材料科学基础下中文四章

1第4章

回复和再结晶-I——回复与再结晶作业:10-1~9

10-2中长为3cm,p54810-3,1mm=直线长度来源:材料科学与工程,第四期

DonaldR.Askeland–PradeepP.Phulé原报告笔记问题1.10-2，（2）严格意义上两种状态畸变能的倍数无法求，除非忽略了位错芯的能量。可以改求差值。2第四章回复和再结晶（6-8课时）§1.引言§2.回复§3.再结晶§4.晶粒长大及其他变化§5.金属的热加工§6.总结深入的理解是设计加工过程中改变材料微观结构以优化并得到理想性能的关键步骤.3§1.引言1.冷加工后材料的变化微观结构晶粒形状.tw/~chengsu/manufacturing/ch1.ppt变形前变形后4微观结构晶体学取向(织构)缺陷密度增加(晶界，位错和空位)低碳钢冷加工后的纤维状晶粒结构:10%加工变形,(b)30%加工变形,(c)60%加工变形,(d)90%加工变形1.冷加工后材料的变化DonaldR.Askeland,P.Phule20035(a)在293K拉伸变形3.1%的纯Ni.25000x(b)在293K拉伸变形2.7%的Ni-5.5wt.%Al合金.37500x通常情况下合金会降低金属的层错能纯Ni和Ni合金中的位错结构J.O.Stiegler6微观结构内应力(点阵常数偏离平衡态时的值)

长周期: >>晶粒尺寸

类型I ~晶粒尺寸

类型II

短周期: 原位扭曲

类型III (空位，位错,>80%储能)能量:拉伸形变的大部分能量和各种缺陷相关性能:机械物理化学形变硬化(,)电学,磁学抗腐蚀1.冷加工后材料的变化7冷加工的特点©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.铜的强度对比：(a)冷加工(b)与Zn合金化.注意冷加工后的铜具有更高的强度，且冷加工对其电导率影响很小DonaldR.Askeland,P.Phule200382.引起内应力和缺陷的其它因素：相变机加工（磨)不均匀冷却(铸造,焊接)辐照克根达耳效应

(由体积变化引起的内应力)§1.引言9热力学的:释放的储能趋于平衡态（由非稳态到亚稳态或稳态）微观结构:缺陷减少:点缺陷密度(主要是空位)线缺陷(位错)面缺陷(晶界)性能:机械的电学的化学的3.退火过程中由（热）驱动力引起的变化回复再结晶晶粒长大1011

只对钢(四把火),对其它金属是不一样的退火

(A炉冷),软化 正火

(A空冷),细化淬火

(A速冷),得到马氏体回火

(M',炉冷或缓冷),粗化§1.引言12储存的内能

E=W-

Q (~2~5%)

热力学条件13热差分析:功率差

P(需要加热被加工和退火工件)余永宁，金属学原理2000能量的储存和释放取决于：层错能实际应变杂质(SFE,偏聚,颗粒,等.)14驱动力:单位体积能量变化 界面迁移的驱动力:

单位面积界面迁移单位距离的能量变化

G/Vm

E/Vm, (

V

0,

H

U,T

S<<

H)热力学条件15结构变化的驱动力典型的融化（金属）潜热10kJ/mol典型的固态相变潜热=1kJ/molDG=DHmDT/Tm,AshbyAndJones，199816

需要加强原子扩散，使原子能够重排成更平衡的状态.

这个过程遵守Arrhenius定律

rate=A’e-Q/RT

或

1/t=Ae-Q/RT

Eq.(10-26)

Q=激活能 和许多反应类似动力学条件17退火的三个阶段(通过A&P)回复-低温热处理退火过程，目的是消除变形过程中的残余应力，同时不降低材料在冷加工过程中获得的高强度.再结晶-中温热处理退火过程，目的是消除冷加工过程中加工硬化的影响.晶粒长大

