2-4 冷变形金属的回复,再结晶与热加工

2020/3/5中南大学材料学院柏振海1•§1变形金属加热时组织性能变化的特点•§2回复•§3再结晶•§4晶粒长大•§5金属的热加工•§6超塑性第9章冷变形金属的回复、再结晶与热加工2020/3/5中南大学材料学院柏振海2冷变形金属的回复、再结晶与热加工•塑性变形后的金属发生组织改变、产生了大量晶体缺陷，同时，变形金属中还储存了相当数量的弹性畸变能，因此冷加工金属的组织和性能处于亚稳定状态•室温下，原子扩散能力低，这种亚稳状态可一直维持下去2020/3/5中南大学材料学院柏振海3金属的加热过程•如果把冷变形金属进行加热，就会发生组织结构和性能的变化•储能是促使冷变形金属发生变化的驱动力•根据冷变形金属加热时加热温度的不同，从储能释放及组织结构和性能的变化来分析，将发生回复、再结晶及晶粒长大过程•经塑性变形后的金属再进行加热的过程称之为“退火”2020/3/5中南大学材料学院柏振海4冷变形金属退火时晶粒形状和大小的变化再结晶阶段先出现新的无畸变的核心，然后长大，直到完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒回复阶段组织几乎没有变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状晶粒长大阶段新晶粒互相吞并而长大2020/3/5中南大学材料学院柏振海5H68黄铜退火组织冷轧后退火，组织完全恢复，120x6.9mm轧到1.0mm，ε＝83％，轧制后晶粒拉长，破坏，出现大量滑移带，形成纤维组织，120x2020/3/5中南大学材料学院柏振海6金属的储能•金属在塑性变形时所消耗的大量能量，除绝大部分转化为热以外，尚有一小部分以储能的形式保留在金属之中•储能的主要形式是与点阵畸变和晶体缺陷相联系的畸变能•储能是回复和再结晶的驱动力，在回复和再结晶阶段全部释放出来•按材料种类的不同，储能释放曲线A、B、C三种形式2020/3/5中南大学材料学院柏振海7冷变形材料退火时储能的释放A:纯金属B：不纯的金属C：合金2020/3/5中南大学材料学院柏振海8冷变形材料退火时储能的释放•纯金属，不纯的金属和合金共同特点是每一曲线都出现一高峰，这个高峰出现的位置对应于再结晶开始的温度，在此之前，只发生回复•在回复阶段，A（纯金属）型曲线储能释放少，C型曲线储能释放多，B型曲线则介乎二者之间•这种差别是由于杂质原子和合金元素阻碍再结晶的形核和长大，推迟再结晶过程，从而使不纯金属和合金中的储能在再结晶开始以前能通过回复而较多地释放出来2020/3/5中南大学材料学院柏振海9冷变形金属退火时某些性能的变化2020/3/5中南大学材料学院柏振海10回复、再结晶、晶粒长大三个阶段金属性能变化•电阻率在回复阶段已有明显下降，到再结晶开始时下降更快，最后恢复到变形前的电阻•强度与硬度在回复阶段下降不多，到再结晶开始后，硬度一般急剧下降•有的金属在回复阶段硬度反而有所增加2020/3/5中南大学材料学院柏振海11冷变形金属退火时某些性能的变化•内应力在回复阶段也明显降低1.宏观内应力在回复时可以全部或大部被消除2.而微观内应力在回复时部分消除3.要全部消除，必须加热到再结晶温度以上•材料的密度随退火温度升高而逐渐增加2020/3/5中南大学材料学院柏振海129.2冷变形金属的回复•9.2.1回复动力学•所谓回复是指冷变形金属加热时，在新的无畸变晶粒出现之前，所产生的亚结构与性能变化的过程。回复动力学主要研究冷变形结束后，材料的性能向变形前回复的速率问题2020/3/5中南大学材料学院柏振海13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2020/3/5中南大学材料学院柏振海14回复动力学•定义R为回复时已恢复的加工硬化，如式所示•R=（σm-σr）/（σm-σ0）(9-1)•式中σm，σr，σ0分别表示变形后、回复后及完全退火的屈服应力•（1-R）则为剩余硬化分数•R越大，即（1-R）越小，表示回复阶段性能恢复程度愈大2020/3/5中南大学材料学院柏振海15回复动力学特点•（1）回复过程没有孕