第八章材料的变形与断裂(3)

1、第十节 冷变形金属的回复阶段 由于加工硬化现象，使冷变形金属进一步塑性变形变得更加困难，甚至难以进行下去，能否消除加工硬化使金属的塑性加工能够顺利进行下去？生产实践表明，对冷变形金属进行退火处理，可以消除加工硬化现象，使冷变形金属性能恢复到形变前的状态，为什么？一、冷变形金属在加热过程中的组织变化冷变形黄铜在加热过程中组织形貌的变化 冷变形金属在加热过程中组织形貌变化阶段示意图 为什么组织会发生变化？冷变形金属中晶体缺陷密度增加，能量升高（有储存能存在），从热力学上看组织处于不稳定状态，它有自发向稳定状态恢复（变形前）转变的倾向，通过加热和保温，可使这种转变成为现实。储存能是冷变形金属发生组织

2、变化的驱动力。 为什么必须要加热才能转变？二、回复阶段组织与性能的变化 Recovery定义：再结晶开始前发生的过程叫回复，为再结晶做好必要的组织准备。组织形貌：光学显微镜下观察看不到任何变化。但内部结构却会发生一系列的变化。 性能：1 宏观内应力大部分消除，第三类内应力变化很小，第二类内应力部分消除。2 电阻率降低。3不同金属材料的硬度变化程度不同，Cu无明显变化，Fe有一定程度的下降，密排六方晶体结构的金属如Zn、Cd明显下降。三、回复动力学回复动力学是研究回复温度、时间对冷变形金属性能回复速度的影响，通常是用等温退火法进行研究，做出回复动力学曲线，见图834。此图有以下几个特点：（1）回

3、复温度一定时，随着回复时间延长，回复程度逐渐增加（1R逐渐下降），但超过一定时间后，（1R）趋于定值，再延长时间对回复程度贡献不大。（2）在相同时间不同温度下回复，达到的回复程度不同。（3）在不同温度下回复达到同一回复程度所需要的回复时间不同，温度越高，所需时间越短。 这些特点表明，回复过程具有热激活的特点，温度越高，过程进行的越快。微观上看，回复阶段主要是空位的迁移和位错的重排，它们都是典型的热激活过程，可以按化学动力学来处理，由一级反应方程可推出式（820）。四、回复机制温度不同，回复过程中金属内部结构变化也不同。1 中、低温时 主要是点缺陷的迁移和消失，点缺陷密度下降，导致电阻率下降。

4、位错密度变化不大。2 高温时 通过位错的攀移和反应（异号位错相消），同号位错沿垂直于滑移面的方向排列成稳定的位错墙，将晶粒分割成一个个亚晶，这一过程称为多边化，这些位错墙就成为小角度的亚晶界。异号位错通过攀移相消刃型位错攀移到新滑移面回复阶段位错通过攀移形成稳定排列位错墙和多边化第十一节 冷变形金属的再结晶 冷变形金属重新加热时，组织与性能最显著的变化是在再结晶阶段发生的。通过再结晶，拉长的条状晶粒变成新的等轴晶粒，力学性能发生急剧变化，加工硬化现象消除，金属性能恢复到形变前的状态。生产中可利用这一现象，在对金属进行冷变形加工过程中，进行再结晶退火来消除加工硬化，使冷变形加工能够顺利进行下去，

5、该过程进行的驱动力来自冷变形金属的储存能储存能。 Recrystalliaztion： 冷变形金属加热至一定温度下（1/2 Tm ）保温，在变形金属基体上形成无畸变的晶核（通常是形成可移动的大角度晶界），再通过这些晶界的迁移（晶核长大），最终以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒，晶体缺陷密度大大下降，力学性能恢复到变形前的状态，这一过程称为再结晶。 再结晶只是晶粒形貌发生了变化，但晶体结构没有变化，所以再结晶不是相变，虽然它也是由形核、长大所构成。 再结晶与回复的不同之处在于机械性能能完全恢复到冷变形前的状态，加工硬化得以消除。生产中利用这一点来消除加工硬化，使塑性加工能够顺利进行下去，这种工艺称为

