塑性變形與再結(jié)晶

1、第第6 6章章 塑性變形與再結(jié)晶塑性變形與再結(jié)晶金屬成型的重要手段合成與制備材料特性成分組織結(jié)構(gòu)服役行為與壽命章目錄：章目錄：6.1 6.1 金屬的應力應變曲線金屬的應力應變曲線6.2 6.2 單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形6.3 6.3 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形6.4 6.4 合金的塑性變形合金的塑性變形6.5 6.5 冷變形金屬的組織與性能冷變形金屬的組織與性能6.7 6.7 熱變形與動態(tài)回復與再結(jié)晶熱變形與動態(tài)回復與再結(jié)晶6.6 6.6 冷變形金屬的組織與性能冷變形金屬的組織與性能 延展性是延展性是金屬最基本的性質(zhì)之一金屬最基本的性質(zhì)之一。 本章重點研究材料的變形規(guī)律及其微觀機

2、制，分析其本章重點研究材料的變形規(guī)律及其微觀機制，分析其影響因素。影響因素。 高分子材料高分子材料的變形屬的變形屬粘彈性變形粘彈性變形，陶瓷材料陶瓷材料幾乎幾乎沒有沒有塑性塑性，在工業(yè)上主要通過熱成型或濕成型。所以研究，在工業(yè)上主要通過熱成型或濕成型。所以研究他們的塑性變形，意義有限。他們的塑性變形，意義有限。利用它可成型金屬零部件。掌握變形的規(guī)律，可方利用它可成型金屬零部件。掌握變形的規(guī)律，可方便的控制塑性加工的進程；如果設(shè)法阻止或延緩金便的控制塑性加工的進程；如果設(shè)法阻止或延緩金屬的變形，則是強化材料的途徑。屬的變形，則是強化材料的途徑。kbse應力應力應變曲線應變曲線 均勻塑變均勻塑變集

3、中塑變集中塑變彈性變形彈性變形斷裂斷裂0000LLLAp拉伸拉伸縮頸縮頸6.1 金屬的應力金屬的應力-應變曲線應變曲線金屬的變形特性金屬的變形特性 變形的分類變形的分類: : 彈性變形彈性變形 外力去除后外力去除后, ,變形消失變形消失, ,材料恢復原來形材料恢復原來形 狀的變形。狀的變形。 塑性變形塑性變形 外力去除后，材料不能恢復原來形狀的外力去除后，材料不能恢復原來形狀的 永久變形。永久變形。 變形的基本過程變形的基本過程: : 彈性變形彈性變形 彈彈- -塑性變形塑性變形 加工硬化加工硬化 斷裂斷裂1 1、強度指標、強度指標 材料抵抗變形和斷裂的能力。材料抵抗變形和斷裂的能力。e e

4、- - 彈性極限彈性極限 ( (以余變以余變0.005%0.005%為定點為定點) ) 彈性變形的最大應力值彈性變形的最大應力值S S - - 屈服強度屈服強度 ( (以余變以余變0.2%0.2%為定點為定點, ,用用0.20.2表表) ) 明顯塑變的最小應力值明顯塑變的最小應力值b b - - 抗拉強度抗拉強度 ( (強度極限強度極限) ) 均勻塑變的最大應力值均勻塑變的最大應力值k k - - 斷裂強度斷裂強度 集中塑變的最終應力值集中塑變的最終應力值 2 2、塑性指標、塑性指標: : 產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。 - - 延伸率延伸率%100ookLLL%

5、100okoAAA 10% 塑性材料塑性材料 - - 斷面收縮率斷面收縮率: :kbse 03、剛度指標、剛度指標E( (G):): 抵抗彈性變形的能力抵抗彈性變形的能力 GE bsek均勻塑變均勻塑變集中塑變集中塑變彈性變形彈性變形斷裂斷裂o o 工程應力應變曲線中，工程應力應變曲線中，、 均按試樣初始尺寸均按試樣初始尺寸計算，拉伸時只需記錄計算，拉伸時只需記錄P、L即可，使用非常方便。但是即可，使用非常方便。但是在拉伸過程中，由于試樣尺寸不斷變化，在拉伸過程中，由于試樣尺寸不斷變化，由由此計算的此計算的和和 并非真實。例如產(chǎn)生縮頸后，截面大大縮小并非真實。例如產(chǎn)生縮頸后，截面大大縮小, ,

6、縮頸縮頸處的應力應為處的應力應為 ，遠大于，遠大于 ，從而產(chǎn)生了假象。為，從而產(chǎn)生了假象。為克服這一缺點，引入克服這一缺點，引入真應力真應力真真應變曲線應變曲線，也叫，也叫流變曲流變曲線線，瞬時應力叫，瞬時應力叫流變應力流變應力。真應力真應力真應變曲線真應變曲線000LLLAp頸頸AP0AP 真應變真應變e，按瞬時值求得：，按瞬時值求得： 總應變?yōu)椋嚎倯優(yōu)椋?真應力真應力S ： 當應變很小時，當應變很小時， 1 1 有：有： e ，s ，兩者相近，可通用。，兩者相近，可通用。 但當應變很大時，兩者相差較多。但當應變很大時，兩者相差較多。LdLde )1ln(ln00LLLLLdLe)1(00

7、0LLAAAPAPS（縮頸以前）（縮頸以前）000LLLAp體積不變體積不變真應力應變曲線如圖所示，產(chǎn)生真應力應變曲線如圖所示，產(chǎn)生縮頸后，應力繼續(xù)上升，表明加工縮頸后，應力繼續(xù)上升，表明加工硬化繼續(xù)發(fā)生。硬化繼續(xù)發(fā)生。該曲線可表示為：該曲線可表示為：e彈性范圍彈性范圍均勻塑變均勻塑變集中塑變集中塑變斷裂斷裂S0 0nekSn 加工硬化指數(shù)，約在加工硬化指數(shù)，約在 0.1 0.5之間之間不銹鋼：不銹鋼： 0.450.55黃黃 銅：銅： 0.360.4銅：銅： 0.3 0.35鋁：鋁： 0.150.25f.c.c高高鐵：鐵：0.050.15 b.c.ch.c.p 很小很小6 6.2 .2 單晶體

8、的塑性變形單晶體的塑性變形一、滑移一、滑移 滑移的本質(zhì)滑移的本質(zhì) 位錯的運動位錯的運動 1 1、滑移線與滑移帶、滑移線與滑移帶塑性變形的基本方式：滑移和孿生塑性變形的基本方式：滑移和孿生滑移帶滑移帶滑移線滑移線CuCu單晶表面的滑移帶單晶表面的滑移帶2 2、滑移系、滑移系晶體的滑移總是沿晶體的滑移總是沿阻力最小的晶面和晶向阻力最小的晶面和晶向進行，通常為進行，通常為密排面和密排面和密排方向密排方向。即單位位錯的滑移面和柏氏矢量方向。即單位位錯的滑移面和柏氏矢量方向。密排面和它上面的一個密排方向的組合稱為密排面和它上面的一個密排方向的組合稱為滑移系滑移系。 f.c.c 111f.c.c 111

