材料科學(xué)基礎(chǔ)回復(fù)再結(jié)晶

材料科學(xué)基礎(chǔ)回復(fù)再結(jié)晶第1頁/共76頁§1變形金屬加熱時(shí)組織性能變化的特點(diǎn)

儲能是促使冷變形金屬發(fā)生變化的驅(qū)動(dòng)力。觀察冷變形金屬加熱時(shí)的變化，從儲能釋放及組織結(jié)構(gòu)和性能的變化來分析，可分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個(gè)階段。第2頁/共76頁一、變形金屬加熱時(shí)顯微組織的變化第3頁/共76頁第4頁/共76頁二、變形金屬加熱時(shí)儲能的釋放A:純金屬B：不純的金屬C：合金第5頁/共76頁三、變形金屬加熱時(shí)性能的變化第6頁/共76頁§2回復(fù)一、回復(fù)動(dòng)力學(xué)1．回復(fù)動(dòng)力學(xué)曲線第7頁/共76頁回復(fù)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：（1）回復(fù)過程沒有孕育期，隨著退火的開始進(jìn)行,發(fā)生軟化。（2）在一定溫度下，初期的回復(fù)速率很大，以后逐漸變慢，直到最后回復(fù)速率為零。（3）每一溫度的回復(fù)程度有一極限值，退火溫度越高，這個(gè)極限值也越高,而達(dá)到此極限所需時(shí)間則越短（4）回復(fù)不能使金屬性能恢復(fù)到冷變形前的水平。第8頁/共76頁2．回復(fù)動(dòng)力學(xué)方程設(shè)P為冷變形后在回復(fù)階段發(fā)生變化的某種性能，如臨界切應(yīng)力，P0為變形前該性能的值，ΔP=P-P0為加工硬化造成的該性能的增量，與晶體中晶體缺陷的體積濃度CP成正比。

P-P0=ΔP=KCP

（1）將（1）式對時(shí)間t求導(dǎo)，得出CP與P隨時(shí)間的變化率為：

(2)

缺陷的變化是一個(gè)熱激活的過程，設(shè)激活能為Q，仿照化學(xué)動(dòng)力學(xué)的方法，對一級反應(yīng)，反應(yīng)速度與濃度的一次方成比例則（2）式變?yōu)椋簩ⅲ?）式代入：第9頁/共76頁

（3）積分得：（4）由（4）式得出：回復(fù)階段性能隨時(shí)間而衰減，服從指數(shù)規(guī)律。

如果采用兩個(gè)不同的溫度將同一冷變形金屬的性能回復(fù)到同樣的程度，則第10頁/共76頁回復(fù)動(dòng)力學(xué)方程例：已知鋅單晶的回復(fù)激活能Q=20000cal/mol，在0℃回復(fù)到殘留75%的加工硬化需5min，請問在27℃和-50℃回復(fù)到同樣程度需多長時(shí)間？解：（min）

min≈13（天）測量出幾個(gè)不同溫度下回復(fù)到相同P值所需的時(shí)間，利用（4）式并取對數(shù)，得到：從關(guān)系可求出激活能，利用Q以推斷可能的回復(fù)機(jī)制。第11頁/共76頁二、回復(fù)機(jī)制一般認(rèn)為是點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)在退火過程中發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而改變了它們的組態(tài)和分布。

1.低溫回復(fù)：回復(fù)的機(jī)制主要是過剩空位的消失，趨向于平衡空位濃度。

2.中溫回復(fù)：其主要機(jī)制是位錯(cuò)滑移導(dǎo)致位錯(cuò)重新組合；異號位錯(cuò)會(huì)聚而互相抵消以及亞晶粒長大。

3.高溫回復(fù)：回復(fù)機(jī)制是包括攀移在內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和多邊化，以及亞晶粒合并。

第12頁/共76頁第13頁/共76頁第14頁/共76頁第15頁/共76頁三、回復(fù)退火的應(yīng)用

主要用作去應(yīng)力退火，使冷加工金屬在基本上保持加工硬化的狀態(tài)下降低其內(nèi)應(yīng)力，以穩(wěn)定和改善性能，減少變形和開裂，提高耐蝕性。第16頁/共76頁§3再結(jié)晶

冷變形后的金屬加熱到一定溫度后，在原來的變形組織中產(chǎn)生無畸變的新晶粒，而且性能恢復(fù)到變形以前的完全軟化狀態(tài)，這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。其驅(qū)動(dòng)力為冷變形時(shí)所產(chǎn)生的儲能。第17頁/共76頁第18頁/共76頁第19頁/共76頁一、再結(jié)晶的形核與長大1．形核1).亞晶粒粗化的形核機(jī)制一般發(fā)生在冷變形度大時(shí)

