北科大材料考研試題教材

1、第九章第九章 材料的變形與再結晶材料的變形與再結晶2 2 本次課程主要內容：1 冷變形金屬的內應力和儲存能2 冷變形金屬的回復3 冷變形金屬的再結晶4 冷變形金屬再結晶后的晶粒長大5 金屬的熱變形 第七節(jié) 冷變形金屬的內應力和儲存能 一、殘余內應力一、殘余內應力 塑性變形不僅使晶體的外部形狀、內部組織和性能發(fā)生變化，而且由于塑性變形的不均勻性，還使冷變形晶體中產生殘余內應力。 殘余內應力宏觀殘余內應力和微觀殘余內應力兩大類 1、宏觀殘余內應力、宏觀殘余內應力 它是由工件不同部分的宏觀變形不均勻性引起的，故其應力平衡范圍包括整個工件。例如，將金屬棒施以彎曲載荷，則上邊受拉而伸長，下邊受到壓縮；變

2、形超過彈性極限產生了塑性變形時，則外力去除后被伸長的一邊就存在壓應力，短邊為張應力。 第七節(jié) 冷變形金屬的內應力和儲存能 又如，金屬線材經拔絲加工后，由于拔絲模壁的阻力作用，線材的外表面較心部變形少，故表面受拉應力，而心部受壓應力。這類殘余應力所對應的畸變能不大，僅占總儲存能的0.1左右。 第七節(jié) 冷變形金屬的內應力和儲存能 2 微觀殘余應力微觀殘余應力 當對多晶體施加外力時，力軸對各晶粒的取向不同，只有滿足 c的晶粒其滑移系方可啟動（稱軟取向晶粒）。而其相鄰晶?？赡軙蛉∠虿缓线m而無法塑性變形（稱硬取向晶粒）。由于多晶體變形具有協(xié)調性，軟取向晶粒必然會對硬取向晶粒產生附加拉應力，反過來后者對

3、前者產生附加壓應力。這種作用在物體微觀組織間的應力稱微觀殘余內應力。第七節(jié) 冷變形金屬的內應力和儲存能 二二 儲存能儲存能 1、儲存能的構成 冷變形引起點陣畸變，形成大量結構缺陷（空位或位錯），晶體內部殘存著相應的能量。實驗證明，冷變形所消耗的能量的百分之幾到百分之十幾就以各種不同的形式（殘余彈性應變能和結構缺陷能）存在于晶體內部稱為儲存能，以位錯產生的能量為主。極限值幾J/mol到幾十J/mol。第七節(jié) 冷變形金屬的內應力和儲存能 這部分能量提高了變形晶體的能量，使之處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，故它有一種使變形金屬重新恢復到自由焓最低的穩(wěn)定結構狀態(tài)的自發(fā)趨勢，并導致塑性變形金屬在加熱時的回復及再結

4、晶過程。 第七節(jié) 冷變形金屬的內應力和儲存能 2 影響儲存能的因素影響儲存能的因素 （1）儲存能隨形變量的增加而增大，但增速逐漸變緩，最后趨于飽和。 （2）加工溫度越低，形變速度越大，材料的加工硬化率越大，經受相同變形后的儲存能也就越高。 （3）加工方式的應力狀態(tài)越復雜，加工時的摩擦力越大，應力、應變的分布越不均勻，消耗的總能量越高，儲存能也就越大。第七節(jié) 冷變形金屬的內應力和儲存能 （4）金屬的熔點越高，變形越難，經同等程度變形的總消耗功越大，儲存能越高。 （5）固溶體中的溶質因其對變形的阻礙作用而使儲存能增加。 （6）在其他條件相同時，細晶中的儲存能高于粗晶粒。 （7）合金中的彌散第二相對