9、4 43 3 1212 b.c.c 110 b.c.c 110 或次密排面或次密排面112112、123123 6 62 2 1212 h.c.p (0001) c/a1.633 h.c.p (0001) c/a1.633 1 13 3 3 30211111001100211或或 b.c.c密排面原子密度較密排面原子密度較f.c.c小，面間距也較低，滑移阻力較大，小，面間距也較低，滑移阻力較大， 雖然滑移系多，但塑性不如面心立方。雖然滑移系多，但塑性不如面心立方。 h.c.p由于滑移系少，塑性差。但當溫度升高時，原子振動增大，由于滑移系少，塑性差。但當溫度升高時，原子振動增大， 相近的密排面和

10、方向的數(shù)目增加，比低溫時易于變形。相近的密排面和方向的數(shù)目增加，比低溫時易于變形。金金 屬屬 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移系數(shù)目滑移系數(shù)目Cu, Al, Ni, Ag, Au面心立方面心立方11112-Fe, W, Mo-Fe, W-Fe, K體心立方體心立方110112123121224Cd, Zn, Mg, -Ti, Be-Ti, Mg, Zr -Ti, Mg密排六方密排六方336021100010110_1110_3 3、滑移的臨界分切應力、滑移的臨界分切應力 定義：定義：作用在位錯的滑移面，且平行于布氏矢量的分切應力作用在位錯的滑移面，且平行于布氏矢量的分切應力，稱

11、為，稱為作用于滑移系的作用于滑移系的分切應力分切應力。當當達到足以克服位錯滑移阻力達到足以克服位錯滑移阻力k k時，滑移系方能開動，稱時，滑移系方能開動，稱k k 為滑移的為滑移的臨界分切應力臨界分切應力。 或：使滑移系開動的最小分切應力。稱為臨界分切應力或：使滑移系開動的最小分切應力。稱為臨界分切應力k k 。k 滑移系上的分切應力滑移系上的分切應力如圖如圖: :單晶體單向拉伸，某一滑移系與單晶體單向拉伸，某一滑移系與外力外力F 的取向關(guān)系由的取向關(guān)系由和和唯一確定。唯一確定。外力外力F 在滑移方向上的分切應力為：在滑移方向上的分切應力為：FnAbmAFAFAFb coscos coscos

12、 cos/cos coscos mA 取向因子取向因子bF討論：討論： 若若或或9090，m0 0，最小。，最小。 若三軸共面，且若三軸共面，且4545 m1/2，最大。，最大。 0 m 1/2 對于一定的外力對于一定的外力F，m、， 滑移系越易滑移系越易滑移?；?。 m1/2稱為稱為 軟取向；軟取向； m0，為硬取向。，為硬取向。 單晶體中各單晶體中各滑移系的滑移系的m是不同的。是不同的。 軟取向的滑移系首先開動。軟取向的滑移系首先開動。FnAbA coscos mm 單晶體的屈服應力單晶體的屈服應力s s當當k k時，位錯開始滑移，時，位錯開始滑移，材料屈服材料屈服s，代入上式：，代入上式

13、： msk 對于一定材料，對于一定材料，k為定值。為定值。 單晶體與外力單晶體與外力 F 的取向不同，的取向不同， m不同，屈服應力不同，屈服應力s也不同。也不同。 表現(xiàn)為各向異性。表現(xiàn)為各向異性。 k k值值一般一般 可通過實驗測定?？赏ㄟ^實驗測定。單晶鎂的單晶鎂的sm的關(guān)系的關(guān)系 coscos mm4 4、滑移時晶體的轉(zhuǎn)動、滑移時晶體的轉(zhuǎn)動 拉伸時晶體的轉(zhuǎn)動，是力求使晶體的滑移方向與外力拉伸時晶體的轉(zhuǎn)動，是力求使晶體的滑移方向與外力軸平行，即軸平行，即下降，下降，增加，向增加，向9090變化。變化。軟取向軟取向 壓縮時晶體的轉(zhuǎn)動，力求使滑移方向與外力壓縮時晶體的轉(zhuǎn)動，力求使滑移方向與外力軸

14、垂直，即軸垂直，即增加，增加，下降。下降。5 5、多滑移與交滑移、多滑移與交滑移 晶體發(fā)生塑性變形時，隨著滑移的不斷進行，將發(fā)生晶體發(fā)生塑性變形時，隨著滑移的不斷進行，將發(fā)生轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動。 轉(zhuǎn)動的結(jié)果，轉(zhuǎn)動的結(jié)果，m 值不斷變化。原先處于有利地位的滑值不斷變化。原先處于有利地位的滑移系可能轉(zhuǎn)到不利的地位，停止滑移；原來不利地位移系可能轉(zhuǎn)到不利的地位，停止滑移；原來不利地位的滑移系可能轉(zhuǎn)到有利地位，發(fā)生滑移。的滑移系可能轉(zhuǎn)到有利地位，發(fā)生滑移。 最后穩(wěn)定在多個滑移系取向因子相當?shù)牡匚唬谑钱a(chǎn)最后穩(wěn)定在多個滑移系取向因子相當?shù)牡匚?，于是產(chǎn)生了多個滑移系交替滑移的局面，即稱生了多個滑移系交替滑移的局面

15、，即稱多滑移多滑移。銅在雙滑移時產(chǎn)生的交叉滑移帶銅在雙滑移時產(chǎn)生的交叉滑移帶奧氏體鋼中的交叉滑移帶奧氏體鋼中的交叉滑移帶 由于晶體轉(zhuǎn)動，由于晶體轉(zhuǎn)動，m 的變化也可能使螺位錯由一個滑移的變化也可能使螺位錯由一個滑移面轉(zhuǎn)移到更有利的滑移面上進行，稱為面轉(zhuǎn)移到更有利的滑移面上進行，稱為交滑移交滑移（共同（共同的滑移方向，不同滑移面）。的滑移方向，不同滑移面）。鋁表面的波紋狀滑移帶鋁表面的波紋狀滑移帶b6 6、單晶體的應力應變曲線、單晶體的應力應變曲線 典型曲線一般分為三階段典型曲線一般分為三階段：單滑移（加工硬化系數(shù)小）：單滑移（加工硬化系數(shù)?。憾嗷疲庸び不黠@）：多滑移（加工硬化明顯）：動

16、態(tài)回復（異號位錯抵消：動態(tài)回復（異號位錯抵消 位錯密度不再增加）位錯密度不再增加）A 沿特殊方向（多個滑移系取向因子沿特殊方向（多個滑移系取向因子m 相同）拉伸，此時相同）拉伸，此時 無第無第階段，如圖階段，如圖A A曲線。曲線。 例：例： f.c.c中特殊方向上的等同滑移系中特殊方向上的等同滑移系 沿沿 8 8個等同滑移系；個等同滑移系； 沿沿 4 4個等同滑移系；個等同滑移系； 沿沿 6 6個等同滑移系。個等同滑移系。二、孿生二、孿生 孿生是金屬材料塑變的另一種基本方式，一般是在孿生是金屬材料塑變的另一種基本方式，一般是在滑移難以進行時發(fā)生。滑移難以進行時發(fā)生。形變孿晶（條帶狀）形變孿晶（

