金属学与热处理7.金属及合金的回复与结晶(下)

1、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回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大金属的热加工金属的热加工2：显微组织仍为纤维状，无可见变化；：显微组织仍为纤维状，无可见变化；n ：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。的无畸变的等轴晶粒。n ：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。的形状和尺寸。3（2）电阻）电阻（3）密度）密度（4）内应力）内应力4n由于位错运动使其由冷塑由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，垂直分布，形成亚晶界，这一过程称

2、这一过程称多边形化多边形化。5n 宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；n 物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回到未变形前的水平；到未变形前的水平；n 力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的变化；变化；n 光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，在电子显微镜下可间到晶粒内部组织的变化。在电子显微镜下可间到晶粒内部组织的变化。( (位位错的胞状组织转变为亚晶错的胞状组织转变为亚晶) ) 6（0.1 0.3Tm）

3、 7回复过程中的位错攀移与滑移89n当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。晶粒变为完整的等轴晶粒。n这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再再结晶结晶。n再结晶也是一个再结晶也是一个晶核形成晶核形成和和长大长大的过程，但不是相的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同全相同。10n （变形量较小时,70%）的金属，）的金属

4、，在在1h完成再结晶体积分数完成再结晶体积分数95%所对应的温度。所对应的温度。n 再结晶温度再结晶温度TR与其熔点与其熔点Tm间有如下关系：间有如下关系： TR (0.35-0.45)Tm。 15n 变形程度变形程度 金属的冷变形程度越金属的冷变形程度越大，其储存的能量亦越大，其储存的能量亦越高，再结晶的驱动力也高，再结晶的驱动力也越大，因此再结晶温度越大，因此再结晶温度随变形量增加而降低。随变形量增加而降低。同时等温再结晶退火时同时等温再结晶退火时的再结晶速度也越快。的再结晶速度也越快。16n 微量溶质原子微量溶质原子 微量溶质原子的存在一般微量溶质原子的存在一般会显著提高金属的再结晶温会

5、显著提高金属的再结晶温度，主要原因可能是溶质原度，主要原因可能是溶质原子与位错及晶界间存在交互子与位错及晶界间存在交互作用，倾向于在位错和晶界作用，倾向于在位错和晶界附近偏聚，从而对再结晶过附近偏聚，从而对再结晶过程中位错和晶界的迁移起着程中位错和晶界的迁移起着牵制的作用，不利于再结晶牵制的作用，不利于再结晶的形核和长大，阻碍再结晶的形核和长大，阻碍再结晶过程的进行过程的进行。17n 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸 （1）原始晶粒越小，则晶界越多，其变形抗力愈大，形）原始晶粒越小，则晶界越多，其变形抗力愈大，形变后的储存能较高，因此再结晶温度降低；（变后的储存能较高，因此再结晶温度降低；（2）再结晶

6、）再结晶形核通常是在原晶粒边界处发生，所以原始晶粒尺寸愈小，形核通常是在原晶粒边界处发生，所以原始晶粒尺寸愈小，形核率形核率与长大速度愈大，所形成的再结晶晶粒更小，而再与长大速度愈大，所形成的再结晶晶粒更小，而再结晶温度也降低。结晶温度也降低。 n 第二相颗粒第二相颗粒（1）当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并）当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并在颗粒周围留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗在颗粒周围留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗粒周围畸变严重，因此会促进再结晶，降低再结晶温度；粒周围畸变严重，因此会促进再结晶，降低再结晶温度；（2）当第二相颗粒细小，分布均匀时

7、，不会使位错发生）当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生明显聚集，因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结明显聚集，因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结晶晶核的长大过程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作晶晶核的长大过程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作用，因此使得再结晶过程更加困难，提高再结晶温度。用，因此使得再结晶过程更加困难，提高再结晶温度。 18预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。当变形达到当变形达到210%时，只有部分晶粒变形，变

8、形极时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒大不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞小相差悬殊，易互相吞并和长大并和长大, ,再结晶后晶再结晶后晶粒特别粗大，这个变形粒特别粗大，这个变形度称度称临界变形度临界变形度。变形量与再结晶后晶粒尺寸的关系19当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。 对于某些金属，当变对于某些金属，当变形量相当大时形量相当大时( (

9、90%)90%)，再结晶后晶粒又重新再结晶后晶粒又重新出现粗化现象，一般出现粗化现象，一般认为这与形成织构有认为这与形成织构有关关. .变形量与再结晶后晶粒尺寸的关系20 再结晶退火温度对刚完成再结晶时的晶粒尺寸影响较再结晶退火温度对刚完成再结晶时的晶粒尺寸影响较小，但是提高再结晶退火温度可使再结晶速度加快，临界小，但是提高再结晶退火温度可使再结晶速度加快，临界变形量减小。形变量、退火温度以及再结晶后晶粒尺寸的变形量减小。形变量、退火温度以及再结晶后晶粒尺寸的关系构成了再结晶图。关系构成了再结晶图。21：晶界附近区域的形变情况比较复杂，因：晶界附近区域的形变情况比较复杂，因而这些区域的局部储存

10、能较高，使晶核易于形成。细晶而这些区域的局部储存能较高，使晶核易于形成。细晶粒金属的晶界面积大，所以储存能高的区域多，形成的粒金属的晶界面积大，所以储存能高的区域多，形成的再结晶核心也多，故使再结晶后的晶粒尺寸减小。再结晶核心也多，故使再结晶后的晶粒尺寸减小。：金属中杂质的存在可提高强度，因此在同样的形：金属中杂质的存在可提高强度，因此在同样的形变量下，杂质将增大冷形变金属中的储存能，从而使再变量下，杂质将增大冷形变金属中的储存能，从而使再结晶时的结晶时的G/N值增大。另一方面，杂质对降低界面的迁移值增大。另一方面，杂质对降低界面的迁移能力是极为有效的，它会降低再结晶完成后晶粒的长大能力是极为

