬度略有下降，硬度略有下降，塑性有所提高塑性有所提高位错密度减少有限位错密度减少有限再结晶阶段：再结晶阶段：强度硬度显著降低强度硬度显著降低 塑性大大提高塑性大大提高位错密度显著下降位错密度显著下降7-1 形变金属在退火过程中的变化形变金属在退火过程中的变化冷塑性变形冷塑性变形加工硬化加工硬化退火退火软化软化97-2 回复回复退火的早期阶段退火的早期阶段 一、退火温度和时间对回复过程的影响一、退火温度和时间对回复过程的影响二、回复机制二、回复机制三、亚结构的变化三、亚结构的变化四、回复退火

6、的应用四、回复退火的应用冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。构和性能的变化过程。定义定义10一、退火温度和时间对回复过程的影响一、退火温度和时间对回复过程的影响图图7-4纯铁的屈服强度的回复动力学曲线纯铁的屈服强度的回复动力学曲线7-2 回回 复复温度越高，回复的程度越大温度越高，回复的程度越大时间越长，回复的程度越大时间越长，回复的程度越大对应每一个温度，存在一个回复程度的极限值，对应每一个温度，存在一个回复程度的极限值，温度越高，极

7、限值越高温度越高，极限值越高，到达极限值的时间越短到达极限值的时间越短初期变化较大，随后减慢初期变化较大，随后减慢到达极限值后，回复停止到达极限值后，回复停止11再结晶再结晶再结晶再结晶再结晶再结晶12图图7-2 退火过程中的能量释放退火过程中的能量释放1- 纯金属纯金属 2-合金合金能量的释放能量的释放温度温度一、退火温度和时间对回复过程的影响一、退火温度和时间对回复过程的影响7-2 回回 复复回复：原子迁移扩散过程回复：原子迁移扩散过程,晶体缺陷数量的减少晶体缺陷数量的减少;储存能下降。储存能下降。纯金属纯金属和和合金合金在回复阶段在回复阶段储存能的释放程度不同。储存能的释放程度不同。合金

8、在回复阶段释放储存合金在回复阶段释放储存能的能的70%，大大降低随后，大大降低随后的再结晶的驱动力。的再结晶的驱动力。合金元素及杂质能够显著合金元素及杂质能够显著推迟金属的再结晶过程。推迟金属的再结晶过程。第一批再结晶第一批再结晶晶粒出现的温度晶粒出现的温度12低温回复低温回复：主要涉及空位的运动，使空位密度大大下降。7-2 回回 复复回复的微观行为：是空位和位错在退火过程回复的微观行为：是空位和位错在退火过程中发生运动，从而改变其数量和组态的过程中发生运动，从而改变其数量和组态的过程力学性能对空位不敏感，其值不出现变化力学性能对空位不敏感，其值不出现变化 位错密度下降，位错缠结重新排列使亚晶

9、规整化位错密度下降，位错缠结重新排列使亚晶规整化多边化：多边化： 冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。直的亚晶界的过程。驱动力：储存能的降低驱动力：储存能的降低13 多边化：多边化： 冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。直的亚晶界的过程。14?多边化多边化使应变能降低使应变能降低7-2 回回 复复上下相邻的同号刃型位错之间的区域内上下相邻的同号刃

10、型位错之间的区域内上面位错的拉应变场正好与下面位错的上面位错的拉应变场正好与下面位错的压应变场相叠加，互相部分抵消压应变场相叠加，互相部分抵消冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积它们的应变能是相加的，致使它们的应变能是相加的，致使晶格弯曲晶格弯曲高温回复过程中，多边化高温回复过程中，多边化降低系统的应变能降低系统的应变能157-3 再再 结结 晶晶一、再结晶晶核的形成与长大一、再结晶晶核的形成与长大二、再结晶温度及其影响因素二、再结晶温度及其影响因素三、再结晶晶粒长大的控制三、再结晶晶粒长大的控制16定义定义： 冷塑性变形后的金属加热到一定温度后，在原来的变

