金属学与热处理第五章

关于金属学与热处理第五章引言形变储能弹性应变能(3~12%)晶格畸变能(80~90%)退火将材料加热到一定温度保持一定时间的热处理工艺，按目的又可分为去应力退火、成分均匀化退火等多种。形变储能使金属内能升高，处于热力学亚稳状态。退火时，原子活动能力升高，形变金属从亚稳态向稳态转变，而形变储能则是形变金属退火过程中组织变化的驱动力。第2页,共54页，2024年2月25日，星期天第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化1.1回复与再结晶回复冷变形金属低温加热时，显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。再结晶冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。第3页,共54页，2024年2月25日，星期天回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；再结晶阶段：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。晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。1.2显微组织变化第4页,共54页，2024年2月25日，星期天1.2显微组织变化第5页,共54页，2024年2月25日，星期天回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降,塑性继续提高，粗化严重时塑性也下降。密度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。形变储能：回复阶段部分释放，再结晶至长大初期完全释放。1.3性能变化力学性能物理性能第6页,共54页，2024年2月25日，星期天第7页,共54页，2024年2月25日，星期天回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力；再结晶阶段：内应力可完全消除。1.4内应力变化第8页,共54页，2024年2月25日，星期天所谓回复，即在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化。回复阶段一般加热温度在0.4Tm以下。第二节回复第9页,共54页，2024年2月25日，星期天低温阶段—点缺陷的迁移和减少,表现为:

空位与间隙原子的相遇而互相中和空位或间隙原子运动到刃位错处消失，引起位错的攀移点缺陷运动到界面处消失。中温阶段:缠结位错重新组合;异号位错抵消,位错密度略有降低。亚晶粒长大。2.1回复机制第10页,共54页，2024年2月25日，星期天高温阶段回复：位错攀移和位错环缩小；亚晶粒合并；多边化。

多边化

是指冷变形金属加热时，原来处于滑移面上的位错，通过滑移和攀移形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。多变化的驱动力是弹性应变能的降低。2.1回复机制第11页,共54页，2024年2月25日，星期天上图中硬化分数R表示为：R=(sm-sr)/(sm-s0)；sm、sr、s0分别为变形后、回复后以及完全退火后的屈服应力。2.2回复动力学冷变形材料性能的回复程度与回复处理的时间和温度有关。回复过程是热激活过程，转变的速度决定于原子的活动能力。第12页,共54页，2024年2月25日，星期天降低应力（保持加工硬化效果）防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。2.3回复应用去应力退火第13页,共54页，2024年2月25日，星期天冷变形后的金属加热到一定温度(一般大于0.4Tm)或保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒;新生成的晶粒逐渐全部取代塑性变形过的晶粒，位错密度显著降低，性能发生显著变化并恢复到冷变形前的水平，这个过程称为再结晶。再结晶的驱动力也是变形储能的降低。第三节再结晶3.1再结晶的基本过程第14页,共54页，2024年2月25日，星期天3.2再结晶形核再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试用经典的形核理论来处理再结晶过程，但计算得到的临界晶核半径过大，与试验结果不符。大量实验表明，再结晶晶核总是在塑性变形引起的最大畸变处形成，并且回复阶段发生的多边形化是再结晶形核的必要准备。第15页,共54页，2024年2月25日，星期天回复阶段，塑性变形所形成的胞状组织经多边化发展成亚晶，其中亚晶长大形核的方式有亚晶合并和亚晶界移动两种机制。3.2.1亚晶粒长大形核机制亚晶粒长大形核一般在受大变形度的材料中发生。第16页,共54页，2024年2月25日，星期天a.亚晶合并机制相邻亚晶界的位错，通过滑移和攀移转移到周围晶界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，最后通过原子扩散和位置的调整，使两个或多个亚晶粒的取向变为一致，合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。第17页,共54页，2024年2月25日，星期天如上图，晶粒中某些局部位错密度很高的亚晶界向周边移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核。b.亚晶界移动机制第18页,共54页，2024年2月25日，星期天当金属的变形度较小时，金属变形是不均匀的。若晶界两边一个晶粒的位错密度高，另一个位错密度低，加热时晶界会向密度高的一侧突然移动，高密度一侧的原子转移到位错低的一侧，新的排列应为无畸变区，这个区域就是再结晶核心。3.2.2晶界凸出形核机制第19页,共54页，2024年2月25日，星期天和结晶形核方式类似，晶界弯曲后，一方面晶界的弯曲面因面积增加会增加界面能，另一方面形核区中原变形区内有应变能的释放。3.2.2晶界凸出形核机制第20页,共54页，2024年2月25日，星期天晶界凸出形核现象在铜、镍、银、铝及铝-铜合金中曾直接观察到。

