矿大材料科学与工程回复与再结晶

返回第四章回复与再结晶变形金属的热行为返回章目录：4.1冷变形金属在加热时的变化4.2回复4.3再结晶4.4再结晶后的晶粒长大4.5再结晶退火及其组织4.6金属的热变形4.7超塑性加工返回经冷变形的金属具有如下特点：•机械性能和理化性能发生明显变化。强度、硬度升高，塑性韧性下降。•组织结构有明显变化。晶粒变形，缺陷增加，位错胞形成。•处于自由能较高的不稳定状态。冷加工时，外力所作之功，除消耗于成型中摩擦阻力以及工件变形时的发热外，尚有一小部分（约占总功2～10％）存储在变形晶体中，这种储存能主要以位错的形式存在，使晶体内能增加。可以推想，如果金属中原子获得足够的活动性，便会自发地向能量较低的稳定状态变化。返回4.1冷变形金属在加热时的变化一、组织的变化经冷变形的金属逐渐增加温度，显微组织会发生三个阶段的变化。返回三阶段的微观特征：•0～T1：纤维组织不变，但亚结构有所变化。—回复•T1～T2：新的等轴晶形成，直至形变晶粒完全耗尽（纤维组织消失）。—再结晶•T2～T3：新晶粒继续长大。—晶粒长大•若将冷变形金属快速加热到0.5Tm以上恒温，随加热时间t延长，也会出现上述三个阶段的变化。返回二、储存能的变化•扫描示差量热计分别检测已变形和未变形的两块试样，加热到相同温度所消耗的功率P，得差值。ΔP＝P未－P变•作ΔP—T℃曲线如图，能量释放峰对应于新晶粒的出现—再结晶，在此之前为回复。T℃ΔP0ABT再T再A—纯金属，B—合金＝T℃P变P未返回三、性能的变化经冷变形的金属缓慢加热，测其性能的变化，如图所示。性能急变区对应于新晶粒的出现，再结晶之前为回复，之后为晶粒长大。返回总之：由以上变化说明，冷变形金属在加热时要经历三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。•回复：新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构与性能的变化。•再结晶：出现无畸变的等轴晶逐步取代变形晶粒的过程。•晶粒长大：指再结晶结束之后，晶粒的继续长大。返回4.2回复回复过程中，光学纤维组织未见变化，因而对回复的研究只能从性能变化入手，通过回复动力学的研究，并辅以薄膜透射电镜观察，从而推断其微观过程。返回一、回复动力学基本思路：冷变形金属在回复过程中性能的变化（如：加工硬化↘电阻率↘、致密度↗等），与晶体缺陷的密度下降有关。而晶体缺陷密度的下降，取决于回复温度和时间，建立以上关系可得回复动力学方程。如：加工硬化在回复过程中下降，设晶体加工硬化后屈服强度与某种晶体缺陷的体积浓度成正比。Cdk0σ0—充分退火试样的屈服强度，Cd—缺陷浓度返回等温回复过程中：dtdCdkdtd)(0BCddtdCdB—反应速率，按阿累尼乌斯公式：代入前式得：)/exp(RTQAB)()(00BkBCddtd分离变量并积分：CBt)ln(0)exp(0CBt*由于缺陷衰减过程是热激活过程，可按化学动力学一级反应处理：Cdk0返回即：在一定温度下，等温回复随时间的延长，加工硬化将按指数衰减。如图为变形锌在不同温度下等温回复时，屈服强度的衰减曲线，其中：00mxx—加工硬化残余分数σm—变形后的屈服强度σ—回复后的屈服强度tx)exp(0CBt返回CBt)ln(0将阿氏公式代入*上式得：取σ为定值，而测量不同温度下回复到相同σ值的时间。CtRTQA)/exp()ln(0)/exp(RTQDtRTQDt/ln)11(ln2121TTRQttlntT1或：如图：由实验斜率可求得Q，据此推算其机制。斜率＝Q/R返回一般来讲，激活能Q不只是一个，常按回复温度高低分为低温、中温和高温回复。对应的激活能为Q1、Q2、Q3。Q3Q2Q1lntT1返回二、回复机制1、低温回复一般在0.1～0.3Tm，对应于Q1。电阻率下降明显（对点缺陷敏感）。