11、形组织中产生无畸变的新晶粒，而且性能恢复到变形以前的完全软化状态的过程。7-3 再再 结结 晶晶冷变形时所产生的储存能的降低冷变形时所产生的储存能的降低17& 注意：再结晶和同素异构转变的异同点&再结晶无晶格类型的变化；&同素异构转变有晶格类型的变化；固态相变7-3 再再 结结 晶晶18（一）（一）形核形核（1 1）亚晶合并形核（图7-10a）亚晶合并形核机制亚晶合并形核机制1.亚晶长大形核机制（变形度较大时）亚晶长大形核机制（变形度较大时）ABC合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶晶核合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶晶核相邻亚晶界上的位错运动相邻亚晶界上的位错运动转移

12、到周围的晶界或亚晶界上，使原来的转移到周围的晶界或亚晶界上，使原来的亚晶界消失亚晶界消失通过原子扩散和位置的调整通过原子扩散和位置的调整使两个或更多的亚晶粒的使两个或更多的亚晶粒的取向变为一致取向变为一致19亚晶界移动形核机制亚晶界移动形核机制(2) (2) 亚晶界移动形核（图7-10b）（一）形核（一）形核再结晶晶核再结晶晶核1.亚晶长大形核机制（变形度较大时）亚晶长大形核机制（变形度较大时）位错密度很高的亚晶界的移动位错密度很高的亚晶界的移动吞并相邻变形基体和亚晶吞并相邻变形基体和亚晶亚晶长大形核机制的特点：消耗周围的高能区亚晶长大形核机制的特点：消耗周围的高能区变形度变形度高能区高能区2

13、02.2.晶界凸（弓）出形核机制（变形度较小（晶界凸（弓）出形核机制（变形度较小（40%临界变形度临界变形度临界变形度：临界变形度：对应于得到特别粗大晶粒的变形度对应于得到特别粗大晶粒的变形度临界变形度临界变形度 晶粒尺寸为原始晶粒尺寸晶粒尺寸为原始晶粒尺寸晶粒特别粗大晶粒特别粗大=临界变形度临界变形度随变形度增加，晶粒逐渐细化随变形度增加，晶粒逐渐细化变形度变形度253. 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸当变形度一定时，原始晶粒越细，当变形度一定时，原始晶粒越细，d越小。越小。4.合金元素及杂质合金元素及杂质一般都能起细化再结晶晶粒的作用。一般都能起细化再结晶晶粒的作用。2. 再结晶退火温度再结晶退

14、火温度T升高，回复的程度越大，储存能少，使晶粒粗化。升高，回复的程度越大，储存能少，使晶粒粗化。自学267-4 晶粒长大晶粒长大一、晶粒的正常长大一、晶粒的正常长大二、晶粒的反常长大二、晶粒的反常长大三、再结晶退火后的组织三、再结晶退火后的组织再结晶结束后，若继续升温或延长保温时间，晶粒之间互相吞并而长大过程。长大特征长大特征27晶粒细，晶界多，界面能高； 晶粒粗，晶界少，界面能低。由细到粗（晶粒长大），高能向低能，自发过程。驱动力与驱动力与界面能成正比，与界面能成正比，与曲率半径成反比曲率半径成反比7-4 晶粒长大晶粒长大总的界面能的降低总的界面能的降低曲率半径曲率半径曲率角度曲率角度/弧度

15、弧度dsdkddsk1晶界的界面能越大，曲率半径越小（或曲率越大）晶界的界面能越大，曲率半径越小（或曲率越大）,驱动力越大驱动力越大28再结晶晶核长大时晶界的移动方向背离曲率中心再结晶晶核长大时晶界的移动方向背离曲率中心亚晶合并形核机制亚晶合并形核机制亚晶界移动形核机制亚晶界移动形核机制晶界晶界凸凸形核机制形核机制晶界的移动方向：晶界的移动方向：朝向曲率中心方向朝向曲率中心方向晶粒正常长大的规律晶粒正常长大的规律弯曲晶界趋向于平直，降低表面能弯曲晶界趋向于平直，降低表面能29?晶粒稳定形状的两个必要条件晶粒稳定形状的两个必要条件 ?1）所有晶界都是直线?2）晶界间夹角为120二维坐标中，晶粒边