5、儲存能的影響視第二相的性質而定。若第二相本身可變形，對儲存能的影響不大；若第二相不可變形，儲存能增大第七節(jié) 冷變形金屬的內應力和儲存能第八節(jié) 冷變形金屬的回復前言 回復、再結晶與晶粒長大是冷變形金屬加熱過程中經歷的基本過程。 將冷塑性變形的金屬材料加熱到0.5T熔溫度附近，進行保溫，隨時間的延長。第一階段01，顯微組織無變化，晶粒仍是冷變形后的纖維狀，稱為回復階段。第二階段完全變成新的等軸晶粒，稱為再結晶階段（ 1 2 ）。第三階段稱為晶粒長大階段（ 2 3） 。一、回復過程的特征回復過程的特征所謂回復是指冷變形金屬加熱時，在新的無畸變晶粒出現之前，所產生的亞結構與性能的變化的過程。回復特點回

6、復特點：（1）回復過程中組織不發(fā)生改變，但高溫回復后，電鏡下可觀察到胞狀位錯纏結轉變呈的亞晶。（2）經過回復可完全消除宏觀殘余內應力，但微觀殘余內應力部分存在。（3）回復過程中力學性能變化不大，儲存能釋放較為平緩，說明主要結構缺陷位錯密度變化不大，因此與位錯密度密切相關的強度、硬度變化不大。（4）回復過程對物理性能的影響較大，電阻率的降低和密度的增加說明回復期間點缺陷的濃度有了明顯的降低。二、回復機理 (1)低溫回復低溫回復 冷變形金屬在較低溫度（0.1Tm0.3Tm）加熱時所產生的回復稱為低溫回復。主要涉及點缺陷的運動?？瘴换蜷g隙原子移動到晶界或位錯處消失，空位與間隙原子的相遇復合，空位集結

7、形成空位對或空位片，使點缺陷密度大大下降。 (2)中溫回復中溫回復 冷變形金屬在中溫（0.3Tm0.5Tm）加熱時所產生的回復稱為中溫回復。除繼續(xù)涉及點缺陷的運動外，還與位錯的運動有關。隨溫度升高，原子活動能力增強，位錯可以在滑移面上滑移，使異號位錯相遇對消，位錯密度下降，位錯纏結內部重新排列組合，使亞晶規(guī)整化。 第八節(jié) 冷變形金屬的回復 （3）高溫回復）高溫回復 冷變形金屬在較高溫度（0.5Tm）加熱時所產生的回復稱為高溫回復。主要涉及由位錯攀移所造成的位錯組態(tài)的變化。原子活動能力進一步增強，位錯除滑移外，還可攀移。每組位錯墻均以小角度晶界分割晶粒成為亞晶，這一過程為位錯的多邊形化。為了降低

8、界面能，小角度亞晶界有合并成為大位向差亞晶界的趨勢。第八節(jié) 冷變形金屬的回復三 回復動力學 圖7-5為經拉伸變形的純鐵在不同溫度下加熱時，屈服強度的回復動力學曲線。(1-R)為剩余加工硬化分數，t為退火時間。第八節(jié) 冷變形金屬的回復 冷變形后的金屬加熱到一定溫度之后，在變形基體中，重新生成無畸變的等軸新晶粒的過程叫再結晶。再結晶包括生核與長大兩個基本過程。第九節(jié) 冷變形金屬的再結晶一 再結晶的形核 1. 已存晶界的弓出形核 對于變形程度較?。ㄒ话阈∮?0）的金屬，其再結晶核心多以晶界弓出方式形成，即應變誘導晶界移動或稱為凸出形核機制。 2. 亞晶合并形核 此機制一般是在大的變形度下發(fā)生。借助亞

9、晶作為再結晶的核心，其形核機制又可分為以下兩種： 亞晶合并機制。 亞晶遷移機制。 第九節(jié) 冷變形金屬的再結晶復習 1冷變形金屬的內應力(宏觀和微觀) 2儲存能(殘余彈性應變能和結構缺陷能) 3回復概念 4再結晶概念復習 1、回復過程有何特征？ 回復過程組織不發(fā)生變化，仍保持變形狀態(tài)伸長的晶粒。 回復過程使變形引起的宏觀（一類）應力全部消除，微觀（二類）應力部分消除。 回復過程中一般力學性能變化不大，硬度、強度僅稍有降低，塑性稍有提高，某些物理性能有較大變化，電阻率降低，密度增大。 變形儲能在回復階段部分釋放。復習 2、再結晶過程的特征是什么？（10分） 答：組織發(fā)生變化，由冷變形的伸長晶粒變?yōu)?/p>

