chp 10回復(fù)與再結(jié)晶

1、返回返回第十章第十章 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶變形金屬的熱行為返回返回章目錄：章目錄：10.1 10.1 冷變形金屬在加熱時的變化冷變形金屬在加熱時的變化10.2 10.2 回回 復(fù)復(fù)10.3 10.3 再結(jié)晶再結(jié)晶10.4 10.4 再結(jié)晶后的晶粒長大再結(jié)晶后的晶粒長大10.5 10.5 再結(jié)晶退火及其組織再結(jié)晶退火及其組織10.6 10.6 金屬的熱變形金屬的熱變形10.7 10.7 超塑性加工超塑性加工返回返回經(jīng)冷變形的金屬具有如下特點：經(jīng)冷變形的金屬具有如下特點：機(jī)械性能和理化性能發(fā)生明顯變化。強(qiáng)度、硬度升高，塑性韌性下降。機(jī)械性能和理化性能發(fā)生明顯變化。強(qiáng)度、硬度升高，塑性韌性下降。

2、組織結(jié)構(gòu)有明顯變化。晶粒變形，缺陷增加，位錯胞形成。組織結(jié)構(gòu)有明顯變化。晶粒變形，缺陷增加，位錯胞形成。處于自由能較高的不穩(wěn)定狀態(tài)。處于自由能較高的不穩(wěn)定狀態(tài)。 冷加工時，外力所作之功，除消耗于成型中摩擦阻力以及工件變形冷加工時，外力所作之功，除消耗于成型中摩擦阻力以及工件變形時的發(fā)熱外，尚有一小部分（約占總功時的發(fā)熱外，尚有一小部分（約占總功2 21010）存儲在變形晶體中，）存儲在變形晶體中，這種儲能主要以位錯的形式存在，使晶體內(nèi)能增加。這種儲能主要以位錯的形式存在，使晶體內(nèi)能增加。 可以推想，如果金屬中原子獲得足夠的活動性，便會自發(fā)地向能量可以推想，如果金屬中原子獲得足夠的活動性，便會自

3、發(fā)地向能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)變化。較低的穩(wěn)定狀態(tài)變化。返回返回10.110.1 冷變形金屬在加熱時的變化冷變形金屬在加熱時的變化一、組織的變化一、組織的變化 經(jīng)冷變形的金屬逐漸增加溫度，顯微組織會發(fā)生經(jīng)冷變形的金屬逐漸增加溫度，顯微組織會發(fā)生三個階段的變化。三個階段的變化。返回返回三階段的微觀特征：三階段的微觀特征： 0 T1 ：纖維組織不變，但亞結(jié)構(gòu)有所變化。纖維組織不變，但亞結(jié)構(gòu)有所變化。 回復(fù)回復(fù) T1T2 ：新的等軸晶形成，直至形變晶粒完全耗盡：新的等軸晶形成，直至形變晶粒完全耗盡 （纖維組織消失）。（纖維組織消失）。 再結(jié)晶再結(jié)晶 T2T3 ：新晶粒繼續(xù)長大。：新晶粒繼續(xù)長大。 晶粒長大

4、晶粒長大 若將冷變形金屬快速加熱到若將冷變形金屬快速加熱到0.5Tm以上恒溫，隨加熱時以上恒溫，隨加熱時間間t t延長，也會出現(xiàn)上述三個階段的變化。延長，也會出現(xiàn)上述三個階段的變化。返回返回二、儲存能的變化二、儲存能的變化掃描示差量熱計分別檢測已變形掃描示差量熱計分別檢測已變形和未變形的兩塊試樣，加熱到和未變形的兩塊試樣，加熱到相相同同溫度所消耗的功率溫度所消耗的功率P，得差值。，得差值。 PP未未P變變作作P T曲線如圖，能量釋放曲線如圖，能量釋放峰對應(yīng)于新晶粒的出現(xiàn)峰對應(yīng)于新晶粒的出現(xiàn) 再結(jié)再結(jié)晶，在此之前為回復(fù)。晶，在此之前為回復(fù)。TP0ABT再再T再再A 純金屬，純金屬，B 合金合金T

5、P變變P未未返回返回三、性能的變化三、性能的變化 經(jīng)冷變形的金屬經(jīng)冷變形的金屬緩慢加熱，測其性能緩慢加熱，測其性能的變化，如圖所示。的變化，如圖所示。性能急變區(qū)對應(yīng)于新性能急變區(qū)對應(yīng)于新晶粒的出現(xiàn)，再結(jié)晶晶粒的出現(xiàn)，再結(jié)晶之前為回復(fù)，之后為之前為回復(fù)，之后為晶粒長大。晶粒長大。返回返回 總之：由以上變化說明，冷變形金屬在加熱時要總之：由以上變化說明，冷變形金屬在加熱時要經(jīng)歷三個階段：回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。經(jīng)歷三個階段：回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。回復(fù)：回復(fù)：新的無畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)與性新的無畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)與性能的變化。能的變化。再結(jié)晶：再結(jié)晶：出現(xiàn)無畸變的等軸晶逐步取

6、代變形晶粒的過出現(xiàn)無畸變的等軸晶逐步取代變形晶粒的過程。程。晶粒長大：晶粒長大：指再結(jié)晶結(jié)束之后，晶粒的繼續(xù)長大。指再結(jié)晶結(jié)束之后，晶粒的繼續(xù)長大。返回返回10.10.2 2 回回 復(fù)復(fù) 回復(fù)過程中，光學(xué)纖維組織未見變化，因而對回復(fù)回復(fù)過程中，光學(xué)纖維組織未見變化，因而對回復(fù)的研究只能從性能變化入手，通過回復(fù)動力學(xué)的研究，的研究只能從性能變化入手，通過回復(fù)動力學(xué)的研究，并輔以薄膜透射電鏡觀察，從而推斷其微觀過程。并輔以薄膜透射電鏡觀察，從而推斷其微觀過程。返回返回一、回復(fù)動力學(xué)一、回復(fù)動力學(xué) 基本思路：基本思路：冷變形金屬性能的變化（如：冷變形金屬性能的變化（如：加工硬化加工硬化 電電阻率阻率

