回复和再结晶

第八章回复与再结晶第一节概述问题:1、金属或合金经塑性变形后，为什么要进行退火处理？金属或合金经塑性变形后，强度、硬度、电阻率和矫顽力等升高，塑性、韧性、导磁率和耐蚀性则下降，为使经冷塑性变形的金属的机械性能恢复到冷塑性变形前的状态，需要对金属加热进行退火。2、为什么将加工硬化的金属加热到适当的温度能使其恢复到冷塑性变形前的状态呢？金属与合金在塑性变形时所消耗的功，绝大部分转变成热而散发掉，只有一小部分（约2%～10%）能量以弹性应变和增加金属中晶体缺陷（空位和位错等）的形式储存在加工硬化的金属中，从而使其自由能较冷塑性变形前的状态为高。晶体缺陷所储存的能量又叫畸变能，空位和位错是其中最重要的两种。因此冷变形的金属在热力学上是处于一种不稳定的亚稳状态，如果升高温度使金属中的原子获得足够的活动性，以克服亚稳状态与稳定状态之间的势垒，则经冷塑性变形的金属将自发地通过点阵缺陷的重新排列和减少而恢复到冷变形前的状态。3、经冷塑性变形的金属加热时，经过那些阶段？各阶段的特点？依次经过回复、再结晶和晶粒长大三个阶段（此三阶段有部分交迭）。如图1所示：图1回复、再结晶、晶粒长大过程示意图0回复T1T2再结晶T3晶粒长大回复：指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微镜组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。再结晶：指经冷塑性变形的金属在加热时，通过再结晶核心的形成及随后的生长、最终形成无畸变的新的晶粒的过程。晶粒长大：随着加热温度的升高或者保温时间的延长，晶粒之间相互吞并而长大。包括正常的晶粒长大和异常的晶粒长大，后者称为二次再结晶。在特殊的情况下，二次再结晶形成的新的晶粒组织在加热时还会发生三次再结晶。4、在回复和再结晶的过程中，金属会释放出冷塑性变形所储存的能量，同时性能也会发生相应的变化。HVΔρΔP,mW7505025100100125Δρ,10-6Ω·cmHV温度，°C300200ΔP400102030图8-1在室温经75%压缩变形的纯铝(纯度99.998%)以6ºC/sec的加热速度加热时,热量差ΔP、比电阻的变化Δρ及维氏硬度HV与加热温度之间的关系下面分别详细介绍回复、再结晶、晶粒长大、再结晶织构以及金属材料的热加工。第二节回复在这一节，涉及的主要问题是：一、回复的作用二、回复的动力学三、回复的机制四、回复退火的应用一、回复的作用260º进行“去应力退火”，内应力能够大部分消除，而强度、硬度基本不变。这样处理所发生的过程就是回复。从图8-3中可以看出，温度越高，经过回复后残余的加工硬化越少，回复越快。而且当温度一定时，在前十几分钟的时间里残余的加工硬化减少得最快，说明：回复速度快，然后随回复量的增加而逐渐减慢。二、回复的动力学回复过程可用一级方程式表示：（8-1）式中t为恒温下的加热时间,x为冷变形导致的性能增量经加热后的残留分数,c为与材料和温度有关的比例常数,c值与温度的关系具有典型的热激活过程的特点:（8-2）式中Q为激活能,R为气体常数(2cal/gmol·K),c0为比例常数,T为绝对温度.将(8-2)式带入方程(8-1)中并积分,以x0表示开始时性能增量的残留分数,则得cxdtdxRTQecc/0xxtRTQdtecxdx00/0RTQexx/00tcln（8-3）这说明与其他热激活过程一样,回复的速度随温度升高而增大。这一点在图8-3中也显示得很清楚。如果采用两个不同的温度将同一冷变形金属的性能回复到同样的程度，则(8-4)21/20/10tctcRTQRTQee)11(//211212TTRQRTQRTQeeett可见，温度越高，性能回复到相同程度所需时间越短．三、回复的机制(一)低温回复经冷加工变形的金属通常在较低的温度范围就开始回复，表现在因变形而增高的电阻率发生不同程度的下降，但这时其机械性能不出现变化。由于金属的电阻率对点缺陷很敏感，而机械性能对点缺陷不敏感，所以这种低温下发生的回复与金属中点缺陷的变化有关。