A.亞晶合并形核，適于高層錯(cuò)能金屬。第20頁/共76頁再結(jié)晶的形核亞晶粒粗化的形核之----

B.亞晶粒長大形核

適于低層錯(cuò)能金屬，通過亞晶合并和亞晶長大，使亞晶界與基體間的取向差增大，直至形成大角度晶界，便成為再結(jié)晶的核心

第21頁/共76頁再結(jié)晶的形核----（2）原有晶界弓出的形核機(jī)制一般發(fā)生在形變較小的金屬中，變形不均勻，位錯(cuò)密度不同第22頁/共76頁2．再結(jié)晶的長大

形核之后，無畸變核心與周圍畸變的舊晶粒之間的應(yīng)變能差是核心長大的驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)各個(gè)新晶粒彼此接觸，原來變形的舊晶粒全部消失時(shí)，再結(jié)晶過程即告完成。第23頁/共76頁二、再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)1．恒溫動(dòng)力學(xué)曲線

冷軋60%的含Si3.25鋼的等溫再結(jié)晶曲線第24頁/共76頁再結(jié)晶恒溫動(dòng)力學(xué)曲線特點(diǎn)（1）具有S形特征，存在孕育期（2）再結(jié)晶速率開始時(shí)很小，然后逐漸加快，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)約為0.5時(shí)，速度達(dá)到最大值，隨后逐漸減慢（3）溫度越高，轉(zhuǎn)變速度越快。第25頁/共76頁再結(jié)晶恒溫動(dòng)力學(xué)方程2．Johnson-Mehl（約翰遜—梅厄）方程Φ=1-exp（-πG3N’

4/3）Φ：已再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)N’：形核速度G：長大速度τ:退火保溫時(shí)間3．Avrami（阿弗瑞米）方程：Φ=1-exp（-ktn）

Φ

：已再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)k,n：系數(shù)t：退火保溫時(shí)間

阿弗瑞米方程較約翰遜—梅厄方程更為適用。

第26頁/共76頁三、影響再結(jié)晶速率與再結(jié)晶溫度的主要因素

通常把再結(jié)晶溫度定義為經(jīng)過嚴(yán)重冷變形的金屬（ε>70%），加熱1小時(shí)，再結(jié)晶體積占到總體積的95%的溫度。另外，有的文獻(xiàn)把保溫30-60min，開始發(fā)生再結(jié)晶或完成50%再結(jié)晶的溫度定義為再結(jié)晶溫度，因此，引用再結(jié)晶溫度時(shí)，必須注意它的具體條件。對于工業(yè)純金屬，其起始再結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)之間存在下列關(guān)系：

T再=（0.3-0.4）T熔1．退火溫度影響形核和長大

N’=N0exp（-QN/RT），G=G0exp（-QG/RT）N0、G0：常數(shù)QN、QG：形核激活能和長大激活能升高退火溫度，將顯著提高形核率和G，再結(jié)晶速度加快。

第27頁/共76頁影響再結(jié)晶速率與再結(jié)晶溫度的主要因素之2．變形程度：變形程度增高，再結(jié)晶速度加快，再結(jié)晶溫度降低，并逐步趨于一穩(wěn)定值。例1：純Zr當(dāng)面積縮減13%時(shí)，557℃完成等溫再結(jié)晶需40h

當(dāng)面積縮減51%時(shí)，557℃完成等溫再結(jié)晶需16h：例2第28頁/共76頁影響再結(jié)晶速率與再結(jié)晶溫度的主要因素之3．微量溶質(zhì)原子或雜質(zhì)：微量溶質(zhì)原子或雜質(zhì)提高金屬的再結(jié)晶溫度，降低再結(jié)晶速度

材料50%再結(jié)晶的溫度（℃）備注光譜純銅140Cu的原子半徑為1.28?光譜純銅加入0.01%Ag205Ag的原子半徑為1.44?光譜純銅加入0.01%Cd305Cd原子半徑為1.52?第29頁/共76頁影響再結(jié)晶速率與再結(jié)晶溫度的主要因素之4．第二相：第二相可能促進(jìn)，也可能阻礙再結(jié)晶，主要取決于基體上第二相粒子的大小及其分布。設(shè)粒子間距為λ，粒子直徑為di：