机制：过量空位消失，趋向平衡空位浓度。2、中温回复0.3～0.5Tm，对应于Q2。与位错的滑移有关：•同一滑移面上异号位错的相消。•位错偶极子的两根位错线相消。返回3、高温回复0.5Tm，Q3机制：位错的攀移和重新排列成较稳定的组态—多边化过程例：Fe－3％Si单晶按下图截取，弯曲变形后，放在650℃、700℃、800℃保温一小时，蚀坑法显示位错位置。45°45°（111）（111）x射线衍射:弯曲前弯曲后多边化后）（101）（101返回•机制：攀移＋滑移变形后的位错蚀坑700℃回复后的位错蚀坑攀移滑移返回•多晶体的高温回复机制比单晶体的多边化过程要复杂，但本质上也是包含位错的滑移和攀移。同一滑移面上异号位错的相消，密度下降，位错重排成较稳定的组态。•对冷加工中已形成位错胞的晶体,则表现为胞壁变薄，胞内位错进一步减少,形成界面清晰的亚晶。亚晶逐步聚合粗化,亚晶界出现二维的位错网络。冷变形后位错缠结回复0.5h位错平直化50h后形成位错网络300h后形成稳定网络返回三、回复退火的应用由回复机制可知：•回复过程中电阻率的明显下降，主要是由于过量空位的减少和位错应变能的降低；•内应力的降低主要是由于晶体中微区弹性应变大部分消除；•而强度和硬度下降甚少，则是由于位错密度下降不多,亚晶还较细小之故。返回因此可利用回复退火使冷变形金属在基本保持加工硬化的状态下，降低其内应力，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高耐蚀性;也可利用回复退火，提高导电材料的导电性。例：70Cu－30Zn黄铜深冲子弹壳，由于残留应力及环境气氛的作用，在放置一段时间后会自动发生晶界开裂，可经250℃退火处理。例：冷拉钢丝卷制弹簧，要在250℃～300℃进行回复退火以降低其内应力并使之定型，而强度和硬度基本保持不变。例：冷拔铜丝导线需进行回复退火处理，以提高导电性能。返回4.3再结晶•与回复相比，当冷变形金属材料加热到更高温度，其显微组织将发生彻底的改组，即再结晶。•再结晶是一个形核和长大的过程，它的形核是可移动的大角度晶界的形成。•长大则是核心向着尚未再结晶的部分移动，从而完成以新的无畸变的晶粒取代冷变形晶粒的过程。返回•再结晶的驱动力是冷加工的储存能，通过再结晶释放了储存能，使材料的组织与性能基本回复到形变前的状态，因此再结晶不是相变。（结构未变化）铁素体变形80%650℃加热670℃加热返回一、再结晶的形核与长大1、亚晶生长或合并形成大角度晶界（形变量较大时）①亚晶合并•在回复阶段形成的亚晶，通过亚晶间的合并，成为转矩小，易于迁移的大角度晶界，成为核心。（高层错能材料Al，Ni等）•特点：位错易于攀移，位错重排成稳定的亚晶界，胞内位错密度低。返回②亚晶生长通过亚晶界移动生长，成为大角度晶界。（低层错能材料，位错难以重组，胞内位错密度高。如Co、Ag、Cu、Au等）返回2、原有大角度晶界的凸出形核（形变量较小时）•冷变形金属中，当晶界两侧的晶粒位错密度相差较大时，在一定的温度下，晶界的一段向位错密度较高的晶粒一侧突然移动。被晶界扫掠过的区域，位错被界面吸收，冷加工储存能基本释放，留下无畸变的小区域，这就是再结晶核心。返回形核条件：σ—大角度晶界界面能ΔE—相邻晶粒的畸变能差El2高ρ低ρ2l由此可见，在形变量较小的材料中，出现ΔE较大的区域较多。因此这种形核一般发生在形变量较小的金属中，发生弓出的晶界均是迁移率较大的大角度晶界。返回3、再结晶核心的长大当再结晶核心形成后，可自发稳定的生长，驱动力为两晶粒间的畸变能差，晶界移动的方向是背离曲率中心方向。高ρ低ρ返回二、再结晶动力学1、等温曲线经冷变形的金属在不同温度下进行等温退火，测定经不同时间后已再结晶的体积分数，可得等温动力学曲线。返回其中：——形核率，——长大速率当考虑到随时间的衰减，经修正后可得Avrami公式：由曲线可见：再结晶与凝固动力学曲线相似，呈“S”形，为典型的形核—长大相变过程。