一般认为低温回复主要是由于塑性变形所产生的过量空位消失的结果，其消失至少存在四种可能的机制：（1）空位迁移到金属的自由表面或晶界而消失；（2）空位与塑性变形所产生的间隙原子重新结合而消失；（3）空位与位错发生交互作用而消失；（4）空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环而消失。（二）中温回复这种回复发生于较之低温回复稍高一些的温度范围，其主要的机制是位错滑移导致位错重新组合，以及异号位错会聚而互相抵消。（三）高温回复高温回复的主要机制为多边化。冷变形后由于同号刃型位错在滑移面上塞积而导致点阵弯曲的晶体[图8-4a]，在退火过程中通过刃型位错的攀移和滑移（图8-5），使同号刃型位错沿垂直于滑移面方向排列成小角度亚晶界的过程称为多边化。多边化后刃型位错的排列情况如图8-4b。图8-5刃型位错的攀移和滑移示意图冷变形金属发生多边化过程的驱动力来自应变能的下降。当同号的正刃型位错塞积于同一滑移面上时，它们的应变能是相加的，因为在每一个正刃型位错的应变场内，滑移面上部的区域都受到压缩，下部都受到伸张；而当多边化后同号的正刃型位错沿滑移面的法线方向重叠排列时，上下相邻的两个正刃型位错的区域内，上面一个位错所产生的张应变场正好与下面一个位错所产生的压缩应变场相迭加，从而互相部分的抵消。位错的攀移是通过空位扩散到位错线处来实现的，而空位的扩散又是一种热激活过程，因此多边化的速度随温度升高而迅速增加。为什么多晶体金属多边化后，亚晶粒比单晶细小的多,且亚晶界由二维位错网络组成?多晶金属塑性变形时滑移通常是在许多相互交截的滑移面上发生，同时变形更不均匀，导致塑性变形后产生由缠结位错构成的胞状组织。具体过程如下：冷变形形成缠结位错，位于晶胞边界→变形胞内位错移向胞壁，同时胞壁处的缠结位错趋向规则排列→形变胞边界处的缠结位错形成网络构成亚晶界→位错网络发生分解，并入更稳定的位错网络中，亚晶界聚合长大。根据冷变形金属的回复机制，可对回复导致的性能变化作如下解释：电阻率的强烈下降主要是由于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内弹性应变的基本消除。硬度及强度下降不多则是由于位错密度通常下降不大的缘故。四、回复退火的应用回复退火主要是用作去应力退火，使冷加工的金属件在基本上保持加工硬化状态的条件下，降低其内应力，以避免变形或开裂，并改善工件的耐蚀性。如:经冷冲压的黄铜工件、冷拉钢丝卷制弹簧。第三节再结晶在这一节涉及的主要问题是：一、再结晶现象二、再结晶动力学三、再结晶过程中的形核四、再结晶温度五、影响再结晶的主要因素六、再结晶后晶粒大小一、再结晶现象经冷塑性变形的金属加热时其组织与性能最显著的变化是在再结晶阶段发生的。再结晶是一种形核和长大过程，或者更确切的说，是通过新的可移动的大角度晶界的形成及随后的移动，从而形成无应变的新晶粒组织的过程。经过再结晶，塑性变形所导致的各种性能改变都消失掉，金属材料的性能恢复到冷变形前的原来水平（图8-11），因此在工业生产中就可利用再结晶来消除冷加工变形的影响，这种热处理工艺称为再结晶退火。二、再结晶动力学图8-12为经98%冷轧的纯铜在不同温度下的等温再结晶曲线。由图可知，等温下的再结晶速度开始时很小，随再结晶百分数的增加而增大，并在50%处达到最大，然后又逐渐减小，即具有典型的形核-长大过程的动力学特征。金属的等温再结晶动力学曲线通常认为可以用下列方程来描述：(8-5)(8-6)KBtvex1tKBxvlglg11lnlg式中为在t时间已经再结晶的体积分数，B和K为常数，可通过实验决定。vx或如果令（8-6）式中的的对数为y，令t的对数为x，则（8-6）式具有直线方程的形式，表明等温再结晶时，的对数与时间t的对数之间存在着线性关系。图8-13为经98%冷轧的纯铜在不同温度等温再结晶时的图，图中大多数的关系曲线均具有线性特征，说明用上述方程来描述等温时的再结晶体积分数与实际情况基本上是符合的。