5.3-回复和再结晶

第五章材料的变形与再结晶5.3回复和再结晶一.冷变形金属在加热时的组织和性能变化二.回复三.再结晶四.晶粒长大五.再结晶织构与退火孪晶六.金属的热加工第五章材料的变形与再结晶5.3.1冷变形金属在加热时的组织和性能变化冷变形金属随加热温度的提高•显微组织发生变化：回复、再结晶、晶粒长大。•性能变化：力学性能、物理性能、内应力、储存能释放第五章材料的变形与再结晶一.显微组织变化随加热温度的提高冷变形金属组织发生变化为：回复(recovery)、再结晶(recrystallization)、晶粒长大(graingrowth)。图5.45t1～t2回复阶段，仍保持原来形状(纤维状)t2～t3再结晶阶段，变形晶粒转变为等轴晶粒t3～t4晶粒长大阶段，晶粒尺寸发生变化第五章材料的变形与再结晶黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段组织变化的照片退火时，由于温度升高原子的能动性增加，即原子的扩散能力提高，而回复阶段只是消除了由于冷加工应变能产生的残余内应力，大部分应变能仍然存在，变形的晶粒仍未恢复原状。所以，随着保温时间加长，新的晶粒核心便开始形成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶的开始。随着保温时间的延长或温度的升高，再结晶部分愈来愈多，直到原来的晶粒全部被新的小晶粒所代替。进一步保温或升温，新晶粒尺寸开始增大，这就是晶粒长大现象。可用下面几组图片为黄铜退火过程中的再结晶和晶粒长大各个阶段的照片.第五章材料的变形与再结晶（图a）是黄铜冷加工变形量达到ε＝38％后的组织，可见粗大晶粒内的滑移线。（图b）经过580ºC保温3秒后，试样上开始出现白色小的颗粒，即再结晶出的新的晶粒。第五章材料的变形与再结晶（图c）是在580ºC保温4秒后，显示有更多新的晶粒出现。（图d）在580ºC保温8秒后，粗大的带有滑移线的晶粒已完全被细小的新晶粒所取代，即完成了再结晶。第五章材料的变形与再结晶（图e）是在580ºC保温15分后的金相组织。晶粒已有所长大。（图f）则是在700ºC保温10分后晶粒长大的情形。第五章材料的变形与再结晶二.性能变化1.力学性能(1)硬度（hardness）和强度（strenth）:回复阶段,变化不大,再结晶阶段下降。(2)塑性:回复阶段,变化不大;再结晶阶段上升；粗化后下降。2.物理性能(1)电阻（resistance）:温度升高，电阻率下降。(2)密度（density）:回复阶段变化不大，再结晶阶段上升。3.内应力:回复阶段基本消除完毕宏观应力,而微观应力消除需再结晶后才能完成4.亚晶粒(sub-grain)尺寸5.储存能释放（releaseofstoredenergy）第五章材料的变形与再结晶退火温度与黄铜强度、塑性和晶粒大小的关系可用右图来说明黄铜的强度、塑性和晶粒大小与再结晶退火温度以及各个阶段的关系。可见，退火温度愈高晶粒长得愈大，拉伸强度下降得愈多，塑性则增加得愈多。第五章材料的变形与再结晶第五章材料的变形与再结晶5.3.2回复一、回复动力学回复驱动力（drivingforces）为形变储存能(storedenergy)1.回复动力学曲线：2.回复动力学特点:3.回复动力学方程:ln（x0/x）=C0texp(－Q/RT)或lnt=A+Q/RT•若用两不同温度将同一冷变形金属等温回复到同一程度,则有:t1/t2=exp[－Q（1/T2－1/T1）/R]第五章材料的变形与再结晶二、回复机制1.低温回复:点缺陷的迁移2.中温回复:位错滑移导致位错重新组合3.高温回复:多边化（polygonization）。多边化的驱动来自应变能的下降。多边化产生的条件:(1)塑性变形使晶体点阵发生弯曲。(2)在滑移面上有塞积的同号刃型位错。(3)需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动。多晶体亚晶形成过程：多系滑移—位错缠结—位错胞—位错网—多边化—亚晶界。三、去应力退火第五章材料的变形与再结晶5.3.3再结晶再结晶是一个显微组织重新改组，变形储存能充分释放,性能显著变化的过程，其驱动为回复后未被释放的变形储存能。