10、新的等軸晶粒。 力學性能發(fā)生急劇變化，強度、硬度急劇降低，塑性提高，恢復至變形前的狀態(tài)。 變形儲能在再結晶過程中全部釋放，點陣畸變（三類應力）清除，位錯密度降低。二、再結晶的形核率及長大速率 再結晶的形核率指在單位時間、單位體積內形成的再結晶核心的數目，一般用N表示。長大速率用G表示。 N 和G都受儲存能的驅動，其影響因素主要如下： （1）變形程度的影響）變形程度的影響 隨著冷變形程度的增加，再結晶的形核率和長大速度均成上升趨勢。這是因為儲存能也增多，再結晶的驅動力就越大，因此再結晶溫度越低，同時等溫退火時的再結晶速度也越快。但當變形量增大到一定程度后，再結晶溫度就基本上穩(wěn)定不變了。第九節(jié) 冷

11、變形金屬的再結晶對工業(yè)純金屬，經強烈冷變形后的最低再結晶溫度約為0.3504Tm。另外，發(fā)生再結晶需要一個最小變形量，稱臨界變形量。低于此變形量不能發(fā)生再結晶。 （2）金屬純度）金屬純度 雜質對N和G的影響有著截然不同的兩重性 一方面雜質阻礙變形使儲存能增加，N和G增大； 另一方面，雜質又釘扎晶界，降低界面遷移率，使形核率減小、生長速率減慢。 一般均起細化晶粒的作用。 （3）原始晶粒大小）原始晶粒大小 材料的原始組織晶粒越細小，阻礙變形的能力越強，儲存能越高，從而N和G也就越大。另外，晶粒越細小，晶界面積越多。細晶組織中晶界多，可提供形核的位置也多，N也會相應增大。 （4）溫度）溫度 再結晶溫

12、度越高，位錯的攀移，亞晶界的移動、轉動和聚合都變得容易，因此使N增加。同時溫度越高，晶界遷移率越大，G也就隨之增加。 提高再結晶退火溫度，不僅使再結晶后的晶粒長大，而且還減小臨界變形度的具體值。 四、再結晶溫度及晶粒大小四、再結晶溫度及晶粒大小 1、再結晶溫度 冷變形金屬開始進行再結晶的最低溫度稱為開始再結晶溫度。 一般工程當中所說的再結晶溫度是指完成再結晶的溫度，即在1h內再結晶完成95所對應的溫度 測定方法：金相法，硬度法，公式法（9-32） 經驗公式：Tk=(0.350.45)Tm 常用金屬的再結晶溫度：表9-6 凡影響形核率和長大速率的因素均影響再結晶溫度。公式法：金相法：以新晶粒全部

13、替代變形晶粒為準硬度法：以硬度降低50%所對應的溫度為準 2再結晶晶粒大小 變形度的影響如圖7-14。變形量很小時，儲存能少，不足以發(fā)生再結晶，故退火后晶粒尺寸不變：能發(fā)生再結晶的最小變形度通常在2-8范圍內，此時驅動力小，形核率低，最終能長大的晶粒個數少，再結晶退火后晶粒特別粗大，稱為“臨界變形度”；超過臨界變形度隨變形度增加，儲存能增加。從而使再結晶驅動力增加，導致生核率N與長大率G同時增加，但由于N增加速率大于G，故再結晶后的晶粒得到細化。圖7-14 變形度與晶粒尺寸的關系示意圖 另外，當金屬的原始晶粒細小及有微量溶質原子存在時，G/N的比值均減小，再結晶后可得到細小的晶粒。而再結晶溫度