vx11lnbmxyvx11lntxvlg11lnlg图8-13还清楚地显示出温度对等温再结晶的影响。温度越高，再结晶进行得越快，产生一定体积分数再结晶所需时间也越短。将图8-12中的实验数据记载在（T为再结晶的绝对温度）和（t为产生一定体积分数再结晶所需的时间）的坐标图中，这些数据是相当准确地落在一条直线上（图8-14）。T1tlg图8-14中所观察到的与间的线性关系的原因：金属的再结晶也是一种热激活过程，再结晶的速度与温度T间存在着热激活速率方程所示关系：tlgT1再vRTQRAev/再（8-7）式中为再结晶的激活能，R为气体常数，T为绝对温度，A为比例常数。由于再结晶的速度与产生一定量再结晶气积分数所需时间t成反比例，因此（8-7）式又可写成：RQRTQReAt/'1(8-8)式中A’为比例常数。在（8-8）式两边取对数可得：TRQAtR1'ln1ln或应用常用对数（）可得xxlnlg3.2tQRAQRTRRlg3.2'lg3.21（8-9）（8-9）式为一直线方程，故与间存在线性关系。T1tlg根据（8-9）式，图8-14中直线斜率m应等于。即再结晶的激活能，这样就可求出经98%冷轧的纯铜其再结晶的激活能93.7KJ/gmol。RQR3.2mRQR3.2)11(2112TTRQRett（8-10）式中t1、t2分别为在T1、T2两不同温度产生同样程度的等温再结晶所需时间。根据（8-10）式，如果知道金属的再结晶激活能及此金属在某恒定温度完成再结晶所需的等温退火时间，就可计算出此金属在另一温度等温退火时完成再结晶所需的时间。和等温回复的情况相似，在两个不同的恒定温度产生同样程度的再结晶时，可得三、再结晶过程中的形核1、为什么回复阶段发生的多边化是再结晶形核的必要准备阶段？多边化过程导致形成一定的亚晶界，成为再结晶形核的中心。2、多边化产生的由小角度晶界所包围的某些无应变的较大亚晶的生长方式由哪两种？其适用范围是什么？（1）亚晶界移动，吞并相邻的形变基体和亚晶生长。（2）通过两亚晶之间亚晶界的消失，使两相邻亚晶合并而生长。适用范围：经较大冷塑性变形（如变形度大于20％的冷塑性变形）的单晶和多晶体的再结晶过程。3、较小冷塑性变形的多晶体的再结晶核心以凸出形核形成，示意图见8-17，对其分析如下：图中I和Ⅱ为经较小冷塑性变形的多晶体金属中的两个相邻晶粒，其中晶粒I中的位错密度较晶粒Ⅱ中者为高。发生再结晶时，I、Ⅱ两晶粒间原来平直的晶界，会通过晶界迁移向晶粒I内凸出，在其前沿扫过的区域内留下无应变的晶体，构成再结晶核心。由于变形金属在再结晶前会发生多边化而生成亚晶，因此再结晶时的凸出形核还可以通过图8-18所示的情形来形成。图中晶界两边的晶粒经冷塑性变形后产生的应变程度不同，故位错密度不同，B晶粒内的位错密度大于A晶粒中的位错密度，因此多边化后B晶粒中形成的亚晶较A晶粒中形成的亚晶为细小，这样，再晶界处A晶粒的某些亚晶会通过晶界迁移而凸入B晶粒中，借消耗B中的亚晶而生长，此过程能使体系的自由能下降，从而形成了再结晶核心。4、图8-20的示意图表示了三种再结晶形核方式：5、总结：再结晶核心无论以哪种方式形成，都可借其周围的大角度晶界移动而生长，当各个再结晶核心长大到互相接触时，就形成了完全由大角度晶界所分界的新晶粒组织四、再结晶温度冷变形金属开始进行再结晶得最低温度。测定方法：（1）金相法：以显微镜中观察到第一个新晶粒或者晶界因凸出形核而出现锯齿状边缘的退火温度定为再结晶温度。（2）硬度法：以硬度—退火温度曲线上硬度开始显著降低的温度定为再结晶温度。有时也将硬度—退火温度曲线上软化50％的退火温度定为再结晶温度。工业生产中则通常以经过大变形（～70％以上）的冷变形金属，经一小时退火能完全再结晶的最低退火温度定为再结晶温度。五、影响再结晶的主要因素：（1）温度：温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结晶所需要的时间也越短。（2）变形程度：金属的冷变形