7、 、密度、密度 等）等），與晶體缺陷的密度下降有關(guān)。而晶，與晶體缺陷的密度下降有關(guān)。而晶體缺陷密度的下降，取決于回復(fù)溫度和時間，建立以上關(guān)體缺陷密度的下降，取決于回復(fù)溫度和時間，建立以上關(guān)系可得回復(fù)動力學(xué)方程。系可得回復(fù)動力學(xué)方程。 如：加工硬化在回復(fù)過程中下降，設(shè)晶體加工硬化后如：加工硬化在回復(fù)過程中下降，設(shè)晶體加工硬化后屈服強(qiáng)度與某種晶體缺陷的體積濃度成正比。屈服強(qiáng)度與某種晶體缺陷的體積濃度成正比。Cdk 00 充分退火試樣的屈服強(qiáng)度，充分退火試樣的屈服強(qiáng)度，Cd 缺陷濃度缺陷濃度返回返回等溫回復(fù)過程中：等溫回復(fù)過程中：dtdCdkdtd)(0BCddtdCdB 反應(yīng)速率常數(shù)：反應(yīng)速率常數(shù)

8、：代入前式得：代入前式得：)/exp(RTQAB)()(00BkBCddtd分離變量積分：分離變量積分：CBt )ln(0)exp(0CBt * 由于缺陷衰減過程是熱激活過程，可按化學(xué)動力學(xué)一由于缺陷衰減過程是熱激活過程，可按化學(xué)動力學(xué)一級反應(yīng)處理：級反應(yīng)處理：Cdk 0返回返回 即：在一定溫度下，等溫回復(fù)隨時間的延長，加工硬即：在一定溫度下，等溫回復(fù)隨時間的延長，加工硬化將按指數(shù)衰減。化將按指數(shù)衰減。 如圖為變形鋅在不同溫度下等溫回復(fù)時，屈服強(qiáng)度的如圖為變形鋅在不同溫度下等溫回復(fù)時，屈服強(qiáng)度的衰減曲線，其中：衰減曲線，其中： 00mxx 加工硬化殘余分?jǐn)?shù)加工硬化殘余分?jǐn)?shù)m m 變形后的屈服強(qiáng)

9、度變形后的屈服強(qiáng)度 回復(fù)回復(fù)后的屈服強(qiáng)度后的屈服強(qiáng)度tx)exp(0CBt T返回返回CBt )ln(0 將阿氏公式代入將阿氏公式代入*上式得：上式得： CtRTQA)/exp()ln(0)/exp(RTQDtRTQDt/ln)11(ln2121TTRQttln tT1或：或：如圖：如圖：由實驗斜率可求得由實驗斜率可求得Q，據(jù)此推算其機(jī)制。，據(jù)此推算其機(jī)制。斜率斜率Q/R取取為定值，而測量為定值，而測量不同溫度不同溫度下回復(fù)到相同下回復(fù)到相同值的值的時間時間。返回返回 一般來講，激活能一般來講，激活能Q不只是一個，常按回復(fù)溫不只是一個，常按回復(fù)溫度高低分為低溫、中溫和度高低分為低溫、中溫和高溫

10、回復(fù)。對應(yīng)的激活能高溫回復(fù)。對應(yīng)的激活能為為Q1、Q2、Q3。Q3Q2Q1ln tT1返回返回二、回復(fù)機(jī)制二、回復(fù)機(jī)制 一般在一般在0.10.10.30.3Tm，對應(yīng)于，對應(yīng)于Q1 。電阻率下降明。電阻率下降明顯（對點缺陷敏感）。顯（對點缺陷敏感）。 機(jī)制：過量空位消失，趨向平衡空位濃度。機(jī)制：過量空位消失，趨向平衡空位濃度。 0.30.30.50.5Tm，對應(yīng)于，對應(yīng)于Q2 。與位錯的滑移有關(guān)：。與位錯的滑移有關(guān)： 同一滑移面上異號位錯的相消。同一滑移面上異號位錯的相消。 位錯偶極子的兩根位錯線相消。位錯偶極子的兩根位錯線相消。1 1、低溫回復(fù)、低溫回復(fù)2 2、中溫回復(fù)、中溫回復(fù)返回返回 3

11、 3、高溫回復(fù)、高溫回復(fù) 0.5Tm，Q3 機(jī)制：位錯的攀移和重新排列成較穩(wěn)定的組態(tài)機(jī)制：位錯的攀移和重新排列成較穩(wěn)定的組態(tài) 多邊化過程多邊化過程 例：例：Fe3Si單晶按下圖截取，彎曲變形后，放在單晶按下圖截取，彎曲變形后，放在650、700、800保溫一小時，蝕坑法顯示位錯位置。保溫一小時，蝕坑法顯示位錯位置。4545（111）（111）x射線衍射射線衍射: 彎曲前彎曲前 彎曲后彎曲后 多邊化后多邊化后）（101）（101返回返回 機(jī)制：攀移滑移機(jī)制：攀移滑移變形后的位錯蝕坑變形后的位錯蝕坑700回復(fù)后的位錯蝕坑回復(fù)后的位錯蝕坑攀移攀移滑移滑移滑移面滑移面返回返回 多晶體的高溫回復(fù)機(jī)制比單

12、多晶體的高溫回復(fù)機(jī)制比單晶體的多邊化過程要復(fù)雜，但晶體的多邊化過程要復(fù)雜，但本質(zhì)上也是包含位錯的滑移和本質(zhì)上也是包含位錯的滑移和攀移。同一滑移面上異號位錯攀移。同一滑移面上異號位錯的相消，密度下降，位錯重排的相消，密度下降，位錯重排成較穩(wěn)定的組態(tài)。對冷加工中成較穩(wěn)定的組態(tài)。對冷加工中已形成位錯胞的晶體，則表現(xiàn)已形成位錯胞的晶體，則表現(xiàn)為胞壁變薄，胞內(nèi)位錯進(jìn)一步為胞壁變薄，胞內(nèi)位錯進(jìn)一步減少，形成界面清晰的亞晶。減少，形成界面清晰的亞晶。亞晶逐步聚合粗化，亞晶界出亞晶逐步聚合粗化，亞晶界出現(xiàn)二維的位錯網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)二維的位錯網(wǎng)絡(luò)。冷變形后位錯纏結(jié)冷變形后位錯纏結(jié)回復(fù)回復(fù)0.5h0.5h位錯平直位錯平直