第21页,共54页，2024年2月25日，星期天变形晶粒晶界附近的原子移动到新的未变形晶粒上，从而可以减少变形应变能，新晶粒不断长大到相遇，最后全部为新晶粒，再结晶完成。

t0时间t半径RdR/dt=G晶粒彼此接触孕育期3.3核心的长大第22页,共54页，2024年2月25日，星期天原子结合力大，熔点高的材料，再结晶进行较慢；材料的纯度，纯净材料如纯金属，进行较快，而溶入了其它元素，特别是易在晶界处存在聚集的元素时，将降低再结晶的速度；第二相质点特别是呈弥散分布时，将明显降低再结晶的速度。材料因素3.4影响再结晶的因素第23页,共54页，2024年2月25日，星期天加热温度愈高，再结晶速度愈快；变形量大，弹性畸变能大，再结晶速度也快。工艺因素变形量过小，形变储能不能满足形核的基本要求时，再结晶就不能发生。发生再结晶需要一定的变形量，称为临界变形量δC，大多金属材料的临界变形量在2—10%之间。3.4影响再结晶的因素第24页,共54页，2024年2月25日，星期天再结晶刚完成时，得到的是等轴细晶粒组织。继续提高退火温度或延长保温时间，就会发生晶粒相互吞并而长大的现象，晶粒长大包括均匀长大的正常长大过程和反常的长大过程。第四节晶粒长大第25页,共54页，2024年2月25日，星期天4.1正常的晶粒长大4.1.1晶粒长大的动力晶粒的长大是一自发过程，其驱动力是降低其总界面能。长大过程中，晶粒变大，则晶界的总面积减小，总界面能也就减小。为减小表面能，晶粒长大的热力学条件总是满足的，长大与否还需满足动力学条件，这就是界面的活动性。而温度是影响界面活动性的最主要因素。第26页,共54页，2024年2月25日，星期天为降低表面能，弯曲晶界趋于平直化，即晶界向曲率半径中心移动以减小表面积。ＩII当三个晶粒相交晶界夹角不等于120o时，则晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动，力图使三个夹角趋于相等。其原因是由于大角度晶界的表面张力与位向无关，几乎相等，即TA=TB=TC，因此三夹角必须相等各为120oO’OIIIIIITATBTC4.1.2晶界移动的规律第27页,共54页，2024年2月25日，星期天二维坐标中，晶界边数少于6的晶粒（其晶界外凸）必然逐步缩小乃至消失。而边数大于6的晶粒（晶界内凹）则逐渐长大。当晶界边数为6时，晶界很平直且夹角为120o时，则晶界处于稳定状态，不再移动，要达到这样的平衡状态需要很长的保温时间。4.1.2晶界移动的规律第28页,共54页，2024年2月25日，星期天可溶解杂质及合金元素

溶质原子都能阻碍晶界移动，特别是晶界偏聚(内吸附)显著的原子，能有效降低晶界的界面能，拖住晶界使之不易移动，温度很高时，吸附在晶界的溶质原子被驱散，其抑制作用减弱乃至消失。温度：晶界移动速率Ｇ可表示为：G=G0exp(-QG/RT)；G0为常数，QG为晶界迁移激活能。通常一定温度下晶粒长大到一定尺寸就不再长大了，提高温度晶粒会继续长大。4.1.3影响晶界移动的因素第29页,共54页，2024年2月25日，星期天小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而驱使界面移动的力又与界面能成正比，因此前者的迁移速度要小于后者。4.1.4影响晶界移动的因素