11、有效的，它会降低再结晶完成后晶粒的长大速率。金属中的杂质将会使再结晶后的晶粒变小。速率。金属中的杂质将会使再结晶后的晶粒变小。22n再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。n结晶完成后，晶粒不连续不均匀地长大称为反常长大。结晶完成后，晶粒不连续不均匀地长大称为反常长大。在不均匀长大过程中，少数大晶粒相当于核心，吞并在不均匀长大过程中，少数大晶粒相当于核心，吞并其他晶粒而长大，故此过程也叫其他晶粒而长大，故此过程也叫二次再结晶。二次再结晶。2324立方织构的(111)极

12、图R/S织构的(111)极图铜中的立方织构和236织构2526272829 30 31 3220m20m20m20m 3334357.5 7.5 金属的热加工金属的热加工36巨型自由锻件巨型自由锻件37模锻模锻自由锻自由锻轧制轧制正挤压正挤压反挤压反挤压拉拔拉拔冲压冲压38热加工时，由于形变温度高于再结晶温度，在变形的同时伴随者回复、再结晶过程，称之为动态回复与动态再结晶。在热变形完毕去除外力后，已在动态再结晶时形成的再结晶核心及正在迁移的再结晶晶粒界面，不必再经过孕育期继续长大和迁移。3940工业纯铁不同温度工业纯铁不同温度下低应变的组织，下低应变的组织，高温下只发生回复。高温下只发生回复。

13、600 C550 C500 C400 C300C室温室温41：热加工初期，高温回复尚未进行，晶体以：热加工初期，高温回复尚未进行，晶体以加工硬化为主，位错密度增加。因此，应力增加很快，加工硬化为主，位错密度增加。因此，应力增加很快，但应变量却很小但应变量却很小(1%)(1%)。 ：晶体开始均匀的塑性变形，加工硬化逐步加：晶体开始均匀的塑性变形，加工硬化逐步加强。同时动态回复逐步增加，其造成的软化强。同时动态回复逐步增加，其造成的软化 抵消一部分加工硬化，使曲抵消一部分加工硬化，使曲线斜率下降并趋于水平。线斜率下降并趋于水平。 ：由变形产生：由变形产生的加工硬化的加工硬化与动态回复产生与动态回复

14、产生的软化达到平衡应变的增加的软化达到平衡应变的增加而增大，曲线保持水平。而增大，曲线保持水平。4243n是位错的攀移和交滑移，攀移在动态回复中起主要的作用。是位错的攀移和交滑移，攀移在动态回复中起主要的作用。n层错能的高低是决定动态回复进行充分与否的关键因素。层错能的高低是决定动态回复进行充分与否的关键因素。n动态回复易在层错能高的金属，如铝及铝合金中发生。动态回复易在层错能高的金属，如铝及铝合金中发生。4445：应力随应变上升很快，动态再结晶没有：应力随应变上升很快，动态再结晶没有发生，金属出现加工硬化。发生，金属出现加工硬化。：当应变量达到临界值时，动态再：当应变量达到临界值时，动态再结

15、晶开始，其软化作用随应变增加逐渐加强，使应力随结晶开始，其软化作用随应变增加逐渐加强，使应力随应变增加的幅度逐渐降低。当应力超过最大值后，软化应变增加的幅度逐渐降低。当应力超过最大值后，软化 作用超过加工硬化，应力随作用超过加工硬化，应力随应变增加而下降。应变增加而下降。加工硬化与加工硬化与动态再结晶软化达到动态平动态再结晶软化达到动态平衡。衡。46 晶粒是等轴的，大小不均匀，晶界呈锯齿状，等轴晶内晶粒是等轴的，大小不均匀，晶界呈锯齿状，等轴晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒。存在被缠结位错所分割成的亚晶粒。47n改善铸态组织，减少缺陷。热变形可焊合铸态组织中的改善铸态组织，减少缺陷。热变形可

16、焊合铸态组织中的气孔和疏松等缺陷，增加组织致密性，井通过反复的形气孔和疏松等缺陷，增加组织致密性，井通过反复的形变和再结晶破碎粗大的铸态组织，减小偏析，改善材料变和再结晶破碎粗大的铸态组织，减小偏析，改善材料的机械性能。的机械性能。锻压锻压热加工动态再热加工动态再结晶示意图结晶示意图48n热加工使铸态金属中的非热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，形成彼此平行的宏观条纹，称作称作。它使钢产生各。它使钢产生各向异性，通常，沿流线方向异性，通常，沿流线方向比垂直流线方向具有较向比垂直流线方向具有较高的机械性能在制定加工高的机械性能在制定加工工

17、艺时，应使流线分布合工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一理，尽量与拉应力方向一致。致。 滚压成型后螺纹内部的纤维分布滚压成型后螺纹内部的纤维分布吊钩中的纤维组织吊钩中的纤维组织4950 带状组织与枝晶偏析带状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉长有被沿加工方向拉长有关。可通过多次正火关。可通过多次正火或扩散退火消除。或扩散退火消除。正火组织正火组织带状组织带状组织5152n热加工的优点热加工的优点 （1）可持续大变形量加工 （2）动力消耗小 （3）提高材料质量和性能n热加工一般用于截面尺寸热加工一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下大、变形量大、在室温下加工困难的工件。加工困难的工件。n冷加工一般用于截面尺寸冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的