13、化化50h50h后形成位錯網(wǎng)絡(luò)后形成位錯網(wǎng)絡(luò)300h300h后形成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)后形成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)返回返回三、回復(fù)退火的應(yīng)用三、回復(fù)退火的應(yīng)用 由回復(fù)退火機(jī)制可知：由回復(fù)退火機(jī)制可知： 回復(fù)過程中電阻率的明顯下降，主要回復(fù)過程中電阻率的明顯下降，主要 是由于過量空位的減少和位錯應(yīng)變能是由于過量空位的減少和位錯應(yīng)變能 的降低；的降低； 內(nèi)應(yīng)力的降低主要是由于晶體中微區(qū)內(nèi)應(yīng)力的降低主要是由于晶體中微區(qū) 彈性應(yīng)變大部分消除；彈性應(yīng)變大部分消除； 而硬度和強(qiáng)度下降甚少，則是由于位而硬度和強(qiáng)度下降甚少，則是由于位 錯密度下降不多錯密度下降不多,亞晶還較細(xì)小之故。亞晶還較細(xì)小之故。返回返回10.10.3 3 再結(jié)晶

14、再結(jié)晶 與回復(fù)相比，當(dāng)冷變形金屬材料加熱到更高溫度，其與回復(fù)相比，當(dāng)冷變形金屬材料加熱到更高溫度，其 顯微組織將發(fā)生徹底的改組，即再結(jié)晶。顯微組織將發(fā)生徹底的改組，即再結(jié)晶。 再結(jié)晶是一個再結(jié)晶是一個形核形核和和長大長大的過程。它的的過程。它的形核形核是可移動是可移動 的的大角度晶界的形成大角度晶界的形成；長大長大則是則是核心向著尚未再結(jié)晶核心向著尚未再結(jié)晶 的部分移動的部分移動，從而完成以新的無畸變的晶粒取代冷變，從而完成以新的無畸變的晶粒取代冷變 形晶粒的過程。形晶粒的過程。返回返回再結(jié)晶的驅(qū)動力是冷加工的儲存能，再結(jié)晶釋放了儲存再結(jié)晶的驅(qū)動力是冷加工的儲存能，再結(jié)晶釋放了儲存能，使材料的

15、組織與性能基本回復(fù)到形變前的狀態(tài)。能，使材料的組織與性能基本回復(fù)到形變前的狀態(tài)。鐵素體變形鐵素體變形80%80%650650加熱加熱670670加熱加熱返回返回一、再結(jié)晶的形核與長大一、再結(jié)晶的形核與長大1 1、亞晶生長或合并形成大角度晶界（形變量較大時）、亞晶生長或合并形成大角度晶界（形變量較大時） 亞晶合并亞晶合并 在回復(fù)階段形成的亞晶，通過亞晶間的合并，成為轉(zhuǎn)矩小，易于在回復(fù)階段形成的亞晶，通過亞晶間的合并，成為轉(zhuǎn)矩小，易于 遷移的大角度晶界，成為核心。遷移的大角度晶界，成為核心。 （高層錯能材料（高層錯能材料AlAl，NiNi等）等） 特點：特點： 位錯易于攀移，位錯重排成穩(wěn)定的亞晶界

16、，胞內(nèi)位錯密度低。位錯易于攀移，位錯重排成穩(wěn)定的亞晶界，胞內(nèi)位錯密度低。返回返回 亞晶生長亞晶生長 通過亞晶界移動生長，成為大角度晶界。通過亞晶界移動生長，成為大角度晶界。 （低層錯能材料，位錯難以重組，胞內(nèi)位錯密度高。如（低層錯能材料，位錯難以重組，胞內(nèi)位錯密度高。如CoCo、AgAg、CuCu、AuAu等）等）返回返回2 2、原有大角度晶界的凸出形核（形變量較小時）、原有大角度晶界的凸出形核（形變量較小時）冷變形金屬中，當(dāng)晶界兩側(cè)的晶粒位錯密度相差較大時，在一定冷變形金屬中，當(dāng)晶界兩側(cè)的晶粒位錯密度相差較大時，在一定的溫度下，晶界的一段向位錯密度較高的晶粒一側(cè)突然移動。被的溫度下，晶界的一

17、段向位錯密度較高的晶粒一側(cè)突然移動。被晶界掃掠過的區(qū)域，位錯被界面吸收，冷加工儲存能基本釋放，晶界掃掠過的區(qū)域，位錯被界面吸收，冷加工儲存能基本釋放，留下無畸變的小區(qū)域，這就是再結(jié)晶核心。留下無畸變的小區(qū)域，這就是再結(jié)晶核心。返回返回形核條件：形核條件： 大角度晶界界面能大角度晶界界面能E 相鄰晶粒的畸變能差相鄰晶粒的畸變能差 El2高高低低2 l 由此可見，在形變量較小的材料中，出現(xiàn)由此可見，在形變量較小的材料中，出現(xiàn)E 較大較大的區(qū)域較多。因此這種形核一般發(fā)生在形變量較小的金的區(qū)域較多。因此這種形核一般發(fā)生在形變量較小的金屬中，發(fā)生弓出的晶界均是遷移率較大的大角度晶界。屬中，發(fā)生弓出的晶界