相邻晶粒的位向差第30页,共54页，2024年2月25日，星期天

不溶解的第二相rFfabfs周长＝2rcosf颗粒s晶界弥散的第二相质点对于阻碍晶界的运动有重要作用。右图中当运动的晶界遇到球形(简化起见)第二相质点时，第二相质点对晶界运动产生阻力Ｆ。如果达到平衡，则阻力Ｆ必须等于总张力在垂直方向的分力。晶界与质点接触的周长为:L=2

rcosf;所以总张力为:2

rscosf；它在垂直方向的分量则应为：2rscosfsinb；而b

=90o－a＋f4.1.4影响晶界移动的因素第31页,共54页，2024年2月25日，星期天所以平衡时总阻力应为：F=2rscosfsin(90o－a＋f)=2rs

cosf

cos(a-f)对于固定材料体系和质点，质点和晶粒间的表面张力固定，a也不变，而f随晶界与质点的相对位置而变化。对f求极值，令dF/df=0，则有：f=a/2，代入上述Ｆ表达式中可得：Ｆmax=2rs

cosf

cos(a-f)=2rscos2a/2=rs(1+cosa)若单位体积中二相质点个数为Nv，当单位面积的晶界移动2r距离时，横切的颗粒数为：N=2rNv

不溶解的第二相rFfabfs周长＝2rcosf颗粒s晶界第32页,共54页，2024年2月25日，星期天因此作用在单位面积晶界上的总阻力为：F总=FmaxN=2r2s

Nv(1+

cosa)另一方面，对于球形晶粒（半径为R），驱动其晶界移动的驱动力P为：P=2s/R阻力驱动力平衡时有：2s/R=2r2sNv(1+cosa)因此：

R=[r2

Nv

(1+cosa)]-1由于Nv为单位体积中二相质点个数,则其体积分数为：f=4

r3Nv

/3；将Nv换算成体积分数f代入得：若a角在迁移过程中保持不变，则：

不溶解的第二相第33页,共54页，2024年2月25日，星期天

讨论：

不溶解的第二相R是平衡状态下的晶粒半径，也即是该条件下晶粒长大的极限尺寸。晶粒长大的极限尺寸与二相颗粒的半径成正比，与颗粒的体积分数成反比。二相颗粒愈细小，数量愈多，则对晶粒长大的阻滞能力愈强。二相颗粒对晶粒长大的阻碍作用主要取决于其大小和体积分数，而二相颗粒本身的性质影响相对较小，因为它只影响a值。应用实例：灯泡W丝中加ThO2质点；钢中含有Al2O3或AlN质点、Mg中加入微量Zr，Al中含有MnAl6质点，均可明显阻止加热时晶粒的长大。第34页,共54页，2024年2月25日，星期天再结晶晶粒通常缓慢均匀长大，但如有少数晶粒处在特别有利的环境，它们将吞食周围晶粒，迅速长大，这种现象称为晶粒的异常长大。早期的研究以为异常长大也是形核和核心的生长过程，因此称为“二次再结晶”4.2晶粒的非正常长大异常长大的实质是一次再结晶后的长大过程中，某些晶粒的环境特殊而产生的优先长大，不存在再次形核过程。异常长大导致晶粒分布严重不均，长大后期可能造成材料晶粒尺寸过大，对材料的性能带来十分不利的影响。第35页,共54页，2024年2月25日，星期天基本条件:正常晶粒长大过程被(第二分散相微粒、织构）强烈阻碍。驱动力：界面能变化。(不是重新形核)4.2晶粒的非正常长大第36页,共54页，2024年2月25日，星期天

钉扎晶界的第二相溶于基体.

机制

再结晶织构中位向一致晶粒的合并.