17、條帶狀）1 1、孿生及其特點、孿生及其特點退火孿晶（平直邊界）退火孿晶（平直邊界）孿生面孿生面K)111()101(211)101(K)111(211孿生方向?qū)\生方向 晶體在一定切應力晶體在一定切應力作用下，沿著一定的晶面和作用下，沿著一定的晶面和晶向產(chǎn)生一個集體的有規(guī)則的位移，造成一個具有晶向產(chǎn)生一個集體的有規(guī)則的位移，造成一個具有不不同取向同取向，但，但有相同結(jié)構(gòu)的新晶體有相同結(jié)構(gòu)的新晶體，稱為，稱為孿生孿生。特點特點： （與滑移相比）（與滑移相比） 孿晶的取向不同，而滑移后晶體的取向不變。孿晶的取向不同，而滑移后晶體的取向不變。 原子運動的大小，與距孿晶面距離成正比，呈鏡面對稱。原子運動

18、的大小，與距孿晶面距離成正比，呈鏡面對稱。表面產(chǎn)生的滑移臺階經(jīng)拋光后消失；但孿晶表面產(chǎn)生的滑移臺階經(jīng)拋光后消失；但孿晶取向不同，腐蝕速度不一樣，光學性質(zhì)也有取向不同，腐蝕速度不一樣，光學性質(zhì)也有差異，因此可見兩塊晶體色澤不同的孿晶。差異，因此可見兩塊晶體色澤不同的孿晶。孿生的結(jié)果使晶體表面產(chǎn)生浮凸。孿生的結(jié)果使晶體表面產(chǎn)生浮凸。 孿生的發(fā)生需要較大的應力，孿生的發(fā)生需要較大的應力，拉伸曲線呈鋸齒狀。拉伸曲線呈鋸齒狀。 孿生所能產(chǎn)生的總形變量很孿生所能產(chǎn)生的總形變量很小，但可調(diào)節(jié)晶體位向。小，但可調(diào)節(jié)晶體位向。鎘孿生變形時的鎘孿生變形時的應力應變曲線應力應變曲線2 2、實際晶體中的孿晶、實際晶體

19、中的孿晶 以上孿晶是形變孿晶，常呈透鏡狀，在以上孿晶是形變孿晶，常呈透鏡狀，在b.c.cb.c.c和和h.c.ph.c.p中常見，特別是后者。中常見，特別是后者。f.c.cf.c.c形變孿晶少見，常見的是形變孿晶少見，常見的是退火孿晶，即在高溫下發(fā)生，通常邊界平直。退火孿晶，即在高溫下發(fā)生，通常邊界平直。K面面方向方向f.c.c111b.c.ch.c.p_211211_2110_1110 111隨隨c/a值變化值變化6.3 6.3 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形 多晶體的塑性變形與單晶體一樣，包括滑移與孿生，但由于晶多晶體的塑性變形與單晶體一樣，包括滑移與孿生，但由于晶界的存在，各晶粒的取向

20、不同，使多晶體的塑變具有新的特點。界的存在，各晶粒的取向不同，使多晶體的塑變具有新的特點。一、多晶體塑變過程及特點一、多晶體塑變過程及特點 多晶體受力時，首先晶體中個別軟取多晶體受力時，首先晶體中個別軟取向（向（m大）的晶粒大）的晶粒A中位錯源開動。位錯中位錯源開動。位錯在邊界受阻形成塞積，造成前端應力集中，在邊界受阻形成塞積，造成前端應力集中，加上外力的作用，最終觸發(fā)相鄰晶粒的位加上外力的作用，最終觸發(fā)相鄰晶粒的位錯源起動。錯源起動。A晶粒前端應力松弛，所以晶粒前端應力松弛，所以A源重新起動。于是變形由一個晶粒傳遞到源重新起動。于是變形由一個晶粒傳遞到另一個晶粒，最后波及整個晶體。另一個晶粒

21、，最后波及整個晶體。AB多晶體滑移示意圖多晶體滑移示意圖另外，由于晶體中每個晶粒都處于其他晶粒的包圍之另外，由于晶體中每個晶粒都處于其他晶粒的包圍之中，每個晶粒的變形都受相鄰晶粒的相互制約和協(xié)調(diào)中，每個晶粒的變形都受相鄰晶粒的相互制約和協(xié)調(diào)作用。作用。單滑移難以滿足這一協(xié)調(diào)作用，否則不能保持晶粒之單滑移難以滿足這一協(xié)調(diào)作用，否則不能保持晶粒之間的連續(xù)性，造成孔隙。間的連續(xù)性，造成孔隙。理論上推算，為了保證這種協(xié)調(diào)關(guān)系，每個晶粒的滑理論上推算，為了保證這種協(xié)調(diào)關(guān)系，每個晶粒的滑移至少需要五個獨立的滑移系同時開動。移至少需要五個獨立的滑移系同時開動。因此多晶體塑變一開始便是多滑移，且變形抗力高。因

22、此多晶體塑變一開始便是多滑移，且變形抗力高。特點：特點：變形抗力高。變形抗力高?；圃诰Ы缡茏?，滑移在晶界受阻，不易直接傳遞到相鄰晶粒，表現(xiàn)不易直接傳遞到相鄰晶粒，表現(xiàn)出塑性變形抗力較高，這種阻礙出塑性變形抗力較高，這種阻礙即來自即來自晶界晶界，也來自晶界另一側(cè)，也來自晶界另一側(cè)取向不同的晶粒取向不同的晶粒。變形的不均勻性。變形的不均勻性。由于晶粒取向由于晶粒取向不同，產(chǎn)生不同，產(chǎn)生形變不均勻性形變不均勻性。晶粒。晶粒中心與邊界掃過的位錯數(shù)目不同中心與邊界掃過的位錯數(shù)目不同, ,形變也不均勻，從而引起內(nèi)應力形變也不均勻，從而引起內(nèi)應力. .形變要協(xié)調(diào)。形變要協(xié)調(diào)。 為了保證應變的連續(xù)性，在晶界

23、附近，要求至少有為了保證應變的連續(xù)性，在晶界附近，要求至少有5 5個獨立個獨立 的滑移系同時起動，需要很高的外力。的滑移系同時起動，需要很高的外力。 f.c.cf.c.c和和b.c.cb.c.c均可提供均可提供5 5個獨立滑移系個獨立滑移系, ,塑性較好。塑性較好。 h.c.ph.c.p只有兩個獨立滑移系只有兩個獨立滑移系, ,需孿生來協(xié)助需孿生來協(xié)助, ,塑性差。塑性差。 晶粒轉(zhuǎn)動。晶粒轉(zhuǎn)動。各晶粒取向趨于一各晶粒取向趨于一 致，形成織構(gòu)。致，形成織構(gòu)。 各向同性。各向同性。屈服應力為定值。屈服應力為定值。二、晶粒大小對形變的影響二、晶粒大小對形變的影響如圖為低碳鋼多晶材料屈服強度如圖為低碳

24、鋼多晶材料屈服強度與與d1/2關(guān)系曲線，由實驗證明了關(guān)系曲線，由實驗證明了HallPetch公式。公式。21dkos d 晶粒半徑，晶粒半徑， s 材料屈服強度；材料屈服強度； 0 單晶屈服強度單晶屈服強度 由實驗還證明：由實驗還證明： 塑性材料塑性材料上上、下下、5 5、1010等流變應力值，以及疲勞強度與等流變應力值，以及疲勞強度與晶粒半徑之間也服從上述規(guī)律，只是晶粒半徑之間也服從上述規(guī)律，只是0和和k不同。不同。 脆性材料的脆斷強度脆性材料的脆斷強度b d也服從。也服從。6.4 6.4 合金的塑性變形合金的塑性變形 與純金屬相比，與純金屬相比，有固溶強化作用。作有固溶強化作用。作用大小主

