材料的回复及再结晶

材料的回复、再结晶与热加工主要研究内容变形金属在加热时组织性能变化的特点回复再结晶晶粒的长大金属的热加工超塑性概述机械功(塑性变形)热量(散失)晶体内部缺陷→金属处于不稳定的高能状态→有向低能转变的趋势转变的三个阶段：回复(recovery)、再结晶(recrystallization)和晶粒长大(graingrowth)回复与再结晶的用途：再结晶退火、去应力退火、金属高温强度调整等。本章重点：转变过程三个阶段中的组织、性能的变化规律及主要影响因素本节主要内容：1.回复与再结晶定义2.显微组织变化3.性能变化4.储存能变化一、冷变形金属加热时组织与性能变化回复：冷变形金属在低温加热时，其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。1、回复与再结晶定义对经塑性变形后的金属再进行加热，通常称为“退火”，其目的是为了恢复与提高金属的塑性。当退火温度达到一定时，金属的性能可以完全恢复到冷变形以前的状态。2、显微组织的变化冷变形金属组织加热温度及时间的变化示意图回复阶段：纤维组织仍为纤维状，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。3、性能变化(1)力学性能：①回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；②再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；③晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，晶粒粗化时严重下降。(2)物理性能：①密度：回复阶段变化不大，再结晶阶段急剧升高；②电阻：由于点缺陷密度下降，电阻在回复阶段明显下降。4、储存能变化储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分(2%~10%)变形功。储存能存在形式储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。弹性应变能(3~12%)位错(80~90%)点缺陷二、回复本节主要内容：1.回复动力学2.回复时的亚结构变化与回复机制3.回复退火的应用二、回复1、回复动力学如图表示同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈服应力的回复动力学曲线。横坐标为时间，纵坐标为剩余年个百硬化分数(1-R)。0mrmR式中、、分别表示变形后、回复后及完全退火后的屈服应力。显然，R越大，表示回复阶段性能恢复程度越大。mr0(1)回复的动力学曲线(2)回复动力学特点回复过程没有孕育期，随着退火的开始进行，发生软化；在一定温度下，开始变化快，随后变慢，直到最后回复速率为零；每一温度的回复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此极限所需时间则越短。回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。设P为冷变形后在回复阶段发生变化的某种性能，P0为变形前该性能的值，△P为加工硬化造成的该性能的增量。这个增量△P与晶体中晶体缺陷(空位、位错)的体积浓度Cp成正比，即0pPPKC缺陷的变化是一个热激活的过程，假设其激活能为Q，则0()pdCdPPKdtdt在某一温度进行等温回复过程中，晶体缺陷的体积浓度将发生变化，伴随着性能P也发生变化，其随时间的变化率为exp()ppdCQACdtRT将(2)代入(3)中(1)(2)(3)0()exp()pdPPQKCAdtRT将(1)代入(4)中(4)00()exp()dPPQAdtPPRT(5)(6)积分得：0ln()exp()QPPAtCRT(3)回复的动力学方程(6)积分得：0ln()exp()QPPAtCRT若在不同温度下回复退火，让性能达到同一P值时，所需时间显然是不同的，对式(6)取对数，可得lnt常数+QRT(7)从lnt-1/T关系可求出激活能，利用对激活能值的分析可以推断回复的机制。