λ≥1μm，di≥0.3μm第二相粒子降低再結(jié)晶溫度，提高再結(jié)晶速度

λ<1μm，di≤0.3μm第二相粒子提高再結(jié)晶溫度，降低再結(jié)晶速度合金λ（μm）di對再結(jié)晶的影響Cu+B4C52μm促進(jìn)Cu+Al2O32.5300?阻礙Cu+Co+SiO20.5-1.0μm800?阻礙第30頁/共76頁影響再結(jié)晶速率與再結(jié)晶溫度的主要因素之5．原始晶粒

原始晶粒細(xì)小使再結(jié)晶速度增加，再結(jié)晶溫度降低。6．加熱速度

極快的加熱或加熱速度過于緩慢時(shí)，再結(jié)晶速度降低，再結(jié)晶溫度上升。7．加熱時(shí)間

在一定范圍內(nèi)延長加熱時(shí)間會(huì)降低再結(jié)晶溫度例：純Al的加熱時(shí)間與再結(jié)晶溫度的關(guān)系：加熱時(shí)間14天40小時(shí)6小時(shí)1分鐘5秒T再℃254060100150第31頁/共76頁四、再結(jié)晶后晶粒大小的控制再結(jié)晶后晶粒尺寸d與G和之間存在下列關(guān)系：d=常數(shù)×（G/N’）1/4）上式表明：增大形核率或減小長大速率G可以得到細(xì)的再結(jié)晶晶粒

1．變形程度對應(yīng)于再結(jié)晶后得到特別粗大晶粒的變形程度稱為“臨界變形度”，一般為2-10%，當(dāng)變形量超過臨界變形度以后，隨變形度增加，再結(jié)晶晶粒變細(xì)。第32頁/共76頁

第33頁/共76頁四、再結(jié)晶后晶粒大小的控制之2．原始晶粒大小原始晶粒越細(xì)，再結(jié)晶后晶粒越細(xì)。

第34頁/共76頁

四、再結(jié)晶后晶粒大小的控制之---3．退火溫度

當(dāng)變形程度和保溫時(shí)間一定時(shí)，退火溫度越高，所得到的晶粒越粗大。

如圖，H68合金隨終軋溫度由a至d的的提高，再結(jié)晶晶粒越大

第35頁/共76頁第36頁/共76頁

四、再結(jié)晶后晶粒大小的控制之4.加熱速度

加熱速度很慢將使晶粒粗化

5．合金元素及第二相

在其他條件相同的情況下，凡延緩再結(jié)晶及阻礙晶粒長大的合金元素或雜質(zhì)均使金屬再結(jié)晶后得到細(xì)晶粒組織。第37頁/共76頁五、再結(jié)晶全圖

將變形程度、退火溫度與再結(jié)晶后晶粒大小的關(guān)系（保溫時(shí)間一定）表示在一個(gè)立體圖上，就構(gòu)成了“再結(jié)晶全圖”。

第38頁/共76頁第39頁/共76頁六、再結(jié)晶織構(gòu)1．定義：冷變形金屬在再結(jié)晶過程中形成的織構(gòu)。第40頁/共76頁六、再結(jié)晶織構(gòu)對性能的影響第41頁/共76頁六、再結(jié)晶織構(gòu)---2．形成理論定向生長理論---取向有利的晶核，其晶界可獲得最快的移動(dòng)速率，（FCC中，兩個(gè)晶粒最佳取向差為30°~40°時(shí)，晶界的移動(dòng)速率最快，如圖），較合理定向成核理論---再結(jié)晶有形核過程，母體有織構(gòu)，再結(jié)晶后的晶體也會(huì)形成新的織構(gòu)。第42頁/共76頁七、退火孿晶。面心立方金屬和合金（如銅、黃銅、不銹鋼等）經(jīng)加工及再結(jié)晶退火后，經(jīng)常在再結(jié)晶退火組織中發(fā)現(xiàn)孿晶。

。退火孿晶是由于新晶粒界面在推進(jìn)過程中由于某些原因（如熱應(yīng)力等）而出現(xiàn)堆垛層錯(cuò)而造成的。

{111}面ABCABCBACBACBABCABCABC

孿晶帶

第43頁/共76頁七、退火孿晶退火孿晶的形成與層錯(cuò)能有關(guān)。Cu和奧氏體鋼的層錯(cuò)能低，易形成孿晶。第44頁/共76頁§4晶粒長大

晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力是晶界能的下降,即長大前后的界面能差值。一、晶粒的正常長大