25、要取決于溶用大小主要取決于溶劑晶體結(jié)構(gòu)，溶質(zhì)濃劑晶體結(jié)構(gòu)，溶質(zhì)濃度及固溶體類型。度及固溶體類型。合金組織：單相和復相合金組織：單相和復相一、固溶體塑變特點一、固溶體塑變特點（強化效果）（強化效果）Al f.c.c. 置換置換 G/10Cu f.c.c. 置換置換 G/20Fe b.c.c. 置換置換 G/16Nb b.c.c. 置換置換 G/10Fe b.c.c. 間隙（間隙（C） 3GNb b.c.c. 間隙（間隙（N） 2GNi f.c.c. 間隙間隙（C） G/10dcd球?qū)ΨQ球?qū)ΨQ非球?qū)ΨQ非球?qū)ΨQ球?qū)ΨQ球?qū)ΨQ弱弱強強弱弱基體金屬基體金屬溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子畸變對稱性畸變對稱性強化效果：強化

26、效果： 溶質(zhì)原子濃度溶質(zhì)原子濃度C： 溶劑金屬晶體結(jié)構(gòu)：溶劑金屬晶體結(jié)構(gòu)： b.c.c f.c.c （h.c.p） 固溶體類型：固溶體類型： 間隙式間隙式 置換式置換式3221CC固溶體形變實例：固溶體形變實例： 深沖低碳鋼薄板，因屈服點深沖低碳鋼薄板，因屈服點處局部區(qū)域變形不均勻，造處局部區(qū)域變形不均勻，造成工件表面粗糙不平。成工件表面粗糙不平。 呂德斯帶呂德斯帶 沖壓前微量預形變，消除屈沖壓前微量預形變，消除屈服點服點, ,可防止呂德斯帶產(chǎn)生可防止呂德斯帶產(chǎn)生. .1. 1. 聚合型聚合型 兩相塑性相近，強化作用不明顯，取均值。兩相塑性相近，強化作用不明顯，取均值。 存在硬脆相（取決于硬脆

27、相的形狀和分布）存在硬脆相（取決于硬脆相的形狀和分布） 網(wǎng)狀網(wǎng)狀 片狀片狀 球狀球狀 脆性脆性 塑性塑性 強度強度 低低 高高 中中21kis二、復相合金的塑變特點二、復相合金的塑變特點按第二相尺寸大小：聚合型和彌散型按第二相尺寸大?。壕酆闲秃蛷浬⑿蚔VVV2 2、彌散型（沉淀強化，時效強化）、彌散型（沉淀強化，時效強化） 第二相質(zhì)點將阻礙位錯運動，因而起強化作用，第二相質(zhì)點將阻礙位錯運動，因而起強化作用，第二相質(zhì)點越彌散，阻礙作用越強，強化作用越大。第二相質(zhì)點越彌散，阻礙作用越強，強化作用越大。位錯繞過第二相位錯繞過第二相質(zhì)點所需切應力質(zhì)點所需切應力Gb顆粒平均自由程顆粒平均自由程6.5 6

28、.5 冷變形金屬的組織與性能冷變形金屬的組織與性能一、塑變對組織與結(jié)構(gòu)的影響一、塑變對組織與結(jié)構(gòu)的影響 1 1、顯微組織變化、顯微組織變化隨變形度的增加，晶粒拉長，纖維組織形成。隨變形度的增加，晶粒拉長，纖維組織形成。30壓縮率壓縮率30050壓縮率壓縮率30099壓縮率壓縮率300銅材經(jīng)不同程度冷軋后的光學顯微組織銅材經(jīng)不同程度冷軋后的光學顯微組織隨變形度的增加，亞結(jié)構(gòu)位錯胞形成并細化。隨變形度的增加，亞結(jié)構(gòu)位錯胞形成并細化。30壓縮率壓縮率3000050壓縮率壓縮率3000099壓縮率壓縮率30000銅材經(jīng)不同程度冷軋后薄膜透射電鏡像銅材經(jīng)不同程度冷軋后薄膜透射電鏡像2 2、形變織構(gòu)（擇優(yōu)

29、取向）、形變織構(gòu)（擇優(yōu)取向） 塑性變形時，各晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，使各晶粒取向逐漸趨塑性變形時，各晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，使各晶粒取向逐漸趨于一致，稱擇優(yōu)取向或織構(gòu)，由變形引起的擇優(yōu)取向于一致，稱擇優(yōu)取向或織構(gòu)，由變形引起的擇優(yōu)取向稱為形變織構(gòu)。稱為形變織構(gòu)。 絲織構(gòu)（拉拔時形成）絲織構(gòu)（拉拔時形成） 用平行于變形方向的晶向表示。用平行于變形方向的晶向表示。 板織構(gòu)（軋制時形成）板織構(gòu)（軋制時形成） 以平行于軋面的晶面以平行于軋面的晶面 h k l 和平行于軋向的晶向和平行于軋向的晶向表示。表示。 h k l 晶體晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)金屬或合金金屬或合金絲織構(gòu)絲織構(gòu)板織構(gòu)板織構(gòu)f.c.cCu，Ni，Ag，AlCu-Ni

30、，Cu-Zn + 110b.c.c-Fe，Mo，W001110111h.c.pMg，Zn (0001)01100211 織構(gòu)造成材料各向異性?？棙?gòu)造成材料各向異性。 不利：不利：沖壓沖壓“制耳制耳” 有利：有利：硅鋼片，磁學性能明顯提高硅鋼片，磁學性能明顯提高 磁學性能磁學性能戈斯織構(gòu)戈斯織構(gòu)110110磁學性能磁學性能立方織構(gòu)立方織構(gòu)100100軋向軋向橫向橫向軋向軋向橫向橫向?qū)Т怕蕦Т怕?.55.5萬萬0.80.8萬萬導磁率導磁率11.611.6萬萬6.56.5萬萬鐵鐵 損損1.321.323.533.53鐵鐵 損損1.231.231.431.43二、塑變對性能的影響二、塑變對性能的影響1

31、 1、加工硬化、加工硬化 、HBHB、 作用：作用： 使變形均勻。使變形均勻。 均衡負荷，增加安全性。均衡負荷，增加安全性。 提高強度。提高強度。4545鋼力學性能鋼力學性能變形度曲線變形度曲線Gb0式中，式中，為加工硬化后所需要的切應力，為加工硬化后所需要的切應力， 為無加工硬化為無加工硬化時所需要的切應力，時所需要的切應力，為與材料有關(guān)的常數(shù)，通常取為與材料有關(guān)的常數(shù)，通常取0.30.50.30.5，G G為切變模量，為切變模量，b b為位錯的柏氏矢量，為位錯的柏氏矢量，為位錯密度。為位錯密度。加工硬化的機制有不同理論，但導出的強化效果的表達式基加工硬化的機制有不同理論，但導出的強化效果的