18、均是遷移率較大的大角度晶界。返回返回3 3、再結(jié)晶核心的長大、再結(jié)晶核心的長大 當(dāng)再結(jié)晶核心形成后，可自發(fā)穩(wěn)定的生長，驅(qū)動力當(dāng)再結(jié)晶核心形成后，可自發(fā)穩(wěn)定的生長，驅(qū)動力為兩晶粒間的畸變能差，晶界移動的方向是背離曲率中為兩晶粒間的畸變能差，晶界移動的方向是背離曲率中心方向。心方向。高高低低返回返回二、再結(jié)晶動力學(xué)二、再結(jié)晶動力學(xué)1 1、等溫曲線、等溫曲線 經(jīng)冷變形的金屬在不同溫度下進(jìn)行等溫退火，測定經(jīng)經(jīng)冷變形的金屬在不同溫度下進(jìn)行等溫退火，測定經(jīng)不同時間后已再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)，可得等溫動力學(xué)曲線。不同時間后已再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)，可得等溫動力學(xué)曲線。返回返回其中：其中： 形核率，形核率， 長大速率長大

19、速率當(dāng)考慮到當(dāng)考慮到 隨時間的衰減，經(jīng)修正后可隨時間的衰減，經(jīng)修正后可得得Avrami公式：公式： 由曲線可見：再結(jié)晶與凝固動力學(xué)曲線相似，呈由曲線可見：再結(jié)晶與凝固動力學(xué)曲線相似，呈“S”S”形，為典形，為典型的形核型的形核 長大固態(tài)轉(zhuǎn)變。若用一般形核長大固態(tài)轉(zhuǎn)變。若用一般形核 長大的相變動力學(xué)公長大的相變動力學(xué)公式（式（JohnsonMehl公式）描述：公式）描述：) 3exp(143tNGX再再GNN)exp(1kBtX再再可由實驗測定?？捎蓪嶒灉y定。其中其中 4,3k ,3NGB：再結(jié)晶等溫動力學(xué)曲線再結(jié)晶等溫動力學(xué)曲線X再再lgt0T100%返回返回2 2、溫度對再結(jié)晶速度的影響、溫

20、度對再結(jié)晶速度的影響 由等溫曲線可見：等溫溫度越由等溫曲線可見：等溫溫度越 高，再結(jié)晶進(jìn)行得越快。產(chǎn)生高，再結(jié)晶進(jìn)行得越快。產(chǎn)生 一定量的一定量的X再再, ,所需的時間也越所需的時間也越 短?？梢岳斫?，溫度越高，短。可以理解，溫度越高， 和和 均越大均越大, ,因而因而B值也越大，值也越大， 相同時間下，相同時間下，X再再也越大。也越大。NG)exp(1kBtX再T1再結(jié)晶等溫動力學(xué)曲線再結(jié)晶等溫動力學(xué)曲線X再再lgt0T1 T2 T3T2T3100%NGB3返回返回 如果比較在不同溫度下，獲得相同的如果比較在不同溫度下，獲得相同的X再再所需時間，由實驗結(jié)果，可得所需時間，由實驗結(jié)果，可得 存

21、在線性關(guān)系。存在線性關(guān)系。 以上關(guān)系并非偶然，因為再結(jié)晶是一個熱激活過程，其轉(zhuǎn)變速度為：以上關(guān)系并非偶然，因為再結(jié)晶是一個熱激活過程，其轉(zhuǎn)變速度為： Tt11ln）（再再RTQVR/Aexpt 再再再再XV)/exp(t1 RTQAR lnt1ln RTQAR 與實際相符與實際相符lnA斜率斜率QR/RT1 t1lnV再再 單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)返回返回討論：討論： T，V再再。 已知已知T1 1、T2 2溫度下完成再結(jié)晶溫度下完成再結(jié)晶 （X再再0.950.95）的時間分別為）的時間分別為t1、t2。 則：則： 可求出再結(jié)晶過程的激活能可求出再結(jié)晶過程的激活能QR 可以估算

22、不同等溫溫度下再結(jié)晶開始，再結(jié)晶到一定數(shù)可以估算不同等溫溫度下再結(jié)晶開始，再結(jié)晶到一定數(shù)量（如量（如50）或再結(jié)晶完成所需的時間。或再結(jié)晶完成所需的時間。)11(ln2121TTRQttRlnA斜率斜率QR/RT1 t1ln lnt1ln RTQAR返回返回三、再結(jié)晶溫度及其影響因素三、再結(jié)晶溫度及其影響因素由于再結(jié)晶驅(qū)動力來自冷加工變形儲存能，再結(jié)晶前由于再結(jié)晶驅(qū)動力來自冷加工變形儲存能，再結(jié)晶前后晶體結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化，所以再結(jié)晶不是相變。后晶體結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化，所以再結(jié)晶不是相變。因此不可能有固定的溫度，而是在很大范圍內(nèi)變化。因此不可能有固定的溫度，而是在很大范圍內(nèi)變化。為了比較不同材

23、料再結(jié)晶的難易程度，需要定義再結(jié)為了比較不同材料再結(jié)晶的難易程度，需要定義再結(jié)晶的溫度。晶的溫度。返回返回1 1、再結(jié)晶溫度、再結(jié)晶溫度TK 退火一小時能完成再結(jié)晶（退火一小時能完成再結(jié)晶（X再再9595），所對應(yīng)的最），所對應(yīng)的最低溫度稱一小時低溫度稱一小時TK。 測量不同測量不同T下，完成再下，完成再 結(jié)晶所需時間結(jié)晶所需時間, ,得再結(jié)晶得再結(jié)晶 終了線，找出終了線，找出TK。 但隨變形量不同但隨變形量不同TK 不同。不同。Tt1hT0.3T0.5T0.770%50% 30% 一小時再結(jié)晶溫度一小時再結(jié)晶溫度TK（一般定義）（一般定義）返回返回 70 70一小時再結(jié)晶溫度一小時再結(jié)晶溫度