1.定義：指晶體中有許多晶粒獲得長大條件，晶粒的長大是連續(xù)地，均勻地進(jìn)行，晶粒長大過程中晶粒的尺寸是比較均勻的，晶粒平均尺寸的增大也是連續(xù)的。2.晶粒長大的方式（1）彎曲的晶界總是趨向于平直化，即向曲率中心移動(dòng)以減少界面積，同時(shí)，大角度晶界的遷移率總是大于小角度晶界的遷移率。當(dāng)晶界為三維空間的任意曲面時(shí)，作用在單位界面上的力P為：P=σ（1/R1+1/R2）

第45頁/共76頁晶粒長大---晶粒長大的方式P：晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力，σ：晶界單位面積的界面能

R1、R2：曲面的兩個(gè)主曲率半徑如果空間曲面為球面時(shí)，R1=R2P=2σ/R，即：晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力與其曲率半徑R成反比，與界面能成正比。第46頁/共76頁晶粒長大---晶粒長大的方式（2）晶界總是向角度較銳的晶粒方向移動(dòng)，力圖使三個(gè)夾角都等于120o。

當(dāng)界面張力平衡時(shí)：因?yàn)榇蠼嵌染Ы鏣A=TB=TC，而A+B+C=360o∴A=B=C=120o第47頁/共76頁晶粒長大---晶粒長大的方式（3）在二維坐標(biāo)中，晶界邊數(shù)少于6的晶粒，其晶界向外凸出，必然逐漸縮小，甚至消失，而邊數(shù)大于6的晶粒，晶界向內(nèi)凹進(jìn)，逐漸長大，當(dāng)晶粒的邊數(shù)為6時(shí)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。在三維坐標(biāo)中，晶粒長大最后穩(wěn)定的形狀是正十四面體。第48頁/共76頁晶粒長大---3．影響晶粒長大（即晶界遷移率）的因素（1）溫度溫度越高，晶粒長大速度越快，晶粒越粗大

G=G0exp（-QG/RT）G：晶界遷移速度G0：常數(shù)QG：晶界遷移的激活能（2）第二相晶粒長大的極限半徑R=kr/fK：常數(shù)r：第二相質(zhì)點(diǎn)半徑f：第二相的體積分?jǐn)?shù)∴第二相質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量越多，顆粒越小，則阻礙晶粒長大的能力越強(qiáng)。（3）可溶解的雜質(zhì)或合金元素阻礙晶界遷移，特別是晶界偏聚現(xiàn)象顯著的元素，其阻礙作用更大。但當(dāng)溫度很高時(shí)，晶界偏聚可能消失，其阻礙作用減弱甚至消失。

第49頁/共76頁晶粒長大---晶粒長大極限半徑公式的推導(dǎo)設(shè)第二相顆粒為球形，對晶界的阻力為F，與驅(qū)動(dòng)力平衡F=σ.2πrcosφcos（90°-β）=2πrσcosφcos（α-φ）(1)α角只取決于第二相顆粒與晶粒間的表面張力，可看作恒定值，F(xiàn)，σ的分量第50頁/共76頁晶粒長大極限半徑公式的推導(dǎo)-----現(xiàn)將（1）式對φ求極大值，令dF/dφ=0，可得：

Fmax=πrσ（1+cosα）（2）假設(shè)在單位面積的晶界面上有NS個(gè)第二相顆粒，其半徑都為r，則總阻力

F總=NSπrσ（1+cosα）（3）設(shè)單位體積中有NV個(gè)質(zhì)點(diǎn)，其體積分?jǐn)?shù)為f，f=（4π/3）r3NV/1=（4π/3）r3NV故，

NV

=3f/（4πr3

）（4）第51頁/共76頁晶粒長大極限半徑公式的推導(dǎo)-----

取單位晶界面積兩側(cè)厚度皆為r的正方體，所有中心位于這個(gè)1×1×2r體積內(nèi)半徑為r的第二相顆粒，都將與這部分晶界交截，單位面積晶界將與1×1×2r×NV個(gè)晶粒交截?！郚S=2rNV（5）將（4）、（5）式代入（3）式，有

F總=[3fσ（1+cosα）]/（2r）（6）這個(gè)總阻力與晶界驅(qū)動(dòng)力2σ/R平衡∴2σ/R=[3fσ（1+cosα）]/（2r）整理得：R=（4r/3f）（1+1/cosα）（7）

α可看作常數(shù)，令K=1+1/cosα（8）

∴R=Kr/f第52頁/共76頁二、晶粒的異常長大（二次再結(jié)晶）

1.定義：將再結(jié)晶完成后的金屬繼續(xù)加熱至某一溫度以上，或更長時(shí)間的保溫，會(huì)有少數(shù)晶粒優(yōu)先長大，成為特別粗大的晶粒，而其周圍較細(xì)的晶粒則逐漸被吞食掉，整個(gè)金屬由少數(shù)比再結(jié)晶后晶粒要大幾十倍甚至幾百倍的特大晶粒組成。