32、表達式基本相同，即流變應力是位錯密度的平方根的線性函數(shù)：本相同，即流變應力是位錯密度的平方根的線性函數(shù)：塑性變形過程中位錯密度的增加及其所產(chǎn)生的釘扎作用是導塑性變形過程中位錯密度的增加及其所產(chǎn)生的釘扎作用是導致加工硬化的決定性因素。致加工硬化的決定性因素。c加工硬化的工程意義：加工硬化的工程意義：l 加工硬化是強化材料的重要手段，尤其是對于那些不能加工硬化是強化材料的重要手段，尤其是對于那些不能用熱處理方法強化的金屬材料。用熱處理方法強化的金屬材料。 l 加工硬化有利于金屬進行均勻變形。因為金屬已變形部加工硬化有利于金屬進行均勻變形。因為金屬已變形部分產(chǎn)生硬化，將使繼續(xù)的變形主要在未變形或變形

33、較少的分產(chǎn)生硬化，將使繼續(xù)的變形主要在未變形或變形較少的部分發(fā)展。部分發(fā)展。l 加工硬化給金屬的繼續(xù)變形造成了困難，加速了模具的加工硬化給金屬的繼續(xù)變形造成了困難，加速了模具的損耗，在對材料要進行較大變形量的加工中將是不希望的，損耗，在對材料要進行較大變形量的加工中將是不希望的，在金屬的變形和加工過程中常常要進行在金屬的變形和加工過程中常常要進行“中間退火中間退火”以消以消除這種不利影響，因而增加了能耗和成本。除這種不利影響，因而增加了能耗和成本。 例：例：自行車鏈條的鏈板，材料自行車鏈條的鏈板，材料16Mn。經(jīng)。經(jīng)5次軋制，由次軋制，由3.5mm壓壓縮到縮到1.2mm，變形度，變形度65，強

34、度、硬度提高約一倍。強度、硬度提高約一倍。HBb MN/mm2形變前形變前150520形變后形變后2701000 保險柜、坦克車履帶、以及無法熱處理強化的銅、鋁、保險柜、坦克車履帶、以及無法熱處理強化的銅、鋁、 不銹鋼等，都可用加工硬化提高強度。不銹鋼等，都可用加工硬化提高強度。2 2、其他物理及化學性能的變化、其他物理及化學性能的變化 導磁率、導電率、電阻溫度系數(shù)降低；矯頑導磁率、導電率、電阻溫度系數(shù)降低；矯頑力及電阻率升高。力及電阻率升高。 化學活性增加，耐蝕性降低?；瘜W活性增加，耐蝕性降低。三、殘余應力三、殘余應力 宏觀內(nèi)應力：材料各部位變宏觀內(nèi)應力：材料各部位變形不均所致，應力作用范圍

35、形不均所致，應力作用范圍大，占總應變能大，占總應變能U總總1010。 微觀內(nèi)應力：各晶粒與晶粒之間，晶粒內(nèi)部（如晶微觀內(nèi)應力：各晶粒與晶粒之間，晶粒內(nèi)部（如晶 粒內(nèi)部與晶界處）變形不均所致，占總儲存能粒內(nèi)部與晶界處）變形不均所致，占總儲存能U總總的的 5 51010。1 1、內(nèi)應力、內(nèi)應力拉拔內(nèi)應力拉拔內(nèi)應力彎曲內(nèi)應力彎曲內(nèi)應力 因位錯、空位等缺陷增加引起，位錯因位錯、空位等缺陷增加引起，位錯占占U總總70708080，其余為空位。，其余為空位。 有害：變形，開裂和產(chǎn)生應力腐蝕。有害：變形，開裂和產(chǎn)生應力腐蝕。 有利：預壓、預扭，提高疲勞壽命。有利：預壓、預扭，提高疲勞壽命。 （如滾壓，噴丸等

36、處理）（如滾壓，噴丸等處理）2 2、點陣畸變、點陣畸變6.6 回復和再結(jié)晶回復和再結(jié)晶冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化1.回復回復回復動力學回復動力學 動力學曲線表明，回復是動力學曲線表明，回復是一個弛豫過程。一個弛豫過程。其特點為：其特點為： 沒有孕育期；沒有孕育期；在一定溫度時，初期的在一定溫度時，初期的回復速率很大，隨后即逐漸變慢，直到趨近于零；回復速率很大，隨后即逐漸變慢，直到趨近于零； 每一溫度的回復程度有一極限值，退火溫度愈高，這個極限每一溫度的回復程度有一極限值，退火溫度愈高，這個極限值也愈高，而達到此一極限值所需時間則愈短；值也愈高，而達到此

37、一極限值所需時間則愈短；預變形量愈大，起始的回復速率也愈快；晶粒尺寸減小也有預變形量愈大，起始的回復速率也愈快；晶粒尺寸減小也有利于回復過程的加快。利于回復過程的加快。回復機制回復機制 a a、低溫回復、低溫回復 低溫時，回復主要與點缺陷的遷移有關(guān)。冷變低溫時，回復主要與點缺陷的遷移有關(guān)。冷變形時產(chǎn)生的大量點缺陷形時產(chǎn)生的大量點缺陷空位和間隙原子，點缺陷運動所需空位和間隙原子，點缺陷運動所需的熱激活較低，因而可在較低溫度就可進行。它們可遷移至晶的熱激活較低，因而可在較低溫度就可進行。它們可遷移至晶界界( (或金屬表面或金屬表面) )，并通過空位與位鍺的交互作用、空位與間隙，并通過空位與位鍺的交

38、互作用、空位與間隙原于的重新結(jié)合，以及空位聚合起來形成空位對、空伎群和空原于的重新結(jié)合，以及空位聚合起來形成空位對、空伎群和空位片位片崩塌成位錯環(huán)而消失，從而使點缺陷密度明顯下降。崩塌成位錯環(huán)而消失，從而使點缺陷密度明顯下降。故對點缺陷很敏感的電阻率此時也明顯下降。故對點缺陷很敏感的電阻率此時也明顯下降。 b b、中溫回復、中溫回復 加熱溫度稍高時，會發(fā)生位錯運動和重新分加熱溫度稍高時，會發(fā)生位錯運動和重新分布。回復的機制主要與位錯的滑移有關(guān)：同一滑移面上異號布?；貜偷臋C制主要與位錯的滑移有關(guān)：同一滑移面上異號位錯可以相互吸引而抵消；位錯偶極于的兩根位帶線相消等位錯可以相互吸引而抵消；位錯偶極

39、于的兩根位帶線相消等等。等。 c c、高溫回復、高溫回復 高溫高溫( (0.3Tm)0.3Tm)時，刃型位錯可獲得足夠能量時，刃型位錯可獲得足夠能量產(chǎn)生攀移。攀移產(chǎn)生了兩個重要的后果：使滑移面上不規(guī)產(chǎn)生攀移。攀移產(chǎn)生了兩個重要的后果：使滑移面上不規(guī)則的位錯重新分布，刃型位錯垂直排列成墻，這種分布可顯則的位錯重新分布，刃型位錯垂直排列成墻，這種分布可顯著降低位錯的彈性畸變能，因此，可看到對應于此溫度范圍，著降低位錯的彈性畸變能，因此，可看到對應于此溫度范圍，有較大的應變能釋放。有較大的應變能釋放。 沿垂直于滑移面方向排列并具有一沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向差的位錯墻定取向差的位錯墻( (