(3)回复的动力学方程(1)多边化多边化过程示意图若将一单晶体经弯曲变形后在不同温度下回火，这个单晶就会变成若干无畸变的亚晶粒。这个过程是如何实现的呢？(a)(b)2、回复时的亚结构变化与回复机制经弯曲变形的单晶体沿平行的滑移面散乱的分布着过剩的正刃位错，此时晶体中的弹性畸变较大，如图(a)所示。若将此晶体加热，则滑移面的刃型位错通过滑移和攀移，沿竖直方向排成有规律的位错壁，即成为小角度倾斜晶界，如(b)所示。此时，单晶体被位错壁分割成几个位向差不大的亚晶粒，亚晶粒内的弹性畸变能大大减少，显然这是一个能量降低的过程。由于这个连续弯曲的单晶经回复退火后变为多边形，故称此过程为“多边化”。多边化过程示意图(a)(b)以冷变形5%的纯铝多晶体在200℃回复退火时亚组织变化为例，分析其回复时亚结构的变化及回复机制(a)(b)(c)(d)(2)胞状组织的规整化1)金属经过塑性变形后存在胞状组织，其胞壁位错密度很高，位错缠结相当宽(如图(a)所示)。在回复过程中，这种变形后的胞状组织将发生变化。2)在回复初期，首先是过剩空位消失，胞状组织内的位错被吸引到胞壁，并于胞壁中的异号位错相互抵消，使位错密度降低，而且位错变得较直，较规整，如图(b)所示。3)回复继续进行时，胞内变得几乎无位错，胞壁中的位错缠结逐渐形成能量较低的位错网，胞壁变薄，且更清晰，单胞有所长大，如图(c)所示。此时，胞状组织实际上就是亚晶粒。4)随着回复的继续进行，亚晶粒继续长大，亚晶界上有更多的位错按低能态的位错网络排列，如图(d)所示。总结：材料冷变形程度越大，回复退火温度越低，最后获得亚晶粒的尺寸越小。(3)亚晶粒的合并在回复阶段，很多金属(Cu、Al、Zr)中相邻的两亚晶粒会相互合并而长大，如下图所示。它可能是通过位错的攀移和位错壁的消失，从而导致亚晶转动来完成的，合并之后，原来的亚晶界消失，两个亚晶的取向趋于一致。(a)(b)(c)(d)总结：回复机制是空位和位错通过热激活改变了它们的组态分布和数量的过程。低温回复：回复的机制主要是过剩空位的消失，趋向于平衡空位浓度；中温回复：主要机制是位错滑移，导致位错重新组合，异号位错会聚而互相抵消以及亚晶粒长大，位错密度降低；高温回复：回复是机制包括攀移在内的位错运动和多边化，以及亚晶粒合并，弹性畸变能降低。温度回复机制低温1、点缺陷移至晶界或位错而消失2、点缺陷合并中温1、缠结中的位错重新组合2、异号位错互相抵消3、亚晶粒长大高温1、位错攀移和位错环缩小2、亚晶粒合并3、多边化回复机制3、回复退火的应用主要作用是去应力退火，使冷加工硬化后的金属一方面基本上保持加工硬化状态的硬度和强度，同时，使内应力消除，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高耐蚀性。三、再结晶本节主要内容：1.再结晶形核长大机制2.再结晶动力学3.再结晶温度4.再结晶后的晶粒大小及再结晶全图5.再结晶织构6.退火孪晶三、再结晶再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度后，无畸变的新晶粒取代变形晶粒的过程。经过再结晶，性能可恢复到变形以前的完全软化状态再结晶过程示意图1、再结晶形核长大机制再结晶过程是通过形核和长大来进行的，但再结晶的晶核不是结构不同的新相，而是无畸变的新晶粒核心，它们是由大角度界面所包围的。其形核机制主要有两种：一是亚晶粒粗化的形核机制；二是原有晶界弓出的形核机制。(1)、亚晶粒粗化的形核机制一般是发生在冷变形度大的金属。亚晶合并形核，适于高层错能的金属。过程：位错多边化→回复亚晶→形核亚晶合并形核示意图(a)(b)(c)上述过程的具体描述是相邻亚晶粒某些边界上的位错，通过攀移和滑移，转移到这两个亚晶外边的亚晶界上去，而使这两个亚晶之间的亚晶界消失，合成为一个大的亚晶。同时，通过原子扩散和位置的调整，使两个亚晶的取向变为一致，如图(a)所示。合并后的较大亚晶的晶界上吸收了更多的位错，它逐渐转化为易动性大的大角度晶界，这种亚晶就成为再结晶晶核。