FH2.2-回复与再结晶

08:241《材料性能学》付华石家庄铁道大学08:242第2章材料的塑性变形2.1.材料的塑性变形机理2.1.1金属与陶瓷晶体的塑性变形机理2.1.2陶瓷材料的塑性变形特点2.1.3高分子材料的塑性变形2.2冷变形金属的回复与再结晶2.2.1塑性变形对材料性能的影响2.2.2冷变形金属的回复与再结晶2.2.3材料的热加工与冷加工2.3塑性变形的力学性能指标2.2.1塑性变形对材料性能的影响（四）对物理、化学性能的影响导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；结构缺陷增多，扩散加快；化学活性提高，腐蚀加快。（一）加工硬化（二）残余内应力（三）储存能2.2冷变形金属的回复与再结晶二、回复与再结晶（一）组织与性能的变化（二）机理（三）动力学（一）加工硬化（形变强化、冷作强化）定义：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑性、韧性下降的现象。加工硬化2.2.1塑性变形对材料性能的影响08:2451．单晶体的加工硬化三个阶段：位错滑移2.2.1塑性变形对材料性能的影响θ=dτ/dγ称为“加工硬化速率”08:246fcc单晶体的应力—应变曲线三个阶段：I．易滑移阶段：单滑移，位错阻力很小，θ1很低。2.2.1塑性变形对材料性能的影响08:247II．线性硬化阶段：多系滑移，位错运动困难，θII远大于θI，θII约为G/100—G/300，接近一常数。fcc单晶体的应力—应变曲线08:248III．抛物线硬化阶段：交滑移，θIII随应变增加而降低，应力应变曲线变为抛物线。fcc单晶体的应力—应变曲线08:2492．多晶体的加工硬化a.不出现第一阶段，加工硬化率明显高于单晶体。2.2.1塑性变形对材料性能的影响08:2410b.细晶粒的加工硬化率一般大于粗晶粒。C.合金比纯金属的加工硬化率要高，溶质原子的加入，在大多数情况下增大加工硬化率。08:2411（二）残余内应力变形不均匀，晶体各部分之间相互作用，外力去除后仍残留在体内的应力；塑变功==热量+残余应力（10％）宏观内应力（第一类）微观内应力（第二类，第三类）2.2.1塑性变形对材料性能的影响08:24121.宏观内应力（第一类内应力）作用在整个工件，由材料各部分（如表面和心部）的宏观形变不均匀而引起的。使工件尺寸不稳定，严重时甚至使工件变形断裂。2.2.1塑性变形对材料性能的影响08:24132.微观残余内应力第二类内应力：晶粒变形不均匀，晶粒内或晶粒之间，（软取向和硬取向）。第二类内应力使金属更容易腐蚀；黄铜：加工后，春季或潮湿环境发生应力腐蚀开裂。2.2.1塑性变形对材料性能的影响08:24142.第三类内应力：第三类内应力是产生加工硬化的主要原因。晶格畸变应力(位错、空位等引起)，占残余内应力的80%-90%。2.2.1塑性变形对材料性能的影响08:2415（三）储存能(1)储存能随形变量增加而增大．但增速逐渐变缓，最后趋于饱和；(2)加工温度越低，形变速度越大,加工硬化率越大，相同变形后的储存能越高；(3)应力状态越复杂，应力、应变的分布越不均匀，消耗的总能量越高，储存能越大。塑变的结果→→加工硬化、残余应力、储存能→→→晶体处于高能状态，不稳定。2.2.1塑性变形对材料性能的影响残余拉应力→→有害（裂纹的萌生和扩展）残余压应力→→→表面残余压应力（阻止裂纹的萌生和扩展），提高疲劳强度。降低残余拉应力?降低储存能?减少点阵缺陷？加热温度提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。激活高能量的金属提供能量：加热，热能！2.2.1塑性变形对材料性能的影响08:24172.2.2冷变形金属的回复与再结晶储存能是冷变形金属发生变化的驱动力。冷变形金属加热时，从可分为回复；再结晶；晶粒长大三个阶段储能释放组织结构和性能的变化08:24182.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2419变形金属加热时显微组织的变化：动画2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2420动画08:2421一、回复回复温度T回复为：T回复=(0.25～0.3)T熔(K)。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2422（一）回复过程中组织及性能的变化(1)组织不改变，保留纤维组织；(2)完全消除宏观残余内应力，微观内应力仍部分残存；(3)力学性能变化不大；强度和硬度只略有降低，塑性有增高。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2423回复过程中组织及性能的变化：(4)回复过程对物理性能的影响较大：点缺陷浓度明显降低，密度增加，电阻率降低。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2424（二）回复机制TH=T/Tm•点缺陷和位错在退火过程中运动，改变了组态和分布。1.低温回复：TH=0.1-0.3，点缺陷运动：空位迁移到晶界、表面和位错处；空位与间隙原子相遇而湮没。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:24252.中温回复：TH=0.3-0.5，位错滑移（+点缺陷运动）（1）异号位错相消；（2）位错胞内位错与壁内异号位错相消：位错胞壁变窄→→亚晶界，位错胞→→亚晶粒。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:242608:24273.高温回复：TH=T/Tm0.5位错攀移（+滑移）位错垂直排列，位错墙形成。亚晶转动、合并长大（降低界面能）―――再结晶核心。分割晶粒为亚晶，位错多边形化。弹性畸变能降低。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（三）回复动力学回复动力学曲线恢复过程中性能的衰减按指数关系进行。lnt=Q/kT+CQ—恢复激活能。无孕育期；开始变化快，随后变慢；长时间处理后，性能趋于一平衡值。08:2429二、再结晶•冷变形后的金属加热到一定温度后，在原来的变形组织中产生无畸变的新晶粒，性能恢复到变形以前的状态，称为再结晶。♣再结晶驱动力：形变储存能2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2430（一）再结晶后的组织与性能伸长晶粒→→等轴晶粒。与变形前晶格类型一样。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2431强度、硬度急剧降低，塑性提高，力学性能恢复至变形前状态，消除加工硬化现象。变形储存能全部释放。