40、小角度亞晶界小角度亞晶界) )，以及由此所產(chǎn)生的亞晶，以及由此所產(chǎn)生的亞晶，即多邊化結(jié)構(gòu)。即多邊化結(jié)構(gòu)。2 2、再結(jié)晶、再結(jié)晶 再結(jié)晶過程再結(jié)晶過程 經(jīng)過塑性變形后的金屬材料在加熱到較高溫度時經(jīng)過塑性變形后的金屬材料在加熱到較高溫度時( (一般大于一般大于0.4T0.4Tm m) )，可以發(fā)生晶粒的重新改組，同結(jié)晶過程類似，首先在，可以發(fā)生晶粒的重新改組，同結(jié)晶過程類似，首先在材料中形成新的無畸變的小晶粒，這些小晶粒消耗周圍發(fā)生過材料中形成新的無畸變的小晶粒，這些小晶粒消耗周圍發(fā)生過變形的晶體而不斷長大，同時也有新的小晶粒形成，直到新的變形的晶體而不斷長大，同時也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒

41、全部代替變形過的晶體。這個過程也是一形核和核心長大，晶粒全部代替變形過的晶體。這個過程也是一形核和核心長大，稱為稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶。 材料發(fā)生了再結(jié)晶后，由于全部用新生成的晶粒替換了原材料發(fā)生了再結(jié)晶后，由于全部用新生成的晶粒替換了原發(fā)生過塑性變形的晶粒，所以材料經(jīng)過再結(jié)晶后，由冷塑性變發(fā)生過塑性變形的晶粒，所以材料經(jīng)過再結(jié)晶后，由冷塑性變形帶來的所有性能變化就全部消失，形帶來的所有性能變化就全部消失，材料的組織發(fā)生了變化，材料的組織發(fā)生了變化，性能完全徹底回到變形前的狀態(tài)。性能完全徹底回到變形前的狀態(tài)。 再結(jié)晶的轉(zhuǎn)變不是相變再結(jié)晶的轉(zhuǎn)變不是相變冷塑性變形后的發(fā)生再結(jié)晶，晶粒以形核和晶核長大來

42、冷塑性變形后的發(fā)生再結(jié)晶，晶粒以形核和晶核長大來進行，但再結(jié)晶過程不是相變。原因有：進行，但再結(jié)晶過程不是相變。原因有：（1 1）變化前后的晶粒成分相同，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，因此）變化前后的晶粒成分相同，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，因此它們是屬于同一個相。它們是屬于同一個相。（2 2）再結(jié)晶不像相變那樣，有轉(zhuǎn)變的臨界溫度點，即沒有確定）再結(jié)晶不像相變那樣，有轉(zhuǎn)變的臨界溫度點，即沒有確定的轉(zhuǎn)變溫度。的轉(zhuǎn)變溫度。（3 3）再結(jié)晶過程是不可逆的，相變過程在外界條件變化后可以）再結(jié)晶過程是不可逆的，相變過程在外界條件變化后可以發(fā)生可逆變化。發(fā)生可逆變化。（4 4）發(fā)生再結(jié)晶的熱力學驅(qū)動力是冷塑性變形晶體的

43、畸變能，）發(fā)生再結(jié)晶的熱力學驅(qū)動力是冷塑性變形晶體的畸變能，也稱為儲存能。也稱為儲存能。 a a、形核、形核 (1) (1) 晶界弓出形核。晶界弓出形核。對于變形程度較小對于變形程度較小( (一般一般小于小于2020) )的金屬，其再的金屬，其再結(jié)晶核心多以晶界弓出結(jié)晶核心多以晶界弓出入式形成，即應變誘導入式形成，即應變誘導晶界移動或稱為凸出形晶界移動或稱為凸出形核機制。核機制。晶界弓出的形核例證晶界弓出的形核例證晶界弓出形核晶界弓出形核這種現(xiàn)象在銅、這種現(xiàn)象在銅、鎳、銀、鋁及鎳、銀、鋁及鋁鋁銅合金中銅合金中曾直接觀察到。曾直接觀察到。 (2) (2) 亞晶形核亞晶形核 亞晶合并機制亞晶合并機

44、制 亞晶遷移機制亞晶遷移機制 b b長大長大 再結(jié)晶動力學再結(jié)晶動力學 在一定變形量下，將變形金屬在不同溫度進行不同時間的在一定變形量下，將變形金屬在不同溫度進行不同時間的退火，讓其發(fā)生再結(jié)晶，用金相法測定發(fā)生再結(jié)晶的體積分數(shù)退火，讓其發(fā)生再結(jié)晶，用金相法測定發(fā)生再結(jié)晶的體積分數(shù)隨時間的變化，得出結(jié)果如圖所示。隨時間的變化，得出結(jié)果如圖所示。 對于均勻結(jié)晶過程，即形核率對于均勻結(jié)晶過程，即形核率 和長大速度和長大速度G G不變時，分析可不變時，分析可以推導出轉(zhuǎn)變分數(shù)以推導出轉(zhuǎn)變分數(shù) 和時間和時間t t的關(guān)系：的關(guān)系： 即即JohnsonJohnsonMehlMehl方程方程，這里忽略孕育期且未

45、考慮生長后期晶粒，這里忽略孕育期且未考慮生長后期晶粒相遇帶來的影響。工程中常用數(shù)學回歸的相遇帶來的影響。工程中常用數(shù)學回歸的AvramiAvrami方程：方程： 式中常數(shù)式中常數(shù)B B與材料種類和變形量等有關(guān)，常數(shù)與材料種類和變形量等有關(guān)，常數(shù)K K為反應級數(shù)，一為反應級數(shù)，一般材料為般材料為3 34 4，板材，板材(2(23)3)和線材和線材(1(12)2)或更小?；蚋　?NR3exp143tNGR 再結(jié)晶過程也是熱激活過程，達到同樣的再結(jié)晶程度，也再結(jié)晶過程也是熱激活過程，達到同樣的再結(jié)晶程度，也存在溫度和時間的等效關(guān)系存在溫度和時間的等效關(guān)系 ： 其中激活能其中激活能Q Q除決定于材料

46、的類型除決定于材料的類型( (成分、純度等成分、純度等) )外，還和變形外，還和變形量的大小直接相關(guān)，顯然退火前，材料的冷塑性變形量愈大，量的大小直接相關(guān)，顯然退火前，材料的冷塑性變形量愈大，相應所需的激活能愈小。相應所需的激活能愈小。 再結(jié)晶溫度及其影響因素再結(jié)晶溫度及其影響因素 冷變形金屬開始進行再結(jié)晶的最低溫度稱為冷變形金屬開始進行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度，它可用金相法或硬度法測定即以顯微鏡中出現(xiàn)第一顆新晶它可用金相法或硬度法測定即以顯微鏡中出現(xiàn)第一顆新晶粒時的溫度或以硬度下降粒時的溫度或以硬度下降50所對應的溫度，定為再結(jié)晶溫所對應的溫度，定為再結(jié)晶溫度。工業(yè)生產(chǎn)中則通