亚晶合并形核示意图(a)(b)(c)亚晶粒长大形核，适于低层错能的金属。通过亚晶合并和亚晶长大，使亚晶界与基体间的取向差增大，直至形成大角度晶界，便成为再结晶的核心。亚晶长大形核示意图(a)(b)(c)具体过程：变形后的亚晶组织中，有些位错密度很高，同号位错过剩量大的亚晶界与它相邻的亚晶取向差就比较大。退火时，这种亚晶界很容易转变成为易动性大的大角度亚晶界，它就可能向变形区弓出“吞食”周围亚晶而成为再结晶核。(2)、原有晶界弓出的形核机制一般是发生在形变较小的金属中。变形不均匀，位错密度不同。能量条件：2sELEs：单位体积变形畸变能的增量σ：晶面能L：球冠半径变形程度较小时，金属的变形不均匀，各晶粒的位错密度不同，原有晶界两侧的胞状组织粗细各异。退火时在原来的大角度晶界中可能有一小段突然向位错密度大、胞状组织细的一侧弓出，并形成一小块无位错区，此区域成为再结晶晶核。(3)、再结晶长大长大驱动力：畸变能(整体)方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新晶粒相互接触注：再结晶不是相变过程2、再结晶动力学再结晶动力学决定于形核率和长大速率GN331exp()3NG为已再结晶的体积分数；τ为退火保温时间。这一公式被称为johnson-Mehl(约翰逊-梅厄)方程。是描述一般成核、站嘎的固态相变和液体金属结晶的相变动力学公式。由于johnson-Mehl公式中，假设了和G不随时间变化的，因此，用上述公式描述再结晶动力学并不严格。Avrami(阿弗瑞米)提出了如下修正公式：N1exp()nkt式中，n、k均为系数，可由实验确定铝在350℃的等温再结晶动力学曲线●●●●●●●●●实验——计算数分积体晶结再时间/s影响因素：①变形程度增加，则和G增大，再结晶孕育期和整个再结晶古城的时间都缩短；②退火温度升高，和G都增大，所以，再结晶速率加快；③溶解于合金中的杂质或合金元素，一般都降低再结晶速率；④第二相对再结晶动力学影响比较复杂，当第二相很粗时，会提高再结晶速率；当第二相极细时，会降低再结晶速率；⑤再结晶前的回复过程会使储能减小，降低，再结晶速率减慢；⑥变形金属的原始晶粒粗，再结晶时低，再结晶速率较慢。NNNN3、再结晶温度再结晶温度：能够发生再结晶的温度称为再结晶温度。再结晶温度包括再结晶起始温度和再结晶结束温度，它是一个由很多因素影响的不确定的物理常数。再结晶温度：经严重冷变形(变形量70%)的金属或合金，在1h内能够完成再结晶(再结晶体积分数95%)的最低温度。是一个较宽的温度范围。经验公式：高纯金属：T再=(0.25~0.35)Tm工业纯金属：T再=(0.35~0.45)Tm合金：T再=(0.4~0.9)Tm注：再结晶退火温度一般比上述温度高100~200℃。测量再结晶温度的方法：金相法：在光学显微镜下观察不同温度退火的试样，以出现第一颗新晶粒的温度为再结晶的起始温度。硬度法：测定不同退火温度的试样的硬度值，作出硬度-退火温度曲线，以硬度值开始突然急剧下降的温度为再结晶的起始温度。某些金属和合金的再结晶温度近似值a)变形程度：随着变形的增加，储存能增多，提高了和G，再结晶温度降低，并逐步趋于一稳定值；影响再结晶温度的因素N例1：纯Zr，当面积缩减13%时，557℃完成等温再结晶需40h，当面积缩减51%时，557℃完成等温再结晶需16h。例2变形程度对再结晶温度的影响b)杂质及合金元素：在金属中溶入为了合金元素可显著提高再结晶温度，一般在相同添加量情况下，添加元素与基体之间原子大小差别越大，或者说添加元素在基体中的固溶度越小，提高再结晶温度的作用越显著，但降低了再结晶速度；材料50%再结晶的温度(℃)备注光谱纯铜140Cu的原子半径为1.28Å光谱纯铜加入0.01%Ag205Ag的原子半径为1.44Å光谱纯铜加入0.01%Cd305Cd原子半径为1.52Å合金元素及尺寸对再结晶温度的影响c)弥散的第二相：第二相可能促进，也可能阻碍再结晶，主要取决于基体上第二相粒子的大小及其分布。设粒子间距为λ，粒子直径为di：若λ≥1μm，di≥0.3μm，第二相粒子降