6、再结晶退火。一、再结晶形核 最初有人试图用相变形核的方法来处理再结晶形核，但求出的临界晶核尺寸远大于实验观察，实际上再结晶不是固态相变，所以用相变形核的方法来处理再结晶是不妥的。 再结晶形核是个很复杂的过程，由于试验条件的不同（不同的金属材料、不同的形变量、不同的处理温度等），所观察到的结果也不尽相同。根据已有的试验结果，提出了以下再结晶形核机制：（1）亚晶聚合机制 回复阶段形成的亚晶在再结晶阶段会不断相互聚合形成新亚晶，这个新亚晶与周围晶粒的位向差不断增大，其晶界也逐渐转变成大角晶界，大角晶界一旦形成就标志着再结晶形核的完成，因为大角晶界的界面能远高于小角晶界，易于迁移。（2）弓出机制 冷变

7、形金属中，由于相邻晶粒变形程度不同，位错密度也不同，在适当的温度下，晶界就会向位错密度高的一侧突然移动（弓出），被这段晶界扫过的扇形小区域中的位错密度急剧下降，储存能全部释放，成为无应变区域，该区域就成为再结晶晶核。 再结晶过程不是相变，所谓再结晶形核只是在形变晶粒上先形成无应变的小晶核，晶体结构并未发生变化，通过这些无应变的小晶核向应变晶粒内长大，完成再结晶。这种长大是通过晶界迁移实现的，从界面能来看，大角晶界能远高于小角度晶界能，更容易迁移，所以也可以认为，大角晶界的形成就标志着再结晶晶核形成的完成。二、再结晶动力学2003 Brooks/Cole, a division of Thoms

8、on Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Sigmoidal curve showing the rate of transfor-mation of iron at a constant temperature. The incubation time t0 and the time for the 50% transformation are also shown.The effect of temperature on recrystallization of cold-work

9、ed copper.曲线特点：1 具有S型特征，有孕育期；2 再结晶速度dx/dt，随再结晶时间而变，开始时很慢，随后逐渐加快，在x50时最大，然后又逐渐减慢。3 形变量一定，温度不同，再结晶时间不同；4 温度一定，形变量不同，再结晶时间不同，形变量增加，再结晶时间减小；用金相法测定再结晶动力学曲线。见图839和图840。4 动力学曲线可用Avrami方程描述，温度一定时： x 1 exp (BtK) 温度越高，再结晶速度就越快，因而再结晶也是一热激活过程。再结晶速度可用Ahhenius公式描述： v Aexp (Q/RT) 在同一变形量下，在一定温度范围内都能完成再结晶，但所用时间不同，温度

10、高，时间短，表明再结晶温度不是一个定值。为什么？ 为方便起见，通常在生产中规定，变形量很大(70%)的金属保温1h后，能够完成再结晶所对应的最低温度为再结晶温度再结晶温度。大量实验结果表明，再结晶温度T再与熔点Tm（以绝对温度表示）之间存在如下近似关系：T再 = (0.350.4)Tm 三、影响再结晶的因素1）形变量 形变量的大小直接影响形变后金属中储存能的大小，从而影响到再结晶的驱动力。实验发现在给定温度下存在一最小变形量，称为临界变形量（210）。形变量小于临界变形量时，不能发生再结晶。形变量减小，再结晶温度要提高，临界变形量随再结晶温度提高而减小。 形变量等于临界变形量时，储存能刚好能够

11、驱动再结晶形核发生，但形核率很低，再结晶后晶粒粗大。形变量超过临界变形量时，随形变量的增加，晶粒尺寸减小。2）温度温度提高可使再结晶速度加快，但对再结晶刚完成时的晶粒尺寸影响不大，因为温度提高可同时使形核率和晶粒生长速度提高，且两者比值无明显变化，d C（u/I）ku 晶粒生长速度I 形核率 再结晶刚完成时晶粒尺寸的大小主要由形变量决定。 但如果再结晶完成后继续保温，则温度对晶粒尺寸有明显的影响。退火温度、形变量对晶粒尺寸的影响见图841。 纯铁的再结晶图3）微量杂质元素 实验表明，金属中加入微量元素会阻碍再结晶的进行，明显提高再结晶温度。主要原因是提高了界面迁移激活能，增加了界面迁移阻力，如

