Chapter-7-金属及合金的回复与再结晶

本章目的1揭示形变金属在加热过程中组织和性能变化的规律2揭示再结晶的实质3说明热加工与冷加工的本质区别以及热加工的特点第七章金属及合金的回复与再结晶（1）回复与再结晶的概念和应用（2）临界变形度的概念（3）再结晶晶粒度的控制（4）热加工与冷加工的区别本章重点§7-1形变金属与合金在退火过程中的变化塑性变形所消耗的功储存能热（绝大部分）弹性应变能畸变能形变金属的组织和性能在加热时逐渐发生变化，向稳定态转变，这个过程称为退火。形变金属在退火过程，随保温时间的延长或温度的升高，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。一、显微组织的变化塑性变形金属加热的0.5Tm附近保温，组织将发生一系列变化。二、储存能及内应力的变化1代表纯金属；2、3代表非纯金属和合金回复阶段第一类内应力基本可以得到消除，第二类或第三类只能消除部分。三、力学性能的变化回复阶段，硬度值略有下降；再结晶阶段，硬度与强度显著下降，塑性大大提高四、其他性能的变化电阻在回复阶段发生显著地变化，与再结晶过程中变化相差不大。五、亚晶粒尺寸回复前期，尺寸变化不大，后期，接近再结晶温度时，尺寸显著增大。§7-2回复一、退火温度和时间对回复过程的影响回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（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。回复阶段：硬度和强度等力学性能变化小，电阻率变化明显。拉伸变形后纯铁在不同温度下回复时屈服强度随时间的变化。1-r：剩余加工硬化分数，r=（σm-σr）/σm-σ0。1-r越小，则r越大，表示回复程度越大。一、退火温度和时间对回复过程的影响回复是温度和时间的函数温度越高，回复程度越大；温度一定时，回复随时间的延长而逐渐增加每个温度下，回复程度都有一个相应的极限值。回复过程是源自的迁移扩散过程。原子迁移的结果，导致金属内部缺陷数量的减少，储存能下降。杂质原子和合金元素使回复阶段储存能释放的多，从而导致再结晶的驱动力的降低，推迟再结晶过程。一、退火温度和时间对回复过程的影响二、回复机制一般认为，回复是空位和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的数量和组态的过程。低温回复，主要是空位的运动使空位密度大大减小。电阻率对空位敏感，所以其数值下降明显，而力学性能变化不大。高温回复，主要是位错的运动。通过位错的滑移和攀移，发生多边化。多边化多边化是冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。驱动力来自弹性应变能的降低。攀移攀移是指刃型位错沿垂直于滑移面的方向运动。正攀移：额外半原子面缩短。负攀移：额外半原子面扩大。刃型位错的攀移和滑移示意图三、亚结构的变化（a）冷加工后的胞状结构，胞壁中含有高密度的位错缠结。（b）回复退火0.1h后，胞壁中的位错平直了。（c）回复退火50h后，在胞壁中的位错形成网络，亚晶伸长了。（d）回复退火300h后，位错网络断开并形成更稳定的网络。四、回复特点①加热T低：T回=(0.25~0.3)T熔②显微组织无明显变化--仍保留拉长、畸变的晶粒③晶粒内部点缺陷、亚结构发生变化Ⅰ点缺陷大大下降--畸变原子回到正常晶格位置Ⅱ发生多边形化过程，形成回复亚晶。④性能变化HB、σ略↓，δ、ψ略↑电学、磁学等物理性能以及化学性能恢复到冷加工前，电阻↓↓；耐腐蚀性提高原因：晶格畸变↓⑤内应力↓↓原因：点缺陷的极大降低总体：回复阶段力学性能变化不大，加工硬化基本保持；物理、化学性能显著恢复典型应用——冷加工件的去应力退火，主要消除第一类内应力，减轻工件的翘曲和变形，但是其加工硬化状态还将保持。五、回复退火的应用消除内应力，防止变形、开裂恢复物理、化学性能冷成形、焊接、铸造钢件：250-650℃例如：一战中黄铜子弹的季裂现象§7-3再结晶再结晶指冷变形的金属加热到一定温度保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，位错密度显著降低，性能也发生显著变化，并恢复到冷变形前的水平的过程。