三类内应力（点阵畸变）消除，位错密度降低。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:24321.原有晶界弓出的形核形变较小，变形不均匀，位错密度不同。储存能的释放。（二）再结晶的形核机制2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:24332.亚晶粒合并形核2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2434•冷变形金属开始再结晶的最低温度称为再结晶温度。（三）再结晶温度*热力学：再结晶温度---意义不明确。形变一开始就获得储存能，就具有回复和再结晶的热力学条件，原则上就可发生再结晶。温度不同，只是过程的速度不同。动力学：人为定义了一个“再结晶温度”：在一定时间内（一小时）刚好完成再结晶的温度。再结晶温度是一个动力学意义的温度。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2435♣形变量足够大时，一般纯金属的再结晶温度为(0.35～0.4)Tm。•表2-6金属的再结晶温度金属SnPbZnAlAgAuCuFeNiMoW熔点/℃232327420660962106410851538145326103410再结晶温度/℃室温15020020020045060090012002.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2436•影响再结晶温度的因素：（1）预先变形度（2）金属的熔点（3）杂质和合金元素（4）加热速度和保温时间2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2437（1）预先变形度：变形程度增高，再结晶速度加快，再结晶温度降低，并逐步趋于一稳定值。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2438（3）杂质和合金元素：材料50%再结晶温度（℃）备注纯铜140Cu的原子半径为1.28Å纯铜加入0.01%Ag205Ag的原子半径为1.44Å纯铜加入0.01%Cd305Cd原子半径为1.52Å微量溶质原子或杂质：提高再结晶温度，降低再结晶速度（2）金属的熔点：熔点越高，最低再结晶温度也越高。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2439（4）加热速度和保温时间加热速度↑→→T再↑，保温时间↑→→T再↓。为了缩短处理时间，实际再结晶温度：T=T再+100℃～200℃。扩散过程。应用：再结晶退火→→消除加工硬化→→恢复塑变能力。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2440（四）再结晶后的晶粒度•形核率N：单位时间/体积内形成的再结晶核心数；14()GdCN再结晶后的晶粒尺寸由形核率N和长大速率G决定。细晶粒：↓G/N值。形核率N大，长大速率G小。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2441影响再结晶后晶粒度的主要因素:•加热温度；√•预先变形程度（量）；最重要的影响因素。√•金属纯度；（自学）•原始晶粒大小等。（自学）2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2442（1）加热温度♣加热温度越高，原子扩散↑，N增大，晶界迁移率↑，G也增大。综合作用：晶粒长大。H68合金再结晶晶粒随温度的变化2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（a）580℃保温8s(b)700℃保温10min08:2443“临界变形度”:一般为2-10%，晶粒粗大。（2）预先变形度临界变形度，随变形度增加，晶粒变细。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2445（五）再结晶动力学exp(/)RRVAQRT再结晶速率与温度间阿累尼乌斯(Arrhenius)关系式：其中QR为再结晶激活能。（2）再结晶需要热激活。（1）再结晶需要孕育期，且温度越高，孕育期越短，转变速度越快。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2446相变再结晶相同点形核、长大过程，有孕育期，相似的动力学方程；不同点驱动力新/母相间的化学自由能差形变金属的机械储存能临界温度有一个临界温度，热力学意义的温度人为规定，动力学意义的温度！再结晶与相变的关系：2.2.2冷变形金属的回复与再结晶再结晶不是固态相变！是同相晶粒形态的转变。08:2447（六）再结晶后的晶粒长大晶粒长大的驱动力：晶界能的下降，即长大前后的界面能差值。长大方式有正常晶粒长大和异常晶粒长大两种。（a）正常再结晶（b）晶粒正常长大(c)异常长大Mg-3Al-0.8Zn合金退火组织:2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2448变形80%工业纯铁再结晶退火100×变形80%600℃退火8小时变形80%400℃退火8小时08:24491、晶粒的正常长大：晶粒的长大连续、均匀。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:24502、晶粒的异常长大（二次再结晶）驱动力：长大前后的界面能差。产生条件：弥散的第二相质点或杂质、织构等强烈阻碍晶粒正常长大过程。降低材料的室温机械性能，大多数情况下应当避免。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶小结：一、塑变对金属性能影响（一）加工硬化随变形量的增加，强度、硬度升高而塑韧性下降。位错滑移，交互作用，位错缠结、位错胞。（三）储存能回复与再结晶的驱动力（二）残余内应力:宏观残余内应力（第一类应力）微观残余内应力:第二类应力：晶粒第三类应力：点阵畸变回复再结晶组织不改变等轴晶粒力学性能消除宏观残余内应力，力学性能变化不大强度、硬度低，塑性提高，消除加工硬化现象机理空位，位错滑移，位错攀移原有晶界弓出，亚晶合并形核，动力学意义的温度二、冷变形金属的回复与再结晶08:2453•区分标准：再结晶温度。•在再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。例如钢材的热锻和热轧。2.2.3材料的热加工与冷加工（动画）（金工实习？自学）热轧时变形和再结晶2.2.2冷变形金属的回复与再结晶08:2454一、热加工及其对组织、性能的影响塑性变形+再结晶过程。加工硬化随即被再结晶过程的软化作用消除，使材料保持良好的塑性状态。热轧时变形和再结晶08:2455（1）热加工能使铸态金属中