金属学与热处理第七章回复与再结晶

第七章回复和再结晶一.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.金属的热加工概述上一章可知，经塑性变形后的金属其纤维组织和亚结构均发生变化，同时金属会产生加工硬化和残余应力，这会使金属的进一步加工困难。所以冷变形金属需要进行退火，但实际生产中退火的目的不同，有的需要消除加工硬化，有的只需要去处内应力而保持加工硬化效果。所以要研究变形金属加热时的组织及性能的变化规律。恢复再结晶的驱动力：塑性变形后的储存能7－1冷变形金属在加热时的组织和性能变化随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再结晶、晶粒长大。回复（recovery）—在较低加热温度时，变形后金属的光学显微组织发生改变前，所产生的某些亚结构和性能的变化过程。再结晶（recrystallization）—经回复后的变形金属，在加热时，纤维状晶粒通过再结晶核心的形成及长大，变成无畸变的等轴新晶粒的过程。晶粒长大（graingrowth）—再结晶后的金属继续加热时，将使晶粒进一步长大的过程。一、加热时冷变形金属显微组织发生变化图7-1(b)回复阶段,保持原来形状(纤维状)（c)再结晶阶段,变形晶粒转变为等轴晶粒(d)晶粒长大阶段,晶粒尺寸发生变化（a）黄铜冷加工变形量达到CW＝38％后的显微组织，可见粗大晶粒内的滑移线。（b）经过580ºC保温3秒后的组织，可见试样上开始出现白色小的颗粒即再结晶出的新的晶粒黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的照片（c）580ºC保温4秒后的金相组织显示有更多新的晶粒出现。（d）580ºC保温8秒后的金相组织，可见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•（e）580ºC保温15分后的金相组织。晶粒已有所长大。•（f）在700ºC保温10分后晶粒长大的情形。•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（recrystallization）的开始。随着保温时间的加长或温度的升高，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。(采自美国GE公司）。二.性能变化1.力学性能(1)硬度（hardness）和强度（strength）:回复阶段,变化不大,再结晶时硬度和强度明显下降。(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:回复阶段宏观应力基本消除完毕,而微观应力消除需再结晶后才能完成4.亚晶粒(sub-grain)尺寸：回复前期亚晶粒尺寸变化不大，接近再结晶温度时，尺寸显著增大。由此可见，储存能释放（releaseofstoredenergy）：再结晶温度对应能量释放高峰。冷变形金属退火时性能变化退火温度与黄铜强度、塑性和晶粒大小的关系7-2回复一、回复动力学从图中可以看出，1)时间一定时，温度越高，经回复后加工硬化残余量越少，回复越快；2)当温度一定时，在前十几分钟，残余加工硬化减少得快，说明回复速度快，然后随时间的增加而逐渐减慢。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1、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[见图]，图7-5刃型位错的攀移和滑移示意图位错的攀移：位错沿垂直于滑移面方向的运动。在退火过程中通过刃型位错的滑移和攀移，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所示。2、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。回复退火（又称去应力退火）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。1.在保持加工硬化状态下降低内应力，为后续加工提供可能，同时可减轻工件的翘曲和变形。2.降低电阻率。3.提高材料耐蚀性。4.提高工件使用的安全性。7-3再结晶1.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，其驱动力为回复后未被释放的变形储存能。再结晶后金属性能回复到变形前的状态。2.再结晶与重结晶相同：均通过形核与长大两个阶段；转变前后成分不变。不同点：再结晶前后晶体结构相同，但显微组织不同；重结晶前后晶格类型不同，如，铁的同素异构转变为重结晶。(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.形核再结晶晶核是存在于局部高能区域内,以多边化形成的亚晶为基础形核。其形核机制有：(1)晶界弓出形核(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。其形核过程如图，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,再结晶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（boundarymigration）机制（也叫吞并机制）：在变形度大,而层错能低的金属中。5、总结：再结晶核心无论以哪种方式形成，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。2.长大当再结晶晶核形成后，就可以自发稳定地生长。晶界迁移的驱动力为新、旧晶粒之间的自由能差及无畸变的新晶粒与畸变晶粒的自由能差。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。当无畸变的新晶粒完全取代畸变晶粒时，再结晶完成，此时的晶粒大小为再结晶初始晶粒。(二)再结晶温度再结晶温度(recrystallizationtemperature)：定义：经严重冷变形（大于70%）的金属，在约一小时的保温时间内能够完成再结晶（大于95%）的温度。用TR(或T再)表示。一般TR=δTm；Tm为熔点工业纯金属δ＝（0.35～0.40）；高纯金属δ＝（0.25～0.35）下表给出了一些金属的TR应该注意的是：实际生产时再结晶退火温度要比再结晶温度高出100－200℃一些金属的再结晶温度(三)影响再结晶温度的因素1.变形程度：变形度增大、开始TR下降，等温退火再结晶速度越快；而大到一定程度，TR趋于稳定。（储存能高）。变形量小到一定程度不发生再结晶。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。（晶粒越细小，变形抗力越大，冷变形后储存的能量较高，再结晶温度则较低。）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.退火工艺参数：加热速度过于缓慢TR上升（使回复进行的彻底，储存能减少，再结晶驱动力减少，再结晶温度升高）；加热速度极快时，TR上升（再结晶形核长大没有足够时间，使其推迟到更高温度）；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，TR降低。(四)再结晶后晶粒大小再结晶晶粒的大小与其机械性能有很大关系，因此要控制其大小。影响再结晶后晶粒大小的因素：1.变形程度的影响变形度很小时无再结晶；当变形量达到临界变形度（criticaldeformationdegree）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。变化规律如下图：临界变形度：发生再结晶的最小变形度。晶粒粗大的原因：变形量小→变形不均匀且少量晶粒变形→再结晶晶核少→晶粒粗大。2.原始晶粒尺寸当变形度一定时，原始晶粒越细，再结晶后的晶粒越小。（晶粒小晶界多，再结晶形核位置多，形核率高，晶粒细小。）3.合金元素及杂质：一般起细化作用。一方面增加变形后的储存能，另一方面阻碍晶界迁移。4.变形温度：变形T升高，回复程度越大，变形储存能越低，晶粒粗化。5.加热温度、保温时间：加热温度越高、保温时间越长，晶粒越大。加热温度与晶粒尺寸7-4.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)。（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，即总的界面能的降低。也即晶界凸侧晶粒不断长大,凹侧晶粒不断缩小(曲率半径越小，界面能越大，见P210图7－17)。3.晶粒大小: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,的指数项小于1/2。4.影响因素(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，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。分散相粒子尺寸越小，体积份数越大，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，晶粒会长大。（4）杂质与微量元素阻碍晶界的迁移。(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：来自总界面能的降低。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.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）再结晶后形成再结晶织构，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）再结晶后产生了组织不均匀现象，存在个别尺寸很大