12、纯Pb的界面迁移激活能是20.9kJ/mol，加入微量的Ag或Au后，界面迁移激活能增加到125.61kJ/mol，提高了5倍左右。结果是使再结晶后晶粒细化。4）第二相颗粒 它的影响较复杂，除了粒子自身尺寸的影响外，还与形变量有关，以下主要讨论自身尺寸和间距的影响。 实验表明，和形变量影响类似，第二相颗粒也存在一临界尺寸和间距，大于它和小于它的影响截然不同。a）第二相颗粒尺寸、间距都小于临界尺寸，抑制再结晶形核发生，原因有两个： 阻碍位错重排形成亚晶界并能抑制亚晶界的迁动，使按亚晶聚合机制形核方式受阻； 阻碍晶界迁动，使通过晶界弓出机制形核过程受阻。 这种抑制作用对再结晶晶粒尺寸的影响？ 最终

13、导致再结晶形核率大大下降，即降低了形核率，但是这种抑制作用会随着形变量的增加而减小。很显然这种抑制作用将会使再结晶后晶粒尺寸增大，特别是在形变量小时更明显。b）第二相颗粒尺寸、间距都大于临界尺寸，促进再结晶形核发生。 因为第二相颗粒的存在会使颗粒周围基体变形加剧（应力集中），提高了这部分区域中的储存能，有利于形核，细化晶粒。 第二相颗粒的临界尺寸和间距的具体值于颗粒类型、金属种类和形变量有关，一般来说，临界尺寸为0.10.3m ，临界间距1600一些金属材料的再结晶温度四、再结晶后的晶粒长大 冷变形金属在再结晶刚完成时，一般得到细小的等轴晶粒组织。如果继续提高加热温度或延长保温时间，将引起晶粒

14、进一步长大， 再结晶完成后形成的等轴细晶粒在高温下保温会继续长大，它是通过晶界迁移的方式进行的，有两种长大形式：正常长大和反常长大。 晶粒长大驱动力： 再结晶完成后，冷变形金属基体中的储存能已经完全释放，晶粒长大的驱动力来自哪里？晶界具有界面能，是一种热力学不稳定的缺陷，在单位界面能不变的条件下，它有自发减小总面积以降低总界面能的趋势。在金属总体积不变的情况下，晶粒长大可使晶界总面积减小，从而导致总界面能下降。 因而界面能下降是晶粒长大，晶界迁移的驱动力，这和再结晶驱动力完全不同。 晶界迁移方向：由Tompson公式，曲率半径R的弯曲晶界将受到一个指向曲率中心的附加力F的作用，它是由界面能b引

15、起的，F 2b/R， 在该力的作用下，晶界将沿晶界法线向曲率中心移动。 晶界何时停止移动？ R 时，F0，即界面平直时。1晶粒正常长大定义：随温度升高或保温时间的延长，晶粒均匀连续的长大。这时，能够长大的晶粒数量较多，分布也较均匀，长大速度可用以下经验式描述： Dt Do KtnK Ko exp(-Q/kT)讨论：（1）晶粒长大方式 晶粒长大时不可能所有晶粒都长大，必然有部分晶粒溶解消失，以提供其它晶粒长大所需要的物质。可以证明，晶粒长大是以大晶粒吞食小晶粒的方式长大。（2）微量杂质元素对晶粒长大的影响 阻碍晶粒长大。因为杂质元素常偏聚在晶界上，形成内吸附现象，使界面能降低，导致晶粒长大驱动力