14、對剛完成再結晶時晶粒尺寸的影響比較弱，這是因為它對G/N比值影響微弱。但提高退火溫度可使再結晶的速度顯著加快，臨界變形度數值變?。ㄒ妶D7-15）若再結晶過程已完成，隨后還有一個晶粒長大階段，很明顯溫度越高晶粒越粗。五 晶粒長大 冷變形金屬在完成再結晶后，繼續(xù)加熱時，會發(fā)生晶粒長大。晶粒長大又可分為正常長大和異常長大（二次再結晶）。 1 晶粒的正常長大 再結晶剛剛完成，得到細小的無畸變等軸晶粒，當升高溫度或延長保溫時間，晶粒仍可繼續(xù)長大，若均勻地連續(xù)生長叫正常長大。 1）晶粒長大的驅動力 晶粒長大的驅動力，從整體上看，是晶粒長大前后總的界面能差。 從個別晶粒長大的微觀過程來說，晶界具有不同的曲率

15、則是造成晶界遷移的直接原因。通常小晶粒凸邊界，大晶粒為凹邊界，存在化學勢差使原子移向大晶粒，晶界移向小晶粒。2）晶粒的穩(wěn)定形貌 實際的二維晶粒如圖7-17所示，較大的晶粒往往是六邊以上。小晶粒凸邊界，大晶粒為凹邊界，存在化學勢差使原子移向大晶粒，晶界移向小晶粒。在三晶粒會聚處，界面交角呈120度才能保證界面張力平衡。因此晶粒長大的穩(wěn)定形態(tài)應該為規(guī)則的六邊形。3）影響晶粒長大的因素 a 溫度 溫度越高晶粒長大速度越快。一定溫度下，晶粒長到極限尺寸后就不再長大，但提高溫度后晶粒將繼續(xù)長大。 b 雜質與合金元素 雜質及合金元素滲入基體后能阻礙晶界運動?？墒咕ЯｉL大受到抑制。 c 第二相質點 彌散分布

16、的第二相粒子阻礙晶界的移動，也可使晶粒長大受到抑制。一般，第二相粒子尺寸越小，體積分數越大，再結晶晶粒就越細小。粗略估計，若第二相粒子為球形，半徑為r，體積分數為f，則再結晶晶粒尺寸R=4r/3f 2 晶粒的異常長大 異常晶粒長大又稱不連續(xù)晶粒長大或二次再結晶，是一種特殊的晶粒長大現象。 發(fā)生異常長大的條件是，正常晶粒長大過程被分散相粒子，織構或表面熱蝕溝等強烈阻礙，能夠長大的晶粒數目較少，致使晶粒大小相差懸殊。晶粒尺寸差別越大，大晶粒吞食小晶粒的條件越有利，大晶粒的長大速度也會越來越快，最后形成晶粒大小極不均勻的組織，如圖7-21(c)。二次再結晶形成非常粗大的晶粒及非常不均勻的組織，從而降

17、低了材料的強度與塑性。因此在制定冷變形材料再結晶退火工藝時。應注意避免發(fā)生二次再結晶 。 三、熱加工與冷加工的應用三、熱加工與冷加工的應用 熱加工優(yōu)點熱加工優(yōu)點：改善組織：改善組織 塑性好，變形抗力??；塑性好，變形抗力??； 缺缺 陷陷：表面易氧化、粗糙、尺寸精度低、：表面易氧化、粗糙、尺寸精度低、 應應 用用: （1）室溫下硬度、脆性較大的金屬；室溫下硬度、脆性較大的金屬； （2）截面尺寸大、精度低、變形量大；）截面尺寸大、精度低、變形量大； 冷加工冷加工：（1）用于）用于塑性好的金屬；塑性好的金屬； （2）截面小，精度與表面質量要求高；）截面小，精度與表面質量要求高；第十節(jié) 金屬的熱變形 熱變形或熱加工指金屬材料在再結晶溫度以上的加工變形。工業(yè)生產中，高溫進行的鍛造，軋制等壓力加工屬熱加工。熱加工過程中，在金屬內部同時進行著加工硬化與回復再結晶軟化兩個相反的過程。1動態(tài)回復 動態(tài)回復主要發(fā)生在層錯能高的金屬材料的熱變形過程中，動