驱动力：冷变形产生的储存能的降低。再结晶与同素异构转变的共同点：形核和长大区别：再结晶晶格类型不变，成分不变；同素异构转变晶格类型发生变化。再结晶过程示意图①加热温度较高：TT再，T再≈0.4T熔；实际:+100~200℃②显微组织显著变化，但无晶格类型变化——转变为等轴无畸变新晶粒③亚结构：位错密度极大降低④性能显著变化HB、σ↓↓；δ、ψ↑↑⑤内应力完全消除再结晶特点(与回复比较)再结晶的形核比较复杂。用经典的结晶形核理论计算结果与试验结果相差大。试验表明再结晶晶核在最大畸变处形成，回复阶段发生的多边化是为再结晶形核作必要准备。一、再结晶晶核的形成与长大（一）形核机制再结晶晶核由回复阶段形成的亚晶发展形成，形成方式有两种：亚晶合并形核亚晶界移动形核亚晶界移动亚晶合并，相邻亚晶界中位错通过攀移和滑移消失1.亚晶长大形核机制亚晶长大一般在大的变形度下发生晶界突出形核又称晶界弓出形核，变形度较小，40%时2.晶界突出形核机制（二）长大再结晶形核后，它就可以自发、稳定地生长。晶核在生长时，其界面总是向畸变区域推进。界面移动的驱动力是无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差。界面移动方式总是背离界面曲率中心。当旧的畸变晶粒完全消失，全部被新的无畸变的再结晶晶粒所取代时，再结晶过程即告完成，此时的晶粒大小即为再结晶初始晶粒。生产上通常规定，经过大变形量(70%)后的金属在保温时间1h内完成再结晶(转变量95％)的温度为(最低)再结晶温度再结晶温度的定义二、再结晶温度及其影响因素再结晶温度不是一个物理常数，不是一个恒定的转变温度，可以在一个较宽的范围内变化，它受变形度、材料纯度和退火时间等因素的影响。再结晶温度与金属熔点有关：T再≈δTm，如：Fe:1538℃→450℃Pb(Sn):300℃(200℃)→0℃W:3300℃→1100~1200℃原因：原子间结合力强，难扩散为了消除加工硬化现象，再结晶退火温度通常比最低再结晶温度高100～200℃——纯度↓，杂质%↑，T再↑如：高纯铝(99.999%)：T再＝80℃而工业纯铝(99.9%)：T再＝290℃原因：杂质原子阻碍基体原子扩散以及晶界迁移又如：纯铁：T再＝450℃而碳钢：T再＝500～650℃（1）纯度再结晶温度的影响因素——变形程度↑，T再↓原因：储存能↑，驱动力↑当ε40%,影响显著当ε60%,趋于稳定当ε↓↓，T再↑↑→无再结晶过程（3）加热速度和保温时间v↓，T再↑；t↑，T再↓最低再结晶温度（2）变形程度再结晶的基本规律(1)需超过一最小形变量—εc(2)随ε↑，T再↓；但当ε大到一定值后，T再趋于一稳定值。(3)再结晶刚完成时的d取决于ε而和T关系不大。(4)原始d0↑，要获得相同的T再的ε越大。(5)新晶粒不会长入取向相近的形变晶粒中。(6)再结晶后继续加热，d↑(长大问题).形变金属经再结晶退火后，力学性能发生很大变化，强硬度降低，塑韧性增加。与变形前金属的性能相比，主要取决于再结晶后的晶粒大小。三再结晶晶粒大小的控制再结晶晶粒的平均直径d=K·(G/N)1/4；——取决于形核率和长大速度控制影响形核率和长大速度的各种因素可达到细化再结晶晶粒的目的。ε=10~90%：ε↑,d↓ε=2~10%：异常长大(临界变形度）ε90%：异常长大临界变形度：对应于得到特别粗大晶粒的变形度。（一）变形度关键——形变均匀度当变形度很小时，不会引起再结晶，晶粒仍保持原状；当变形度达到临界变形度时，再结晶后晶粒变得特别粗大；当变形度超过临界变形度时，变形度越大，再结晶后获得的晶粒越细；当变形度达到一定程度后，再结晶晶粒大小基本保持不变；当变形度相当大时，再结晶晶粒又会出现粗化现象。不均匀变形引起的再结晶晶粒不均匀现象(二)再结晶退火温度T↑，d↑原因：原子扩散能力强晶界易迁移长大速度快(三)原始晶粒尺寸当变形度一定时，材料的原始晶粒越细小，再结晶后的晶粒越细小。