若用一般形核—长大的相变动力学公式（Johnson－Mehl公式）描述：)3exp(143tNGX再GNN)exp(1kBtX再可由实验测定。其中4,~3k,3NGB：再结晶等温动力学曲线X再lgt0T100%返回2、温度对再结晶速度的影响•由等温曲线可见：等温温度越高，再结晶进行得越快。产生一定量的X再,所需的时间也越短。可以理解，温度越高，和均越大,因而B值也越大，相同时间下，X再也越大。NG)exp(1kBtX再T1再结晶等温动力学曲线X再lgt0T1T2T3T2T3100%NGB3返回•如果比较在不同温度下，获得相同的X再所需时间，由实验结果，可得存在线性关系。以上关系并非偶然，因为再结晶是一个热激活过程，其转变速度为：Tt1~1ln)RT/Q(AVRexp＝再t再再＝XV)/exp(t1RTQARlnt1lnRTQAR——与实际相符lnA'斜率＝－QR/RT1t1lnV再—单位时间内的转变分数由实验求再结晶激活能返回讨论：•T℃↑，V再↑。•已知T1、T2温度下完成再结晶（X再＝0.95）的时间分别为t1、t2。则：可求出再结晶过程的激活能QR•可以估算不同等温温度下再结晶开始，再结晶到一定数量（如50％）或再结晶完成所需的时间。)11(ln2121TTRQttRlnA'斜率＝－QR/RT1t1lnlnt1lnRTQAR返回三、再结晶温度及其影响因素•由于再结晶驱动力来自冷加工变形储存能，再结晶前后晶体结构并没有发生变化，所以再结晶不是相变。因此不可能有固定的温度，而是在很大范围内变化。•为了比较不同材料再结晶的难易程度，需要定义再结晶的温度。返回1、再结晶温度TK•退火一小时能完成再结晶（X再≥95％），所对应的最低温度称一小时TK。•测量不同T℃下，完成再结晶所需时间,得再结晶终了线，找出TK。•但随变形量不同TK不同。T℃t1hT0.3T0.5T0.770%50%30%①一小时再结晶温度TK（一般定义）返回②70％一小时再结晶温度Tk’（工业定义）•经大变形量（70％），退火一小时能完成再结晶所对应的最低温度称70％一小时TK’，也称再结晶温度限。它是衡量材料再结晶难易程度的指标。返回2、影响再结晶温度的主要因素①形变量形变量越大，冷变形金属中的储存能越高，再结晶驱动力越大，和↑，所以TK↓。凡是增大和的因素均降低TK，反之则使TK↑NGNG如图为形变量与一小时再结晶温度的关系曲线。当形变量达70％时，一小时再结晶温度降到极限，所以通常称70％一小时再结晶温度为再结晶温度限。TK'TK70%形变量返回•对于工业纯金属，再结晶温度限与熔点之间有下列经验关系：TK’＝（0.35～0.45)Tm(K)返回②原始晶粒尺寸dd↓,变形抗力↑,变形后储能↑,驱动力↑，、↑，TK↓。③微量元素微量元素偏聚于位错和晶界，降低畸变能，阻止位错滑移和攀移以及晶界的迁移，降低和，使TK↑。NGNG光Al85光Mg65光Cu:120光Ni:370返回④第二相粒子•一方面增加冷变形金属的储存能，增大了再结晶驱动力，有利于再结晶。•另一方面阻碍加热时位错的重排、亚晶形成、大角度晶界的形成、以及大角度晶界的推移，从而阻碍再结晶过程。•因此结果表现比较复杂，决定于两个矛盾的综合结果。一般来讲：弥散度高阻碍TK↑(自由程λ小，d小nm级)弥散度低加速TK↓见表7－3返回返回四、再结晶晶粒大小的控制再结晶后材料的机械性能的变化，主要取决于再结晶后的晶粒大小。与凝固过程一样分析，根据Johnson－Mehl方程，可导得晶粒大小d为：43)(NGkd可见，凡是影响的因素，都影响再结晶的晶粒大小。NG、注：错误P259，式(7-11)返回1、形变量的影响如图所式：以临界变形度εc为界原始晶粒→粗大晶粒→细小晶粒一般金属：εc＝2～8％•εc，驱动力不足，不发生再结晶•εc，ε↑，储存能↑，↑但因，而，所以增加速度,即↓,∴d↓。