育期•（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，以后逐渐变慢，直到最后回复速率为零•（3）每一温度的回复程度都有一极限值，退火温度愈高，这个极限值也愈高，而达到此极限值所需时间则愈短•4）回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平2020/3/5中南大学材料学院柏振海16回复动力学•回复动力学特征可以用一方程式来描述•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，ΔP为加工硬化造成的该性能的增量P-P0=ΔP•这个增量与晶体中晶体缺陷（空位、位错等）的体积浓度CP成正比P-P0=ΔP=KCp(9-2)2020/3/5中南大学材料学院柏振海17回复动力学•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。它们随时间的变化率为d（P-P0）/dt=KdCp/dt(9-3)•缺陷的运动（变化）是一个热激活的过程，假定其激活能为Q，按照化学动力学的方法dCp/dt=-ACpe（-Q/RT）则d（P-P0）/dt=-KACpe（-Q/RT）2020/3/5中南大学材料学院柏振海18回复动力学•将式（9-2）代入得d（P-P0）/（P-P0）=-ACpe（-Q/RT）dt•积分得ln（P-P0）=-ACpe（-Q/RT）t(9-4)•式中A、C为常数，此式表示回复阶段性能随时间而衰减，并遵从指数规律2020/3/5中南大学材料学院柏振海19回复动力学•假若在不同温度下回复退火，让性能都达到同一P值时，所需时间显然是不同的•测量出几个温度下回复到相同P值所需的时间，利用式（9-4）并取对数，可得：lnt=常数+Q/RT(9-5)•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可能的回复的机制2020/3/5中南大学材料学院柏振海20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2211expexptRTQAtRTQA12111221expexpTTReRTRTtt回复动力学2020/3/5中南大学材料学院柏振海21例：已知锌单晶的回复激活能Q=20000cal/mol，在0℃回复到残留75%的加工硬化需5min，问在27℃和-50℃回复到同样程度需多长时间？解：)(13(min)1850052231273131.818.4200002天et(min)185.053001273131.818.4200001et回复动力学方程2020/3/5中南大学材料学院柏振海229.2.2回复过程的组织变化与回复机制•虽然在光学显微镜下看不到回复过程中组织的明显变化，但从透射电镜下观察到的亚结构却发生了重要变化。了解亚结构变化也是研究回复机制的重要方面•回复时亚结构的变化主要有以下两种种情况1．多边形化2．胞状组织的规整化2020/3/5中南大学材料学院柏振海231．多边形化•高温回复时，通过位错的滑移和攀移使位错变成沿垂直滑移面的排列，形成所谓的位错墙，每组位错墙均以小角度晶界分割晶粒成为亚晶，这一过程为位错的多边形化2020/3/5中南大学材料学院柏振海24多边形化时位错的移动和排列金属塑性变形后，滑移面上塞积的同号刃位错沿原滑移面成水平排列回复后的多边形化，形成位错墙高温回复时，刃位错通过滑移和攀移使位错变成沿垂直滑移面的排列，形成位错墙回复前位错的分布2020/3/5中南大学材料学院柏振海25多边形化2020/3/5中南大学材料学院柏振海26多边形化•为了降低界面能，小角度亚晶界有合并为大位向差亚晶界的趋势•首先亚晶部分合并成Y形结点，再通过结点的移动使分叉消失形成大亚晶•这类亚晶结构稳定不易迁移，阻碍以后的再结晶过程，不能成为再结晶的核心2020/3/5中南大学材料学院柏振海27多边形化•多边形化过程一般是当晶体受弯曲变形后，在较高温度下回复退火才发生的，而且只在产生单滑移的单晶体中，多边形化过程才最为典型•在多晶体中，产生多系滑移的情况下，也可能发生多边形化，不过此时易形成胞状组织，多边形化不那么明显、典型2020/3/5中南大学材料学院柏振海282．