24、Tk（工業(yè)定義）（工業(yè)定義） 經(jīng)大變形量（經(jīng)大變形量（70），），退火一小時能完成再結(jié)晶所對退火一小時能完成再結(jié)晶所對應(yīng)的最低溫度稱應(yīng)的最低溫度稱70一小時一小時TK，也稱再結(jié)晶溫度限。，也稱再結(jié)晶溫度限。 它是衡量材料再結(jié)晶難易程度的指標(biāo)。它是衡量材料再結(jié)晶難易程度的指標(biāo)。返回返回2 2、影響再結(jié)晶溫度的主要因素、影響再結(jié)晶溫度的主要因素 形變量形變量 形變量越大，冷變形金屬中的儲存能越高，再結(jié)晶形變量越大，冷變形金屬中的儲存能越高，再結(jié)晶驅(qū)動力越大，驅(qū)動力越大， 和和 ，所以，所以TK。 凡是增大凡是增大 和和 的因素均降低的因素均降低TK，反之則使，反之則使TKNGNG 如圖為形變量與一

25、小時再結(jié)晶如圖為形變量與一小時再結(jié)晶溫度的關(guān)系曲線。當(dāng)形變量達(dá)溫度的關(guān)系曲線。當(dāng)形變量達(dá)70時，一小時再結(jié)晶溫度降到極時，一小時再結(jié)晶溫度降到極限，所以通常稱限，所以通常稱70一小時再結(jié)一小時再結(jié)晶溫度為再結(jié)晶溫度限。晶溫度為再結(jié)晶溫度限。 TKTK70%形變量形變量返回返回 對于工業(yè)純金屬，再結(jié)晶溫度限與熔點之間有下列經(jīng)對于工業(yè)純金屬，再結(jié)晶溫度限與熔點之間有下列經(jīng)驗關(guān)系：驗關(guān)系： TK （0.350.45)Tm (K)返回返回 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸d d, ,變形抗力變形抗力, ,變形后儲能變形后儲能, ,驅(qū)動力驅(qū)動力， 、，TK。 微量元素微量元素 微量元素偏聚于位錯和晶界，降低畸變

26、能，阻止位錯滑微量元素偏聚于位錯和晶界，降低畸變能，阻止位錯滑移和攀移以及晶界的遷移，降低移和攀移以及晶界的遷移，降低 和和 ，使，使TK。 NGNG光光Al 85 Al 85 光光Mg 65 Mg 65 光光Cu:120Cu:120光光Ni:370Ni:370返回返回 第二相粒子第二相粒子 一方面增加冷變形金屬的儲存能，增大了再結(jié)晶驅(qū)動力，一方面增加冷變形金屬的儲存能，增大了再結(jié)晶驅(qū)動力，有利于再結(jié)晶。有利于再結(jié)晶。 另一方面阻礙加熱時位錯的重排、亞晶形成、大角度晶界另一方面阻礙加熱時位錯的重排、亞晶形成、大角度晶界的形成、以及大角度晶界的推移，從而阻礙再結(jié)晶過程。的形成、以及大角度晶界的推

27、移，從而阻礙再結(jié)晶過程。 因此結(jié)果表現(xiàn)比較復(fù)雜，決定于兩個矛盾的綜合結(jié)果。因此結(jié)果表現(xiàn)比較復(fù)雜，決定于兩個矛盾的綜合結(jié)果。 一般來講：一般來講： 彌散度高彌散度高 阻礙阻礙 TK ( (自由程自由程小，小， d小小 nmnm級級) ) 彌散度低彌散度低 加速加速 TK 見表見表7 73 3返回返回返回返回四、再結(jié)晶晶粒大小的控制四、再結(jié)晶晶粒大小的控制 再結(jié)晶后材料的機(jī)械性能的變化，主要取決于再結(jié)晶再結(jié)晶后材料的機(jī)械性能的變化，主要取決于再結(jié)晶后的晶粒大小。與凝固過程一樣分析，根據(jù)后的晶粒大小。與凝固過程一樣分析，根據(jù)JohnsonMehl方程，可導(dǎo)得晶粒大小方程，可導(dǎo)得晶粒大小d為：為：43

28、) (NGkd可見，凡是影響可見，凡是影響 的因素，都影響再結(jié)晶的晶粒大小。的因素，都影響再結(jié)晶的晶粒大小。NG 、注：錯誤注：錯誤P259，式，式(7-11)返回返回 1 1、形變量的影響、形變量的影響 如圖所式：以臨界變形度如圖所式：以臨界變形度c為界為界 原始晶粒原始晶粒 粗大晶粒粗大晶粒細(xì)小晶粒細(xì)小晶粒 一般金屬：一般金屬：c 28 c，儲存能，儲存能， 但因但因 ，而，而 ， 所以所以 增加速度增加速度 , ,即即 , ,d。 cdNG、)1exp(2驅(qū)驅(qū)GN)21(驅(qū)驅(qū)GGNGNG/NGNG43) (NGkd返回返回 c 時，由于時，由于 很小，所以晶粒顯著粗化。很小，所以晶粒顯著

29、粗化。 N 因此，要想通過形變再結(jié)晶細(xì)化晶粒，必須：因此，要想通過形變再結(jié)晶細(xì)化晶粒，必須： 大變形量大變形量 低的退火溫度。低的退火溫度。返回返回 2 2、原始晶粒的大小原始晶粒的大小 原始晶粒越小，大角度界面越多，易于形核，原始晶粒越小，大角度界面越多，易于形核， 晶粒越細(xì)。晶粒越細(xì)。 3 3、微量元素微量元素 一般細(xì)化，阻止一般細(xì)化，阻止 ，驅(qū)動力，驅(qū)動力， ，d d。 4 4、變形溫度變形溫度 變形過程中有能量釋放，變形過程中有能量釋放，G驅(qū)驅(qū)，粗化。，粗化。GNG/43) (NGkd返回返回5 5、退火溫度、退火溫度 再結(jié)晶再結(jié)晶TT，不，不僅僅dd，且，且c c臨界變臨界變形度左移