47、常以經(jīng)過大變形量度。工業(yè)生產(chǎn)中則通常以經(jīng)過大變形量(70以上以上)的冷變形的冷變形金屬，經(jīng)金屬，經(jīng)1h退火能完成再結(jié)晶（退火能完成再結(jié)晶（ 95%）所對應的溫度，定）所對應的溫度，定為再結(jié)晶溫度。為再結(jié)晶溫度。R 再結(jié)晶溫度并不是一個物理常數(shù)，它不僅隨材料而改變，再結(jié)晶溫度并不是一個物理常數(shù)，它不僅隨材料而改變，同一材料其冷變形程度、原始品粒度等因素也影響著再結(jié)晶同一材料其冷變形程度、原始品粒度等因素也影響著再結(jié)晶溫度。溫度。 a變形程度的影響變形程度的影響 隨著冷變形程度的增加，儲能也增多，隨著冷變形程度的增加，儲能也增多，再結(jié)晶的驅(qū)動力就越大，因此再結(jié)晶溫度越低再結(jié)晶的驅(qū)動力就越大，因此再

48、結(jié)晶溫度越低(見圖見圖554)，同時等溫退火時的再結(jié)晶速度也越快。但當變形量增大到一同時等溫退火時的再結(jié)晶速度也越快。但當變形量增大到一定程度后，再結(jié)晶溫度就基本上穩(wěn)定不變了。對工業(yè)純金屬，定程度后，再結(jié)晶溫度就基本上穩(wěn)定不變了。對工業(yè)純金屬，經(jīng)強烈冷變形后的最低再結(jié)晶溫度經(jīng)強烈冷變形后的最低再結(jié)晶溫度 約等于其熔點約等于其熔點 的的0.350.4。)(KTR)(KTm b b、原始晶粒尺寸、原始晶粒尺寸 在其他條件相同的情況下，金屬的原始晶粒越細小，則在其他條件相同的情況下，金屬的原始晶粒越細小，則變形的抗力越大，冷變形后儲存的能量較高，再結(jié)晶溫度則較變形的抗力越大，冷變形后儲存的能量較高，

49、再結(jié)晶溫度則較低。此外，晶界往往是再結(jié)晶形核的有利地區(qū)，故細晶粒金屬低。此外，晶界往往是再結(jié)晶形核的有利地區(qū)，故細晶粒金屬的再結(jié)晶形核率的再結(jié)晶形核率 和長大速率和長大速率G G均增加，所形成的新晶粒更細均增加，所形成的新晶粒更細小，再結(jié)晶溫度也被降低。小，再結(jié)晶溫度也被降低。N c c微量溶質(zhì)原子微量溶質(zhì)原子 微量溶質(zhì)原子的存在對金屬的再結(jié)晶有很大的影響。微量溶質(zhì)原子的存在對金屬的再結(jié)晶有很大的影響。微量溶質(zhì)原子存在顯著提高再結(jié)晶溫度的原因可能是溶質(zhì)原子微量溶質(zhì)原子存在顯著提高再結(jié)晶溫度的原因可能是溶質(zhì)原子與位錯及晶界間存在著交互作用，使溶質(zhì)原子傾向于在位錯及與位錯及晶界間存在著交互作用，使

50、溶質(zhì)原子傾向于在位錯及晶界處偏聚，對位錯的滑移與攀移和晶界的遷移起著阻礙作用，晶界處偏聚，對位錯的滑移與攀移和晶界的遷移起著阻礙作用，從而不利于再結(jié)晶的形核和核的長大，阻礙再結(jié)晶過程。從而不利于再結(jié)晶的形核和核的長大，阻礙再結(jié)晶過程。 d d、第二相粒子、第二相粒子 第二相粒子的存在既可能促進基體金屬的再第二相粒子的存在既可能促進基體金屬的再結(jié)晶，也可能阻礙再結(jié)晶，這主要取決于基體上分散相粒子的結(jié)晶，也可能阻礙再結(jié)晶，這主要取決于基體上分散相粒子的大小及其分布。當?shù)诙嗔Ｗ映叽巛^大，間距較寬大小及其分布。當?shù)诙嗔Ｗ映叽巛^大，間距較寬( (一般大于一般大于1m)1m)，再結(jié)晶核心能在其表面產(chǎn)生

51、。當?shù)诙嗔Ｗ映叽绾苄?，再結(jié)晶核心能在其表面產(chǎn)生。當?shù)诙嗔Ｗ映叽绾苄∏矣州^密集時，則會阻礙再結(jié)晶的進行。且又較密集時，則會阻礙再結(jié)晶的進行。e e再結(jié)晶遲火工藝參數(shù)再結(jié)晶遲火工藝參數(shù) 加熱速度、加熱溫度與保溫時間加熱速度、加熱溫度與保溫時間等退火工藝參數(shù)，對變形金屬的再結(jié)晶有著不同程度的影響。等退火工藝參數(shù)，對變形金屬的再結(jié)晶有著不同程度的影響。再結(jié)晶后的晶粒大小再結(jié)晶后的晶粒大小a a 、變形度的影響、變形度的影響通常，把對應于再結(jié)晶后得到特通常，把對應于再結(jié)晶后得到特別粗大晶粒的變形程度稱為別粗大晶粒的變形程度稱為“臨臨界變形度界變形度”，一般金屬的臨界變一般金屬的臨界變形度約為形度約為

52、210。在生產(chǎn)實踐。在生產(chǎn)實踐中，要求細晶粒的金屬材料應當中，要求細晶粒的金屬材料應當避開這個變形量，以免惡化工件避開這個變形量，以免惡化工件性能。性能。 b b、退火溫度的影響、退火溫度的影響 退火溫度對剛完成再結(jié)晶時晶粒尺寸退火溫度對剛完成再結(jié)晶時晶粒尺寸的影響比較弱，這是因為它對的影響比較弱，這是因為它對 / / 比值影響微弱。比值影響微弱。但提高退火溫度可使再結(jié)晶的速度顯著加快，臨界變形度數(shù)值變但提高退火溫度可使再結(jié)晶的速度顯著加快，臨界變形度數(shù)值變小小( (見圖見圖5 557)57)。若再結(jié)晶過程已完成，隨后還有一個晶粒長大。若再結(jié)晶過程已完成，隨后還有一個晶粒長大階段很明顯，溫度越

53、高晶粒越粗。階段很明顯，溫度越高晶粒越粗。NGb、 晶粒長大晶粒長大 晶粒長大的動力晶粒長大的動力 晶粒的正常長大晶粒的正常長大 晶粒的非正常長大晶粒的非正常長大 1 1、晶粒的正常長大及其影響因素、晶粒的正常長大及其影響因素 晶粒的長大是一自發(fā)過程，其驅(qū)動力是降低其總界面能。晶粒的長大是一自發(fā)過程，其驅(qū)動力是降低其總界面能。長大過程中，晶粒變大，則晶界的總面積減小，總界面能也就長大過程中，晶粒變大，則晶界的總面積減小，總界面能也就減小。減小。 為減小表面能晶粒長大的熱力學條件總是滿足的，長大與為減小表面能晶粒長大的熱力學條件總是滿足的，長大與否還需滿足動力學條件，這就是界面的活動性，溫度是影