胞状组织的规整化•金属经塑性变形后存在胞状组织，其胞壁位错密度很高。在回复过程中，这种变形后的胞状组织将发生变化2020/3/5中南大学材料学院柏振海29胞状组织的规整化在回复初期，首先是过剩空位消失，变形胞状组织内的位错被吸引到胞壁，并与胞壁中的异号位错互相抵消，使位错密度降低，而且位错变得较平直、较规整，如图（a）、(b)回复继续时，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，单胞也有所长大，如图(c)，此时，胞状组织实际上就是亚晶粒回复再继续进行，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)2020/3/5中南大学材料学院柏振海30纯铝室温5％冷变形后200℃回复退火不同时间位错胞壁结构的变化2020/3/5中南大学材料学院柏振海313．亚晶粒的合并•电镜观察发现，许多金属（如Cu、Al、Zr等）在回复阶段相邻的两亚晶粒会相互合并而长大•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2020/3/5中南大学材料学院柏振海32亚晶粒合并a.合并前的亚晶粒b.开始合并，一个亚晶粒在转动c.刚合并后的亚晶粒结构d.某些亚晶界迁移后的最终亚晶粒结构2020/3/5中南大学材料学院柏振海33回复机制•根据亚组织变化的观察，以及激活能的测定分析认为回复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•在低温范围内回复主要是过剩空位的消失，趋向于平衡空位浓度•中等温度范围内的回复是位错重新滑移和交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•在较高温度范围的回复则包括了攀移在内的位错运动和多边形化以及亚晶粒合并2020/3/5中南大学材料学院柏振海34回复中刃型位错的攀移d沿晶界的攀移a攀移形成小角度晶界（多边化）b两平行滑移面上异号位错通过攀移相互抵消c同一滑移面上异号位错攀移过夹杂物后相互抵消2020/3/5中南大学材料学院柏振海35回复机制温度范围的划分是相对的，各种回复机制没有严格的温度界线温度回复机制低温1．点缺陷移至晶界或位错处而消失2．点缺陷合并中等温度1．缠结中的位错重新排列构成亚晶2．异号位错在热激活作用下相互吸引而抵消3．亚晶粒长大较高温度1．位错攀移和位错环缩小2．亚晶粒合并3．多边形化2020/3/5中南大学材料学院柏振海36•主要用作去应力退火，使冷加工金属在基本上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，提高耐蚀性回复退火的应用2020/3/5中南大学材料学院柏振海379.3冷变形金属的再结晶•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了无畸变的新晶粒，而且性能恢复到变形以前完全软化的状态，这个过程称之为“再结晶”•再结晶的驱动力也是冷变形时所产生的储能•再结晶虽然也是形核、长大过程，但再结晶在转变前后晶体结构和化学成分不发生变化2020/3/5中南大学材料学院柏振海38再结晶过程示意图2020/3/5中南大学材料学院柏振海399.3.1再结晶的形核•经典的均匀形核理论来研究再结晶形核，并用传统热力学方法来估算再结晶时的晶核临界尺寸与观测结果不符•根据透射电镜的一些观测结果，一般认为再结晶形核是通过现存界面的移动来实现的：1．亚晶粒聚合、粗化的形核机制2．原有晶界弓出形核机制2020/3/5中南大学材料学院柏振海401．亚晶粒聚合、粗化的形核机制•高层错能金属，可以通过相邻亚晶粒的合并来实现，即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，合并成一个大的亚晶。同时，通过原子扩散和相邻亚晶转动，使两个亚晶的取向变为一致a.高层错能金属2020/