(一)再结晶过程(二)再结晶动力学(三)再结晶温度(四)影响再结晶的因素(五)再结晶后晶粒大小（六）再结晶全图第五章材料的变形与再结晶加热时冷变形再结晶形核和长大示意图第五章材料的变形与再结晶铁素体变形80%670℃加热650℃加热第五章材料的变形与再结晶一、再结晶过程再结晶过程是形核和长大,但无晶格类型变化。1.形核再结晶晶核是现存于局部高能区域内的,以多边化形成的亚晶为基础形核。其形核机制有：(1)晶界弓出(凸出)形核机制：对于变形度较小（20%）的金属，再结晶核多以这种方式。弓出形核时所需能量条件为：△Es≧2γ/L(2)亚晶形核对于变形度较大的金属,再结果形核往往采用这种方式。亚晶核核方式有：①亚晶合并机制：在变形度大且具有高层错能的金属中。②亚晶迁移机制：在变形度大,而层错能低的金属中。第五章材料的变形与再结晶2.长大再结晶晶核是依靠晶界的迁移而长大的。以弓出方式形成的晶核，当rrc便会借助于界面向高畸变区域长大。以亚晶迁移机制形成的晶核，一旦形成大角度晶界就可迅速移动,扫除其遇到的位错,留下无应变的晶体。晶界迁移的驱动力为新、旧晶粒之间的自由能差。迁移方向总是背向曲率中心，向着畸变区推进，直到完全形成无畸变晶粒。第五章材料的变形与再结晶二、再结晶动力学再结晶也是一个热激活过程,其速度V与温度T之间关系可用阿累尼乌斯公式描述,即：式5.26和式5.27。在两个不同温度下等温产生同样程度的再结晶所需的时间分为,则有：式5.28。再结晶动力学：取决于形核率N和长大速率G的大小。再结晶动力学曲线表示T—φR—τ关系曲线,其特点：(1)恒温动力学曲线呈“S”形；(2)有一孕育期；(3)等温下,再结晶速度呈现“慢、快、慢”的特点。等温再结晶动力学曲线第五章材料的变形与再结晶三、再结晶温度再结晶温度(recrystallizationtemperature)：冷变形金属开始进行再结晶最低温度。测定方法：金相法和硬度法实际生产上确定方法：一般TR=（0.35～0.40）Tm第五章材料的变形与再结晶四、影响再结晶的因素•1.变形程度：金属预先变形度增大、开始TR下降，等温退火时再结晶速度越快；而大到一定程度，TR趋于稳定。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。•2.原始晶粒尺寸：其它条件相同时，金属原始晶粒细小，则TR越低，同时形核率和长大速度均增加，有利于再结晶。T再与ε的关系纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系:TR≈（0.35～0.40）Tm其中TR、Tm为绝对温度.金属熔点越高,TR也越高.第五章材料的变形与再结晶3.微量溶质原子：其作用一方面以固溶状态存在于金属中，会产生固溶强化作用，有利于再结晶；另一方面溶质原子偏聚于位错和晶界处，起阻碍作用。总体上起阻碍作用，使TR提高。4.第二相粒子：其作用是两方面的,这主要取决于分散相粒子大小与分布。第二相粒子尺寸较大,间距较宽（1㎛），促进再结晶。第二相粒子尺寸较小且又密集分布时阻碍再结晶形成。5.退火工艺参数：加热速度过于缓慢或极快时，TR上升；当变形程度和保温时间一定，退火温度越高，再结晶速度快；在一定范围内延长保温时间，使原子扩散充分,TR下降。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100~200℃。第五章材料的变形与再结晶五、再结晶后晶粒大小再结晶晶粒的平均直径d与形核率及长大速度之间的关系如下：式5.30。影响再结晶晶粒大小的因素：1.变形程度的影响:变形度很小时，晶粒尺寸为原始晶粒尺寸；临界变形度εc时，晶粒特别粗大，一般金属εc=2～8%;当变形度大于εc时，随变形度增加，晶粒逐渐细化。第五章材料的变形与再结晶3%变形后经550℃退火6%变形后经550℃退火9%变形后经550℃退火12%变形后经550℃退火15%变形后经550℃退火冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响（纯铝片试样）第五章材料的变形与再结晶2.