54、響界否還需滿足動力學條件，這就是界面的活動性，溫度是影響界面活動性的最主要因素。面活動性的最主要因素。 a a、溫度、溫度b b分散相粒子分散相粒子 c c晶粒間的位向差晶粒間的位向差 實驗表明，相鄰晶粒間的位向差對晶實驗表明，相鄰晶粒間的位向差對晶界的遷移有很大影響。當晶界兩側(cè)的晶粒位向較為接近或具有界的遷移有很大影響。當晶界兩側(cè)的晶粒位向較為接近或具有孿晶位向時，品界遷移速度很小。但若晶粒間具有大角晶界的孿晶位向時，品界遷移速度很小。但若晶粒間具有大角晶界的位向差時，則由于晶界能和擴散系數(shù)相應增大，因而其晶界的位向差時，則由于晶界能和擴散系數(shù)相應增大，因而其晶界的遷移速度也隨之加快。遷移速

55、度也隨之加快。d d雜質(zhì)與微量合金元素雜質(zhì)與微量合金元素2 2、異常晶粒長大（二次再結(jié)晶）、異常晶粒長大（二次再結(jié)晶） 在長大過程中，一般晶粒在正常緩慢長大時，如果有少數(shù)在長大過程中，一般晶粒在正常緩慢長大時，如果有少數(shù)晶粒處在特別優(yōu)越的環(huán)境，這些大量吞食周圍晶粒，迅速長大，晶粒處在特別優(yōu)越的環(huán)境，這些大量吞食周圍晶粒，迅速長大，這種現(xiàn)象稱為晶粒的異常長大。這種現(xiàn)象稱為晶粒的異常長大。 這些優(yōu)先長大的少數(shù)晶粒最后到互相接觸，早期的研究以為這些優(yōu)先長大的少數(shù)晶粒最后到互相接觸，早期的研究以為是形核和核心的生長過程，而稱為是形核和核心的生長過程，而稱為“二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶”，但實質(zhì)并，但實質(zhì)并不

56、是靠重新產(chǎn)生新的晶核，而是在一次再結(jié)晶后的長大過程中，不是靠重新產(chǎn)生新的晶核，而是在一次再結(jié)晶后的長大過程中，某些晶粒的環(huán)境特殊而產(chǎn)生的優(yōu)先長大。某些晶粒的環(huán)境特殊而產(chǎn)生的優(yōu)先長大。 材料發(fā)生異常長大時，出現(xiàn)了晶粒大小分布嚴重不均勻，材料發(fā)生異常長大時，出現(xiàn)了晶粒大小分布嚴重不均勻，長大后期可能造成材料晶粒尺寸過大，它們都對材料的性能帶長大后期可能造成材料晶粒尺寸過大，它們都對材料的性能帶來十分不利的影響。來十分不利的影響。 晶粒非正常長大圖片晶粒非正常長大圖片 晶粒非正常長大預防晶粒非正常長大預防再結(jié)晶退火時發(fā)生晶粒異常長大的條件是：再結(jié)晶退火時發(fā)生晶粒異常長大的條件是：材料的冷變形程度較大

57、，產(chǎn)生了織構(gòu)材料的冷變形程度較大，產(chǎn)生了織構(gòu)( (變形織構(gòu)變形織構(gòu)) )，再結(jié)晶后，再結(jié)晶后晶粒取向的遺傳，組織依然存在擇優(yōu)取向晶粒取向的遺傳，組織依然存在擇優(yōu)取向( (再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)) )，這，這時晶粒取向差小，晶界的界面能較小，正常長大速度較慢，時晶粒取向差小，晶界的界面能較小，正常長大速度較慢，個別較大的晶粒的取向不同，有較大的界面能，長大速度也個別較大的晶粒的取向不同，有較大的界面能，長大速度也較快，晶粒優(yōu)先長大就有了可能；較快，晶粒優(yōu)先長大就有了可能；再結(jié)晶的加熱溫度較高，再結(jié)晶發(fā)生快，晶界容易移動又有再結(jié)晶的加熱溫度較高，再結(jié)晶發(fā)生快，晶界容易移動又有足夠的時間來進行晶粒長大

58、。足夠的時間來進行晶粒長大。所以防止材料發(fā)生晶粒異常長大的方法就是注意這兩個環(huán)節(jié)。所以防止材料發(fā)生晶粒異常長大的方法就是注意這兩個環(huán)節(jié)。 再結(jié)晶退火后的組織再結(jié)晶退火后的組織 1 1、再結(jié)晶退火后的晶粒大小、再結(jié)晶退火后的晶粒大小取決于預先變形度和退火溫度，先已分析。取決于預先變形度和退火溫度，先已分析。 2 2、再結(jié)晶織構(gòu)、再結(jié)晶織構(gòu) 通常具有變形織構(gòu)的金屬經(jīng)再結(jié)晶后的新晶粒若仍具有擇優(yōu)取向，稱為再通常具有變形織構(gòu)的金屬經(jīng)再結(jié)晶后的新晶粒若仍具有擇優(yōu)取向，稱為再結(jié)晶織構(gòu)。結(jié)晶織構(gòu)。 再結(jié)晶織構(gòu)與原變形織構(gòu)之間可存在以下三種情況：再結(jié)晶織構(gòu)與原變形織構(gòu)之間可存在以下三種情況：(1)(1)與原有

59、的織構(gòu)與原有的織構(gòu)相一致；相一致；(2)(2)原有織構(gòu)消失而代之以新的織構(gòu)；原有織構(gòu)消失而代之以新的織構(gòu)；(3)(3)原有織構(gòu)消失不再形成新原有織構(gòu)消失不再形成新的織構(gòu)。的織構(gòu)。再結(jié)晶織構(gòu)兩種主要的理論：再結(jié)晶織構(gòu)兩種主要的理論：定向生長理論定向生長理論與與定向形核理論定向形核理論。 定向生長理論定向生長理論認為：一次再結(jié)晶過程中形成了各種位向的晶核，但只有某些認為：一次再結(jié)晶過程中形成了各種位向的晶核，但只有某些具有特殊位向的晶核才可能迅速向變形基體中長大，即形成了再結(jié)晶織構(gòu)。具有特殊位向的晶核才可能迅速向變形基體中長大，即形成了再結(jié)晶織構(gòu)。當基體存在變形織構(gòu)時，其中大多數(shù)晶粒取向是相近的，

60、晶粒不易長大，而當基體存在變形織構(gòu)時，其中大多數(shù)晶粒取向是相近的，晶粒不易長大，而某些與變形織構(gòu)呈特殊位向關(guān)系的再結(jié)晶晶核，其晶界則具有很高的遷移速某些與變形織構(gòu)呈特殊位向關(guān)系的再結(jié)晶晶核，其晶界則具有很高的遷移速度，故發(fā)生擇優(yōu)生長，并通過逐漸吞食其周圍變形基體達到互相接觸，形成度，故發(fā)生擇優(yōu)生長，并通過逐漸吞食其周圍變形基體達到互相接觸，形成與原變形織構(gòu)取向不同的再結(jié)晶織構(gòu)。與原變形織構(gòu)取向不同的再結(jié)晶織構(gòu)。 定向形核理論認為：定向形核理論認為：當變形量較大的金屬組織存在變形織構(gòu)當變形量較大的金屬組織存在變形織構(gòu)時，由于各亞晶的位向相近而使再結(jié)晶形核具有擇優(yōu)取向，并時，由于各亞晶的位向相近而