——增加变形金属的储存能——均阻碍晶界运动→细化再结晶晶粒——第二相愈弥散、细小、量愈多→细化效果愈明显注意：第二相或杂质元素分布须均匀，否则可能引起二次再结晶——晶粒异常长大（四）合金元素、杂质及第二相质点等的影响§7-4晶粒长大随着加热温度的升高或保温时间的延长，无畸变的等轴的再结晶的初始晶粒之间就会相互吞并而长大，这一现象称之为晶粒长大。根据晶粒长大过程的特征，可将晶粒长大分为两种类型：正常长大：随温度升高或保温时间的延长晶粒均匀连续长大反常长大（二次再结晶）：晶粒不均匀不连续地长大一、晶粒的正常长大（一）晶粒长大的驱动力驱动力为晶粒长大前后总的界面能差。细晶粒的晶界多，界面能高；粗晶粒的晶界少，界面能低。界面能越大，晶界的曲率半径越小，驱动力就越大。1211222铝中晶粒长大时，晶界由位置1移至位置2原子就由界面的凹侧向凸侧扩散，界面向曲率中心方向移动，使凸面一侧晶粒不断长大，直到晶界变为平面，界面移动的驱动力为零，达到相对稳定状态。（二）晶粒的稳定形状所有的晶界均为直线，晶界间的夹角均为120°。达到稳定状态的晶粒是什么形状？相同体积条件下，球体的总界面能最小，球状晶粒最稳定。晶粒的平衡形状-十四面体二维晶粒的稳定形状晶粒长大的规律：晶界迁移总是朝向晶界的曲率中心方向随着晶界迁移，小晶粒（晶粒边数小于6）逐渐被吞并到相邻的较大晶粒（晶粒边数大于6），晶界本身趋于平直化。三个晶粒的晶界交角趋于120°，使晶界处于平衡状态。（三）影响晶粒长大的因素1.温度温度越高，长大速度越快。2.杂质和合金元素阻碍晶界运动，降低晶界的界面能。3.第二相质点弥散的第二相质点对于阻碍晶界的移动起着重要的作用。研究表明，达到平衡时的稳定晶粒尺寸d与r、φ有下述关系：34rdr第二相质点半径、φ单位体积内的第二相质点的体积分数。第二相质点越细小，数量越多，阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越小。晶界的界面能与相邻晶粒间的位向差有关，小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而界面移动的驱动力又与界面能成正比，因此前者的移动速度小于后者。4.相邻晶粒的位向差二、晶粒的反常长大某些金属材料经过严重冷变形后，在较高温度下退火时，会出现反常的晶粒长大现象，即少数晶粒具有特别大的长大能力，逐步吞食掉周围的大量小晶粒，其尺寸超过原始晶粒的几十倍或者上百倍，比临界变形后形成的再结晶晶粒还要粗大得多，这个过程称为二次再结晶。形变量很大时(90~95%)，一次再结晶后的某些特殊晶粒异常迅速的长大，造成晶粒间的大小相差越来越悬殊，这样更加有利于大晶粒吞并周围的小晶粒，直至大晶粒相互接触。最终金属材料具有明显的不均匀晶粒尺寸。二次再结晶高纯Fe-Si箔材于1200℃真空退火时所产生的二次再结晶现象一般认为，发生异常晶粒长大的原因是弥散的夹杂物、第二相粒子或织构对晶粒长大过程的阻碍。二次再结晶导致材料晶粒粗大，降低材料的强度、塑性和韧性。零件服役时，粗大晶粒处易产生裂纹，导致零件的破坏。粗大晶粒会提高冷变形后的表面粗糙度值。因此，在制定再结晶退火工艺时，应避免发生二次再结晶。三、再结晶退火后的组织再结晶退火是将冷变形的金属加热到规定温度，并保温一定时间，然后缓慢冷却到室温的一种热处理工艺。目的是降低硬度，提高塑性，恢复并改善材料的性能。对于没有同素异构转变的金属，采用冷塑性变形和再结晶退火的方法是获得细小晶粒的一个重要手段。（一）再结晶图以晶粒大小与对其影响最大的变形程度和退火时间之间的关系，绘制成立体图形，称为“再结晶图”，纯铁退火1h的再结晶图工业纯铝的再结晶图重点注意两个粗大晶区（二）再结晶织构和退火孪晶金属再结晶退火后所形成的织构称为再结晶织构。再结晶织构的形成与变形程度和退火温度有关。变形度越大，退火温度越高，所产生的织构越显著。某些面心立方结构的金属及合金，如铜及铜合金、奥氏体不锈钢等经再结晶退火后，经常会出现孪晶组织，这种孪晶称为退火孪晶或再结晶孪晶。目的：①中间退火——消除加工硬化例如冷拔铁铬铝电阻丝生产中，冷拔道次