大晶粒吞并小晶粒.对组织和性能的影响

织构明显

各向异性

优化磁导率

性能不均降低强度和塑韧性晶粒粗大提高表面粗糙度4.2晶粒的非正常长大第37页,共54页，2024年2月25日，星期天

再结晶温度再结晶后的晶粒尺寸其它组织变化第五节再结晶后的组织第38页,共54页，2024年2月25日，星期天

5.1再结晶温度再结晶并不是只能在固定的温度以上才能发生，而是温度愈高，转变速度愈快。再结晶温度定义为在一定时间内完成再结晶所对应的温度，通常规定在一小时内再结晶完成95%所对应的温度为再结晶温度再结晶温度与材料的类型、纯度有关，而且和材料冷变形程度也有关。再结晶温度随着变形量的增加而降低，最终有一下限值，对于工业纯金属来讲，经验表明最低再结晶温度在0.35TM左右，一般再结晶温度用0.4TM来估计。第39页,共54页，2024年2月25日，星期天在临界变形量以下，材料不发生再结晶，维持原来的晶粒尺寸；在临界变形量附近，刚能形核，因核心数量很少而再结晶后的尺寸很大，有时甚至可得到单晶；一般情况随着变形量的增加，再结晶后的晶粒尺寸不断减小；当变形量过大(>70%)后，可能产生明显织构，在退火温度高时发生晶粒的异常长大。5.2影响再结晶后的晶粒尺寸因素1)预变形量第40页,共54页，2024年2月25日，星期天退火温度高，完成再结晶用的时间少，长大的时间就长，所以随退火温度的提高而晶粒尺寸增大。再结晶退火一般均采用保温2小时，保证再结晶充分完成而晶粒不过分长大，延长保温时间显然会造成晶粒尺寸的长大。5.2影响再结晶后的晶粒尺寸因素2)退火温度和时间第41页,共54页，2024年2月25日，星期天5.2影响再结晶后的晶粒尺寸因素3)杂质无论是固溶于晶体内的异类原子，还是在材料组织中存在的第二相质点，特别是弥散分布时，都将促进再结晶后的晶粒细化。4)原始晶粒大小在其他条件相同时，材料变形前的晶粒尺寸愈细小，晶界面多，有利形核，再结晶后的晶粒也细小。5)变形温度材料变形温度较高，或再结晶退火前进行较有效的回复处理，因降低了畸变能，可使再结晶后的晶粒变粗。第42页,共54页，2024年2月25日，星期天应避免在临界变形量；同时一次不宜进行过大的变形，防止产生组织织构或出现晶粒的异常长大；严格控制再结晶退火的温度和保温时间，以保证再结晶能充分完成而晶粒不过分长大。5.2影响再结晶后的晶粒尺寸因素控制方法再结晶晶粒尺寸和凝固结晶一样，决定于形核率和长大速率的比值。为了防止再结晶后晶粒粗大，材料需要进行再结晶退火时：第43页,共54页，2024年2月25日，星期天有些结构的金属及合金，再结晶退火后经常出现孪晶组织，这种孪晶称为退火孪晶或再结晶孪晶。

5.3其他组织变化再结晶织构材料的冷变形程度较大，如果产生了变形织构，在再结晶后晶粒取向的遗传，组织依然存在择优取向，这时的织构称为再结晶织构。再结晶织构对进一步的加工不利。如冲压再结晶铜板形成制耳。经常在Cu中加入少量P、Be、Cd、Sn等杂质预防。退火孪晶第44页,共54页，2024年2月25日，星期天热加工热加工时的软化机制热加工对材料组织性能的影响第六节金属的热加工第45页,共54页，2024年2月25日，星期天热加工：再结晶温度以上的加工称为“热加工”。温加工：低于再结晶温度高于室温的加工。冷加工：室温加工。6.1何谓热加工？Sn的再结晶温度低于室温，因此室温下对锡的加工即为热加工。第46页,共54页，2024年2月25日，星期天在热加工的温度下，材料可以进行较快回复过程。它不同于静态回复，材料在变形的同时，一方面变形在增加缺陷，另一方面以回复方式减少部分缺陷，某些性能因二者的同时作用可达到动态平衡，维持在某一固定的水平。

6.2热加工时的软化机制在高温下，塑性变形的同时，发生组织结构的软化，尽管软化本身的方式也是属于回复和再结晶，由于变形硬化和软化同时发生，软化具有自己的特点，热加工时软化有以下类型：1）动态回复第47页,共54页，2024年2月25日，星期天热塑性变形再结晶方式形核超过临界变形量核心长大长大的晶粒也在变形超过临界量再次形核长大6.3热加工时的软化机制2）动态再结晶第48页,共54页，2024年2月25日，星期天3）亚动态再结晶6.3热加工时的软化机制变形过程中形成的再结晶核心或长大未完成的小晶体，在变形过程停止后的继续长大。4）静态回复和静态再结晶变形过程停止后，由于在较高的温度下，这时所发生的回复过程和重新形核并长大的再结晶