第53頁/共76頁二、晶粒的異常長大（二次再結(jié)晶）2.驅(qū)動(dòng)力：同正常晶粒長大一樣，是長大前后的界面能差3.產(chǎn)生條件：正常晶粒長大過程被彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)或雜質(zhì)、織構(gòu)等所強(qiáng)烈阻礙。4.對性能的影響：得到粗大組織，降低材料的室溫機(jī)械性能，大多數(shù)情況下應(yīng)當(dāng)避免。第54頁/共76頁§5金屬的熱加工

將金屬或合金加熱至再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的壓力加工稱為熱加工。熱加工時(shí)，硬化過程與軟化過程是同時(shí)進(jìn)行的，按其特征不同，可分為下述五種形式：

(1)動(dòng)態(tài)回復(fù)

(2)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

（1）、（2）是在溫度和負(fù)荷聯(lián)合作用下發(fā)生的。

(3)亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

(4)靜態(tài)再結(jié)晶

(5)靜態(tài)回復(fù)

（3）、（4）、（5）是在變形停止之后，即在無負(fù)荷作用下發(fā)生的。第55頁/共76頁一、動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶1．動(dòng)態(tài)回復(fù)（1）真應(yīng)力——真應(yīng)變曲線

I．微應(yīng)變階段

II．動(dòng)態(tài)回復(fù)的初始階段

III．穩(wěn)態(tài)變形階段第56頁/共76頁動(dòng)態(tài)回復(fù)---（2）組織結(jié)構(gòu)的變化熱加工后的晶粒沿變形方向伸長，同時(shí)，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)所形成的等軸亞晶粒。亞晶尺寸與穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力成反比，并隨變形溫度升高和變形速度降低而增大。第57頁/共76頁動(dòng)態(tài)回復(fù)---(3）動(dòng)態(tài)回復(fù)的機(jī)制是位錯(cuò)的攀移和交滑移，攀移在動(dòng)態(tài)回復(fù)中起主要的作用。層錯(cuò)能的高低是決定動(dòng)態(tài)回復(fù)進(jìn)行充分與否的關(guān)鍵因素。動(dòng)態(tài)回復(fù)易在層錯(cuò)能高的金屬，如鋁及鋁合金中發(fā)生。第58頁/共76頁2．動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（1）真應(yīng)力——真應(yīng)變曲線I．加工硬化階段（0<ε<εc)II．動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的初始階段（εc≤ε<εs）

III．穩(wěn)態(tài)流變階段（ε≥εs）第59頁/共76頁

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶---（2）組織結(jié)構(gòu)的變化:

晶粒是等軸的，大小不均勻，晶界呈鋸齒狀，等軸晶內(nèi)存在被纏結(jié)位錯(cuò)所分割成的亞晶粒。

第60頁/共76頁動(dòng)態(tài)再結(jié)晶---

（3）層錯(cuò)能較低的金屬，如銅及銅合金，熱加工過程中發(fā)生的軟化過程主要來自動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。現(xiàn)存的晶界往往是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的主要形核之處。形變溫度越高，應(yīng)變速率越小，應(yīng)變量越大，越有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒大小d主要決定于熱變形時(shí)的流變應(yīng)力σ。

σ∝d-nn：常數(shù)0.1~0.5第61頁/共76頁動(dòng)態(tài)再結(jié)晶---影響因素第62頁/共76頁二、熱加工對金屬組織和性能的影響1．消除了某些鑄造缺陷，較鑄態(tài)具有較佳的機(jī)械性能。

鑄造組織成為變形組織第63頁/共76頁二、熱加工對金屬組織和性能的影響-----2．加工流線第64頁/共76頁二、熱加工對金屬組織和性能的影響-----3．帶狀組織第65頁/共76頁二、熱加工對金屬組織和性能的影響-----3．帶狀組織第66頁/共76頁二、熱加工對金屬組織和性能的影響-----3．帶狀組織H62帶狀組織第67頁/共76頁二、熱加工對金屬組織和性能的影響-----4．顯微組織的細(xì)化

通過動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后，在晶粒內(nèi)部都形成了亞晶粒，具有這種亞組織的材料，其強(qiáng)度、韌性提高，稱為亞組織強(qiáng)化，其屈服強(qiáng)度與亞晶尺寸ds之間滿足Hall-petch公式：

σ

y=

σ0