16、降低，另外内吸附会增大晶界迁移阻力。（3）第二相颗粒对晶粒长大的影响。 实验发现，有些金属材料在一定温度范围内保温，晶粒长大到一定尺寸后会停止长大，除了杂质元素的影响外，第二相颗粒对晶界迁移的阻碍是主要原因。第二相颗粒对单位面积晶界迁移的最大阻力为：f 第二相颗粒体积分数，r 第二相颗粒半径b 界面能讨论：1）第二相颗粒对晶界迁移的阻力与尺寸和数量有关，与 r 成反比，与f 成正比。2）晶界迁移驱动力： F 2b/R，设各晶粒曲率半径R 等于晶粒平均直径D： F 2b/D当F Fmax时，晶粒停止长大，此时的D称为极限晶粒平均直径Dlim， Dlim 4r/3f3）课堂思考题：(1)未形变的金

17、属加热时会发生晶粒长大吗？(2)第二相颗粒对再结晶的抑制和对晶粒长大的抑制有什么区别？（a）阻碍对象不同，再结晶时，主要是通过抑制亚晶界迁移和晶界弓出，阻碍再结晶形核，从而达到抑制再结晶。晶粒长大时，主要是通过抑制大角晶界的迁移，从而达到抑制晶粒长大。（b）达到阻碍作用的第二相颗粒尺寸不同 对再结晶来说，存在一第二相颗粒临界尺寸和间距，只有小于此临界值，才能产生抑制作用，超过此值时，反而会加速再结晶。 对晶粒长大来说，没有临界值的限制。试验表明，第二相颗粒尺寸达到5m时，仍然能够阻碍晶界迁移，但抑制作用随颗粒尺寸减小和数量增多而增加。（c）生产应用目的不同 抑制再结晶的原理可指导高温合金的生产

18、和研制。这类合金要求有良好的高温强度。 抑制晶粒长大原理主要用于需热加工（轧、锻、焊、热处理），但是在室温下使用的合金。希望这类合金在热加工过程中晶粒保持细小，不要过分长大，以免影响室温下的机械性能。主要是钢铁材料，热加工后能获得细晶粒的钢材。4) 生产应用 利用第二相颗粒在高温下阻碍晶粒长大这一原理来抑制金属在加热过程中的晶粒长大。如在钢中加入少量的Al、Ti、V、Nb等合金元素，在钢中生成细小的氮化物、碳化物颗粒（AlN、TiN、TiC、VC、NbC），使钢在奥氏体化后获得细晶粒组织。第二相颗粒尺寸越小，含量越高，晶粒尺寸越小。2 二次再结晶（异常晶粒长大） 再结晶完成后，一般情况下晶粒是

19、按正常方式长大，但在某些特殊情况下，会出现少数晶粒疯狂长大，直径可达毫米级，有时凭肉眼就能看到的现象，这些迅速生长的晶粒将周围的小晶粒全部吞噬掉，最后得到晶粒十分粗大的组织。这时晶粒尺寸和保温时间不再服从以下关系： Dt Do Ktn 这种现象称为异常晶粒长大，也叫不连续晶粒长大或二次再结晶，是一种十分有害的现象。产生原因：1）再结晶织构 强烈冷变形后的金属中存在形变织构，具有这种组织的金属再结晶后仍然具有织构，称为再结晶织构。织构是一种具有择优取向的组织，大部分晶粒间位向差很小，是小角晶界，界面能低不易迁移。只有少数晶粒间是大角晶界，容易迁移。因而再结晶完成后，只有少数晶粒能够长大。2) 正

20、常晶粒长大受阻 第二相颗粒和杂质元素对晶界产生钉扎，阻碍晶界迁移。 通过大晶粒吞食小晶粒的方式长大，强者横强。证明：考虑两半径不同的球形粒子组成的封闭体系。 r2 r1r2r1 晶粒正常长大方式的讨论长大前： 总体积： 总面积： 长大后，粒子半径变化为dr，两粒子总面积为：长大后，两粒子总表面积变化为： 长大过程中，粒子总体积保持不变，两粒子的体积变化分别为： A0，体系总表面能下降，过程将自发进行，要满足这一条件，必有dr10，即大粒子长大，小粒子收缩。否则将会有A0，过程不能自发进行。 把这一结论推广至多晶体长大，这时存在一平均晶粒尺寸D，d D的晶粒长大，d 0.3Tm，绝对温度K），外