30、。形度左移。返回返回10.10.4 4 再結(jié)晶后的晶粒長大再結(jié)晶后的晶粒長大（其規(guī)律適用于所有加熱條件下的晶粒長大）（其規(guī)律適用于所有加熱條件下的晶粒長大） 再結(jié)晶完成后繼續(xù)升高溫度或延長時間，都會使再結(jié)晶完成后繼續(xù)升高溫度或延長時間，都會使晶粒長大。晶粒長大是一個自發(fā)過程，晶界移動的驅(qū)晶粒長大。晶粒長大是一個自發(fā)過程，晶界移動的驅(qū)動力來自總的界面能降低。動力來自總的界面能降低。晶粒長大晶粒長大正常晶粒長大正常晶粒長大異常晶粒長大（二次再結(jié)晶）異常晶粒長大（二次再結(jié)晶）返回返回 1 1、界面的遷動界面的遷動 如圖，設(shè)晶粒如圖，設(shè)晶粒，原子化學(xué)位分別原子化學(xué)位分別 為為1、2。 在界面處原子因熱

31、振動，晶粒在界面處原子因熱振動，晶粒的原的原 子將跨越界面跳到晶粒子將跨越界面跳到晶粒。相反，晶。相反，晶 粒粒上的原子也不斷跳回晶粒上的原子也不斷跳回晶粒。 因因12,由反應(yīng)速率理論，由晶粒由反應(yīng)速率理論，由晶粒 跳到晶粒跳到晶粒上的原子數(shù)要多一些，上的原子數(shù)要多一些， 從而引起界面向晶粒從而引起界面向晶粒方向遷移。方向遷移。一、晶粒長大的一般規(guī)律一、晶粒長大的一般規(guī)律12界面界面v界界返回返回設(shè)：晶界的遷移速率設(shè)：晶界的遷移速率 F界界 界面遷移的驅(qū)動力界面遷移的驅(qū)動力 B 單位驅(qū)動力下的界單位驅(qū)動力下的界 面遷移速率面遷移速率BFv界界界界)/exp(RTQAB dxdFF原原界界Bvv

32、原子原子界界界面寬度界面寬度12界面界面v界界返回返回 由于界面彎曲，將造成晶粒由于界面彎曲，將造成晶粒產(chǎn)生附加壓力產(chǎn)生附加壓力P。 柱形：柱形： P 、晶粒水靜壓差晶粒水靜壓差 2 2、驅(qū)動力、驅(qū)動力（由界面曲率半徑大小決定）（由界面曲率半徑大小決定）ddrlPdl)2sin(22)2sin(ddrP/rl2dPrd則：則：返回返回 當(dāng)界面為球面時當(dāng)界面為球面時 由熱力學(xué)：由熱力學(xué)： 兩晶?；瘜W(xué)位之差：兩晶?；瘜W(xué)位之差： , )( _dPVdVPTrP/2)( 2)( _球形球形rVPPV返回返回 結(jié)論：結(jié)論： 1/r 對晶粒對晶粒而言：而言： 向外凸向外凸r為正，晶粒為正，晶?；瘜W(xué)位高于晶

33、?；瘜W(xué)位高于晶粒 向外凹向外凹r為負(fù)，晶粒為負(fù)，晶?；瘜W(xué)位低于晶粒化學(xué)位低于晶粒 遷動方向：遷動方向： 曲率中心方向，與再結(jié)晶核心長大相反曲率中心方向，與再結(jié)晶核心長大相反 。 2)( _rVPPV 返回返回在二維截面上，任意三晶粒相交，由于在二維截面上，任意三晶粒相交，由于 大角度晶界的界面能與晶粒的取向無關(guān)，大角度晶界的界面能與晶粒的取向無關(guān)， 平衡時有：平衡時有：1 12 23 3120120， 形貌如下圖形貌如下圖b，六邊形。，六邊形。對于大晶粒，通常與許多小晶粒相鄰，表現(xiàn)為具有較多的邊，圖對于大晶粒，通常與許多小晶粒相鄰，表現(xiàn)為具有較多的邊，圖c。對于小晶粒，對于小晶粒， 則邊較少，

34、圖則邊較少，圖a。3123 3、晶粒長大趨勢、晶粒長大趨勢AB BC AC ABC120abc120ACBCAB 返回返回 為了保持三叉界角度為為了保持三叉界角度為120120, ,大晶粒邊向外凹，小晶大晶粒邊向外凹，小晶粒向外凸，于是大晶粒有向外擴(kuò)張的趨勢，而小晶粒粒向外凸，于是大晶粒有向外擴(kuò)張的趨勢，而小晶粒有被吞并的可能，表現(xiàn)為大吃小。有被吞并的可能，表現(xiàn)為大吃小。 所以平衡組織通常具有六邊形所以平衡組織通常具有六邊形120120的大致規(guī)律。的大致規(guī)律。返回返回二、再結(jié)晶晶粒正常長大及其影響因素二、再結(jié)晶晶粒正常長大及其影響因素 1 1、正常、正常長大長大 （在一定（在一定T下退火，晶粒

35、平均半徑下退火，晶粒平均半徑 t 的關(guān)系）的關(guān)系）D rVBBFB v_)2(界界tKDDt202t_D 0 _Dt 拋物線規(guī)律拋物線規(guī)律得：得：為為t = 0時刻（再結(jié)晶完成時算）晶粒大小。時刻（再結(jié)晶完成時算）晶粒大小。 0DDD VBKKdtd _)2( 1 DDtDDK dtdt_0 0DDr dtdv 而而界界Q返回返回2 2、影響因素、影響因素tKDDt202lnKT1tDDt202ln討論：討論：a. T的影響的影響t的影響，的影響，T，b. 根據(jù)：根據(jù)： 可求得可求得Q界界晶界遷移的激活能晶界遷移的激活能RTQKDD _t_界界lntln 202_DRQ界界斜率斜率 溫度溫度V

36、BK _2注意到：注意到：）其中其中界界RTQAB /exp ( 代入代入）界界 /exp ( RTQKK /exp(D202）得：得：界界RTQtKD t返回返回 微量元素微量元素 降低表面能降低表面能， 阻礙界面遷移，阻礙界面遷移， 阻止晶粒長大。阻止晶粒長大。 rV_2返回返回 第二相質(zhì)點第二相質(zhì)點 如圖：阻止界面遷移，如圖：阻止界面遷移，v界界。frD34*折合成體積分?jǐn)?shù)折合成體積分?jǐn)?shù) f2333432341rnrnrn fsvv晶界單位面積上有晶界單位面積上有ns個質(zhì)點個質(zhì)點返回返回 晶粒間位向差晶粒間位向差 ，界面能，界面能，長大驅(qū)動力長大驅(qū)動力 ，遷移率越高。遷移率越高。 大角度