-通过扩散实现的晶界迁移运动，目的是减少晶界面积.18回复

晶粒形状不变

类型I和II应力松弛

Es

释放部分能量 一些性能发生变化§1.引言再结晶在缺陷处生长出新的晶粒

Es释放全部能量

性能复原晶粒长大晶粒长大，晶粒数目减少19冷加工对Cu-35%Zn合金性能的影响和退火温度对冷加工变形75%的Cu-35%Zn合金性能的影响DonaldR.Askeland,P.Phule2003(a)退火后位错密度降低;(b)塑性加工增加位错密度;(c)初步回复---位错移动到低能位置;(d)进一步退火过程中形成新的晶核，晶粒长大;(e)充分再结晶的金属完全由无变形的晶粒组成由R-R-G引起的缺陷密度和性能的变化AshbyAndJones，199820回复、再结晶和晶粒长大对机械性能和晶粒尺寸的影响简图。注意再结晶过程中形成新的细小晶粒。回復再結晶

由R-R-G引起的各种性能的变化21经70%压缩形变的99.85%Ni以6℃/min速度加热时电阻率、密度的变化量热计

(测定热量的方法)余永宁，金属学原理，2000加工过程中需要的激活能=>需要释放的储能回复再结晶22冷变形金属加热时的变化强度,硬度晶粒大小延伸率电阻率内应力回复再结晶晶粒长大性能,晶粒大小P纯度增加再结晶温度回复图.10-123§2回复机制低T 0.1~0.3Tm(K)

消除点缺陷

空位的迁移和消失 到达位错，晶界，表面中T 0.3~0.5Tm

原位反应，重排，消除位错形成胞状结构

在胞壁上位错缠结取决于层错能高T >0.5Tm

亚晶的形成和粗化24§2回复余永宁，金属学原理，200025冷加工黄铜经加热后的硬度及内应力的变化图.10-8P519§2回复26HumphreysandHatherly(1995)回复时位错的重排变形10%的Al在250°C退火2min27§2回复LiJCM,1962亚晶通过旋转实现长大28用透射电子显微镜观察Al-Ni合金薄膜在580˚C退火的原位变化位错密度的变化§2回复FJHUMPHREYS,HMCHAN，199629

冷加工变形60%再退火Fe-0.8Cu中的亚晶Reed-HillandAbbaschian,1994冷轧变形50%再在300

C退火5min的aluminum-alumina合金中的亚晶长大A.R.Jones198030第4章.回复和再结晶§1.引言§2.回复§3.再结晶§4.晶粒长大和其它变化“09级实验照片”，下载找自己的照片31位错攀移（或滑移）——

位错垂直排列（亚晶界）——

多边化（亚晶粒）——

弹性畸变能降低多边形化过程中刃位错的重排(a)晶体弯曲后活跃的滑移面上的剩余位错.(b)多边形化后位错的重排.弧形多边形

多边形化图.10-232位错最终沿滑移面排列，半原子面垂直于滑移面Fe-3.25wt.%Si单晶弯曲和退火时的多边形化过程.650C700C850C925C来自:Shewmon,金属中的相变,20061小时33取决于变形量,一个接着一个由DEs驱动的回复和再结晶过程，他们是竞争过程由于回复，再结晶的驱动力降低原则上,剩余的DEre

需要足够大以驱动再结晶过程>DEcr

原位回复为再结晶提供了形核位置

由于晶体结构和化学成分（影响层错）不同，回复程度不同DEDEreDEcr开始时间两种形式的回复P517，图.10-6,t=时间342.动力学特点:热激活过程遵守Arrhenius定律对于回复后的性能p

x=未回复部分的分数

§2回复Po:变形前的性能Pm:变形后的性能P:回复后性能图.10-7Zn,Tm=419.58C(692.73K)

352.动力学

短程变形速率: dx/dt=–kx

（t↑,x↓;x↓,|dx/dt|↓,）

lnx–c =–kt, lnx–c=–A0exp(-Q/RT)t,

§2回复回复分数x取决于温度材料性能(层错能)

时间362.动力学lnx–c=–A0exp(-Q/RT)t,

当1-xis固定,t1-x

随着T变化:lnt1-x=Q/RT+B

或§2回复图.