退火温度T升高，再结晶速度快，εc值变小。温度高原子扩散能力强晶界迁移快晶粒度越大60%变形后450℃退火60%变形后500℃退火第五章材料的变形与再结晶60%变形后700℃退火60%变形后600℃退火60%变形后800℃退火再结晶退火温度对晶粒度的影响第五章材料的变形与再结晶3.原始晶粒尺寸：当变形度一定时原始晶粒越细，D越小。4.微量溶质原子和杂质元素一般都能起细化再结晶晶粒的作用。第五章材料的变形与再结晶冷变形钢板焊缝区附近的组织和强度第五章材料的变形与再结晶六、再结晶全图再结晶全图是表示变形程度、退火温度及再结晶后晶粒大小关系的立体图形。（如右图）第五章材料的变形与再结晶5.3.4晶粒长大再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小(等轴晶)，若继续升温或延长保温时间，晶粒会继续长大。晶粒长大是一个自发过程。晶粒长大的驱动力来自总的界面能的降低。根据再结晶后晶粒长大特点，分为:（1）正常晶粒长大（normalgraingrowth）:均匀长大（2）异常晶粒长大（abnormalgraingrowth）:不均匀长大，又称二次再结晶(secondaryrecrystallization)；把通常说的再结晶称为一次再结晶(primaryrecrystallization)。第五章材料的变形与再结晶一、晶粒正常长大1.晶粒长大的方式：长大是通过大晶粒吞食小晶粒，晶界向曲率中心的方向移动进行的。2.驱动力：来源于晶界迁移后体系总的自由能的降低，总的界面能的降低。即晶界凸侧晶粒不断长大,凹侧晶粒不断缩小。3.晶粒大小:平均晶粒直径与保温时间关系如式5.32。式中表明在恒温下发生正常晶粒长大时，平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大。当金属中存在阻碍晶界迁移的因素(如杂质)时,t的指数项小于1/2，则可用式（P190）表示。第五章材料的变形与再结晶4.影响晶粒长大的因素(1)温度T升高，晶粒长大速度也越快，越易粗化(2)分散相微粒当合金中存在第二相微粒时,粒子对晶界的阻碍作用使晶粒长大速度降低。正常长大停止时晶粒平均尺寸称为极限平均晶粒尺寸，其值为式5.37，极限平均晶粒尺寸决定于分散相粒子的尺寸及所占的体积分数。当φ一定、r越小时,极限平均晶粒尺寸越小。利用分散微粒阻碍高温下晶粒的长大，已广泛应用于金属材料和非金属材料中，如：①钢中加入V、Ti、Nb等,可形成TiN、TiC、VC、NbC、VN、NbN等粒子有效阻碍高温下钢的晶粒长大；②在陶瓷烧结中也常利用分散相微粒防止晶粒粗化。（3）晶粒间位向差一般小角度晶界或具有孪晶结构的晶界迁移速度很小；大角度晶界迁移速度一般较快。（4）杂质与微量元素阻碍晶界的迁移。第五章材料的变形与再结晶二、晶粒异常长大晶粒异常长大(二次再结晶、不连续晶粒长大)：1.驱动力：来自总界面的降低。2.长大方式：少数晶粒突发性地迅速地粗化，使晶粒间的尺寸差别显著增大。不需重新形核。3.晶粒异常长大条件：组织中存在使大多数晶粒边界比较稳定或被钉扎（Zenerpinning）而只有少数晶粒边界易迁移的因素。这些因素为：1)再结晶后组织中有细小弥散的第二相粒子，起钉扎作用。2)再结后形成再结晶织构，晶粒位向差小，晶界迁移率小。3)若金属为薄板，则在一定的加热条件下有热蚀沟出现钉扎位错。4)再一次结晶后产生了组织不均匀现象，存在个别尺寸很大的晶粒。第五章材料的变形与再结晶二次再结晶示意图第五章材料的变形与再结晶一、再结晶退火后的晶粒大小再结晶全图是表示变形程度、退火温度及再结晶后晶粒大小关系的立体图形。（如右图）5.3.5再结晶织构与退火孪晶第五章材料的变形与再结晶二、再结晶织构•再结晶织构(recrystallizationtexture)—•再结晶织构与原冷变形织构间存在三种情况：（1）与原有的织构相一致（2）原有织构消失而形成新的织构（3）原有织构消失不再形成新的织构•再结晶织构理论：（1）取向形核理论（orientednucleationtheory）（2）取向生长理