37、晶界遷移率高，大角度晶界遷移率高，小角度晶界遷移率較低。小角度晶界遷移率較低。rv_2雙晶鉛雙晶鉛 的關(guān)系的關(guān)系 與與G返回返回 表面熱蝕溝表面熱蝕溝如圖，薄板材料高溫加熱時，為達(dá)到表面張力平衡，形成熱蝕溝，如圖，薄板材料高溫加熱時，為達(dá)到表面張力平衡，形成熱蝕溝，晶界遷動，界面面積增加，因此熱蝕溝對界面的遷移起阻礙作用。晶界遷動，界面面積增加，因此熱蝕溝對界面的遷移起阻礙作用。當(dāng)界面遷移驅(qū)動力與熱蝕溝阻力平衡時，當(dāng)界面遷移驅(qū)動力與熱蝕溝阻力平衡時， 晶粒長大停止，其極限半徑為：晶粒長大停止，其極限半徑為： 其中：其中：a 板厚，板厚， 表面張力，表面張力， 界面張力界面張力sb表面表面bsa

38、D*sb返回返回三、再結(jié)晶后的異常長大三、再結(jié)晶后的異常長大 個別晶粒急劇長大，并逐漸吞并其周圍的小晶粒，個別晶粒急劇長大，并逐漸吞并其周圍的小晶粒，最后使整個金屬中的晶粒變得非常粗大的現(xiàn)象。最后使整個金屬中的晶粒變得非常粗大的現(xiàn)象。返回返回 發(fā)生條件：發(fā)生條件： 有第二相粒子阻礙晶粒長大時，個別地方阻礙因素一旦有第二相粒子阻礙晶粒長大時，個別地方阻礙因素一旦 消失，晶粒迅速長大。消失，晶粒迅速長大。如圖：如圖：Fe3%Si合金含合金含MnS雜質(zhì)時，在雜質(zhì)時，在930出現(xiàn)晶粒出現(xiàn)晶粒突然長大突然長大50倍。倍。1. 無無MnS的高純金屬的高純金屬2. 含含MnS的合金異常長大的合金異常長大3.

39、 含含MnS的合金正常長大的合金正常長大返回返回 出現(xiàn)明顯織構(gòu)的場合（大變形量）。由于少數(shù)取向出現(xiàn)明顯織構(gòu)的場合（大變形量）。由于少數(shù)取向 很不一致的晶粒與周圍晶粒呈大角界面，遷移率很很不一致的晶粒與周圍晶粒呈大角界面，遷移率很 快，出現(xiàn)二次再結(jié)晶?？?，出現(xiàn)二次再結(jié)晶。 薄板材料，薄板材料， 相鄰晶粒表相鄰晶粒表 面能相差大時，低表面面能相差大時，低表面 能的晶粒異常粗大。能的晶粒異常粗大。211221b返回返回10.10.5 5 再結(jié)晶退火及其組織再結(jié)晶退火及其組織 工業(yè)上利用再結(jié)晶退火，主要有以下三方面的目的：工業(yè)上利用再結(jié)晶退火，主要有以下三方面的目的： 軟化冷變形金屬（中間退火），以便

40、進(jìn)一步加工。軟化冷變形金屬（中間退火），以便進(jìn)一步加工。 采用形變再結(jié)晶細(xì)化晶粒。采用形變再結(jié)晶細(xì)化晶粒。 （尤其是無固態(tài)相變的材料）。（尤其是無固態(tài)相變的材料）。 獲得高密度再結(jié)晶織構(gòu)。獲得高密度再結(jié)晶織構(gòu)。 （如：電解電容器鋁箔，硅鋼片）（如：電解電容器鋁箔，硅鋼片）返回返回1 1、晶粒大小、晶粒大小 再結(jié)晶晶粒大小受諸多因素的控制，但影響最顯著再結(jié)晶晶粒大小受諸多因素的控制，但影響最顯著的是變形量和再結(jié)晶溫度，工業(yè)上常用再結(jié)晶圖來表示。的是變形量和再結(jié)晶溫度，工業(yè)上常用再結(jié)晶圖來表示。 兩個粗晶區(qū)兩個粗晶區(qū)：工業(yè)純鋁的再結(jié)晶圖工業(yè)純鋁的再結(jié)晶圖 變形量很小的臨界變形變形量很小的臨界變形（

41、2 28 8）引起的粗晶。）引起的粗晶。 大變形量經(jīng)高溫退火出大變形量經(jīng)高溫退火出現(xiàn)二次再結(jié)晶引起粗晶?，F(xiàn)二次再結(jié)晶引起粗晶。返回返回2 2、退火孿晶、退火孿晶 f.c.c晶體不易形成形變孿晶，晶體不易形成形變孿晶， 但易于形成退火孿晶。但易于形成退火孿晶。 層錯能低的層錯能低的f.c.c材料如：材料如：CuCu、CuCuAlAl合金、奧氏體合金、奧氏體 不銹鋼等易形成退火孿晶。不銹鋼等易形成退火孿晶。 而而AlAl、NiNi不易形成，原因是它們的孿晶界面能高。不易形成，原因是它們的孿晶界面能高。返回返回3 3、再結(jié)晶織構(gòu)、再結(jié)晶織構(gòu)具有形變織構(gòu)的材料再結(jié)晶時，為了降低界面能，新具有形變織構(gòu)的

42、材料再結(jié)晶時，為了降低界面能，新晶粒與變形晶粒將保持一定的位向關(guān)系，擇優(yōu)形核和晶粒與變形晶粒將保持一定的位向關(guān)系，擇優(yōu)形核和長大，將形變織構(gòu)保留了下來，成為再結(jié)晶織構(gòu)。長大，將形變織構(gòu)保留了下來，成為再結(jié)晶織構(gòu)。點陣類型點陣類型材料類型材料類型再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)絲絲織織構(gòu)構(gòu)f.c.c大多數(shù)（低溫）大多數(shù)（低溫）保持形變織構(gòu)保持形變織構(gòu)111+100111+100Al（高溫）（高溫）Cu（400400）Cu（950950）103103113113100100、112112112112、111111b.c.c保持形變織構(gòu)保持形變織構(gòu)110110h.c.pBe保持形變織構(gòu)保持形變織構(gòu)10 110