21、加应力低于屈服极限时，就会随着时间的延长逐渐发生缓慢的塑性变形直至断裂的现象。 温度低于0.3Tm时，金属只有在外加应力大于屈服强度时才会发生塑性变形，变形方式为滑移和孪生，这时变形速度很快，基本上与时间无关。 蠕变是由位错攀移引起的，和位错滑动无关，它不仅与外加应力有关，还与应力作用时间有关。金属的蠕变实验和典型的蠕变曲线 AB段为第一阶段，称减速蠕变阶段，这一阶段开始蠕变速率增大，随着时间的延长，蠕变速率逐渐减小。 BC段为第二阶段，称为恒速蠕变阶段，这一阶段蠕变速率几乎保持不变。通常蠕变速率就是以这一阶段的变形速率来表示。 CD段是第三阶段，称为加速蠕变阶段，至D点产生蠕变断裂。 对第二

22、阶段的蠕变速率和温度的实验数据分析发现，两者存在指数关系：做图， 由斜率求出蠕变激活能Q，它和自扩散激活能QD非常接近，证明蠕变与扩散密切相关。 金 属Q （KJ/mol) QD （KJ/mol) Al 140 138 Cu 196 194 Fe 305? 239 Fe 299 270 Mg 117 134 Zn 88 90为什么蠕变过程无明显的加工硬化？ 蠕变过程会产生高温回复，位错可以攀移的方式越过障碍，避免位错塞积。蠕变性能指标 对于在较高温度下（0.30.5Tm)使用的金属零件（包括陶瓷），蠕变是一种有害现象，设计这类零件时，不能使用常温下的力学性能指标。1 蠕变极限 ， 指在给定的温

23、度（）和时间（h）下，使试样产生一定的蠕变伸长量（）所需要的应力，如： 2 持久强度，表征材料在高温和载荷长期作用下抵抗断裂的能力，以试样在给定的温度（）下，经过规定的时间（h）发生断裂的应力来表示，如：三、金属的超塑性superplasticity 通常情况下，金属拉伸变形过程为：局部塑性变形加工硬化局部塑性变形停止塑性变形转移到临近区域加工硬化重复上述过程塑性变形扩展至整个试样颈缩断裂，所以通常金属材料的延伸率在3080。 但有些合金在特定条件下可达到5001000，甚至能达到2000，这种性能称为超塑性。1 产生超塑性的条件：(1)合金具有非常细小的等轴晶粒两相组织，平均直径通常小于10

24、m，最好小于5m。(2)变形温度在合金的0.5 0.65Tm（熔点）。(3)应变速率控制在0.010.0001s-1范围内。2 金属材料产生超塑性的内在因素 并不是所有金属材料都有超塑性，除了上述条件外，还要求它的应变速率敏感系数m值不小于0.3，最好在0.50.8之间。 m 的物理意义是在温度和应变量一定时，金属材料在拉伸时抵抗颈缩的能力，是评定金属材料潜在超塑性的重要参数。 金属材料塑性变形时，其流变应力除了与应变量有关外（拉伸曲线），还与温度和应变速率有关，当温度和应变量一定时，存在下列经验式： 一般情况下，金属材料的m值很小（0.01 0.04），所以应变速率对流变应力影响很小，不会出现超塑性。 如果金属材料的m值很大，意味着流变应力将随应变速率提高迅速提高。试样上一旦出现颈缩，颈缩区的应变速率较其它区域要提高约两个数量级，该处的强度也会急剧升高，结果就会抑制颈缩的发展，使塑性变形转移到未颈缩区域，均匀塑性变形就会一直顺利进行下去，直