16、数为二维坐标中，晶粒边数为6，夹角，夹角为为120 的晶粒处于平衡状态。的晶粒处于平衡状态。边数少于边数少于6的晶粒，将逐步缩小的晶粒，将逐步缩小边数大于边数大于6的晶粒，将逐渐长大的晶粒，将逐渐长大晶粒的稳定形状晶粒的稳定形状二维晶粒的稳定形状30(a) 10min (b) 20min(c) 30min (d) 60min喷射沉积喷射沉积7075+3.0%Al2O3铝合金在铝合金在600保温不同时间的组织保温不同时间的组织31 （1 1）温度温度 （2 2）杂质与合金元素）杂质与合金元素 （3 3）第二相质点）第二相质点 （4 4）相邻晶粒的位向差）相邻晶粒的位向差 晶界的界面能与相邻晶粒的

17、位向差有关，晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关， 小角度晶界小角度晶界界面能低，界面移动的驱动力小，晶界移动速度界面能低，界面移动的驱动力小，晶界移动速度低低 大角度晶界大角度晶界界面能高界面能高，界面移动的驱动力界面移动的驱动力大，大，晶界移动速度晶界移动速度高高7-4 晶粒长大晶粒长大327-4 晶粒长大晶粒长大特殊条件下的晶粒长大过程特殊条件下的晶粒长大过程晶粒异常长大过程示意图晶粒异常长大过程示意图337-5 金属的热加工金属的热加工一、金属的热加工与冷加工一、金属的热加工与冷加工二、动态回复和动态再结晶二、动态回复和动态再结晶三、热加工后的组织与性能三、热加工后的组织与性能34?热加

18、工：在再结晶温度以上热加工：在再结晶温度以上的的加工过程加工过程?冷加工：在再结晶温度以下冷加工：在再结晶温度以下的的加工过程加工过程 钨的最低再结晶温度约为钨的最低再结晶温度约为12001200，所以钨即使在稍低，所以钨即使在稍低于于12001200的高温下塑性变形仍属于冷加工；的高温下塑性变形仍属于冷加工； 锡的最低再结晶温度约为锡的最低再结晶温度约为-7-7，所以锡即使在室温下，所以锡即使在室温下塑性变形也属于热加工。塑性变形也属于热加工。冷塑性变形冷塑性变形（冷加工）（冷加工）加工硬化加工硬化退火时发生回复和再结晶退火时发生回复和再结晶（软化）（软化）硬化、软化两个硬化、软化两个过程同

19、时存在过程同时存在35静态回复和再结晶：静态回复和再结晶：静止状态下发生的静止状态下发生的回复和再结晶回复和再结晶（1 1）形变形变中断或终止中断或终止后的后的保温过程保温过程中发生的回复和再结晶。中发生的回复和再结晶。（2 2）形变中断或终止后的形变中断或终止后的冷却过程冷却过程中发生的回复和再结晶中发生的回复和再结晶。（利用加工余热进行退火；冷加工以后发生的（利用加工余热进行退火；冷加工以后发生的回复和再结晶回复和再结晶）动态回复和动态再结晶：加工过程中发生的回复和再结晶；动态回复和动态再结晶：加工过程中发生的回复和再结晶； 与变形同时进行的回复和再结晶与变形同时进行的回复和再结晶 （热加工过程中进行的回复与再结晶）（热加工过程中进行的回复与再结晶）P209图图7-26动、静态再结晶的示意图动、静态再结晶的示意图361 真应变真应变真应力真应力图图7-27 在热加工温度发生动态在热加工温度发生动态回复回复时的真应力时的真应力真应变