43、1Ti、Zr11 011 012返回返回點陣類型點陣類型材料類型材料類型再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)板板織織構(gòu)構(gòu)f.c.cCu,Au,Ni,Al,ThCu-Zn,Cu-AlCu-Cd,Cu-ONi-Mn,Fe-Ni-Mn(100)001Ag,Ag-Au,Ag-Zn(113)2 1b.c.cFe,Ta,VFe-SiMo,W(111)1 1, (001) 11(110)001,(100)001保持形變織構(gòu)保持形變織構(gòu)h.c.pZn,Mg,Be,Ti保持形變織構(gòu)保持形變織構(gòu)221返回返回10.10.6 6 金屬的熱變形金屬的熱變形 除鑄件和燒結(jié)件以外，一般金屬材料或制品均要經(jīng)除鑄件和燒結(jié)件以外，一般金屬材料

44、或制品均要經(jīng) 熱變形成型。熱變形成型。 由于冷變形會引起加工硬化，只有隨后的加熱，通由于冷變形會引起加工硬化，只有隨后的加熱，通 過回復(fù)和再結(jié)晶，才能使之軟化。過回復(fù)和再結(jié)晶，才能使之軟化。 但在熱變形中，硬化和軟化同時發(fā)生，因此加工過但在熱變形中，硬化和軟化同時發(fā)生，因此加工過 程中流變應(yīng)力較小，可以獲得較大的變形。程中流變應(yīng)力較小，可以獲得較大的變形。一、熱變形一、熱變形返回返回 溫度溫度T0.6Tm以上，高應(yīng)變率以上，高應(yīng)變率 0.5 500 S-1下的塑下的塑性變形。性變形。 或：在或：在Tk以上，無加工硬化的溫度下的塑性變形。以上，無加工硬化的溫度下的塑性變形。 注意：冷、熱變形不是

45、簡單的以變形溫度的高低來劃注意：冷、熱變形不是簡單的以變形溫度的高低來劃分的。分的。 例：例：W的最低再結(jié)晶溫度為的最低再結(jié)晶溫度為1200，在，在1000進(jìn)行變進(jìn)行變形仍屬冷變形。形仍屬冷變形。 而而Pb、Sn的再結(jié)晶溫度甚至低于室溫，因此即使的再結(jié)晶溫度甚至低于室溫，因此即使在室溫進(jìn)行變形加工，也屬熱變形。在室溫進(jìn)行變形加工，也屬熱變形。1 1、定義：、定義：返回返回2 2、靜態(tài)、動態(tài)和亞動態(tài)回復(fù)再結(jié)晶、靜態(tài)、動態(tài)和亞動態(tài)回復(fù)再結(jié)晶 冷變形金屬加熱至高溫進(jìn)行的回復(fù)再結(jié)晶稱靜態(tài)的，冷變形金屬加熱至高溫進(jìn)行的回復(fù)再結(jié)晶稱靜態(tài)的，需要一定的孕育期。需要一定的孕育期。 在形變的同時產(chǎn)生的回復(fù)再結(jié)晶

46、稱為動態(tài)的。在形變的同時產(chǎn)生的回復(fù)再結(jié)晶稱為動態(tài)的。 熱變形完成后，由于材料仍處于較高溫度發(fā)生的回復(fù)熱變形完成后，由于材料仍處于較高溫度發(fā)生的回復(fù)再結(jié)晶稱為亞動態(tài)的，它無需孕育期，再結(jié)晶速度較再結(jié)晶稱為亞動態(tài)的，它無需孕育期，再結(jié)晶速度較靜態(tài)快。靜態(tài)快。返回返回1 1、熱變形應(yīng)力應(yīng)變曲線、熱變形應(yīng)力應(yīng)變曲線 金屬材料進(jìn)行熱變形時都不同金屬材料進(jìn)行熱變形時都不同程度的伴有動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)程度的伴有動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖。晶，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖。 實驗結(jié)果：實驗結(jié)果：T， ，。由。由圖可見，一般分為圖可見，一般分為三個階段。三個階段。二、動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶二、動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再

47、結(jié)晶/G550sec1078. 312850sec43. 61850sec1078. 312純鐵熱扭轉(zhuǎn)試驗純鐵熱扭轉(zhuǎn)試驗返回返回 起始階段起始階段 表明有加工硬化，加工硬化表明有加工硬化，加工硬化 系數(shù)系數(shù) 隨變形量的升高微降，隨變形量的升高微降， 最后流變應(yīng)力達(dá)極值。最后流變應(yīng)力達(dá)極值。 頭部形成（分兩種情況）頭部形成（分兩種情況） a. 直接達(dá)穩(wěn)態(tài)直接達(dá)穩(wěn)態(tài) b. 達(dá)極值后，隨變形增加達(dá)極值后，隨變形增加 有所下降有所下降,然后才達(dá)穩(wěn)態(tài)。然后才達(dá)穩(wěn)態(tài)。熱變形的三個階段：熱變形的三個階段：/G550sec1078. 312850sec43. 61850sec1078. 312純鐵熱扭轉(zhuǎn)試驗純鐵熱扭轉(zhuǎn)試驗dd返回返回 流變階段（穩(wěn)態(tài)）流變階段（穩(wěn)態(tài)） 加工硬化率為加工硬化率為0 0，硬化軟化，對熱變形很有意義。，硬化軟化，對熱變形很有意義。 /G550sec1078. 312850sec43. 61850sec1078. 312純鐵熱扭轉(zhuǎn)試驗純鐵熱扭轉(zhuǎn)試驗返回返回三、熱變形對組織和性能的影響三、熱變形對組織