凝固、結(jié)晶和回復(fù)、再結(jié)晶

1、凝固、結(jié)晶和回復(fù)、再結(jié)晶,材料人考研清華輔導(dǎo),崔彥發(fā)、張曉陽(yáng),凝固與結(jié)晶,崔彥發(fā) 2016-6-18,1,1.1 復(fù)習(xí)提要,一些基本的概念容易混淆——多理解，找到其中的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)比如微觀長(zhǎng)大方式，微觀結(jié)構(gòu)，宏觀長(zhǎng)大方式等等可以出的題型比較多——多理解，要會(huì)推算公式計(jì)算可以有均勻形核與非均勻形核、平衡凝固、成分過(guò)冷等簡(jiǎn)答可以有偏析、鑄錠組織和凝固方法觀察和總結(jié)，多前后聯(lián)系比如涉及形核長(zhǎng)大的可以就會(huì)有結(jié)晶、再結(jié)晶、固態(tài)相

2、變等，形核功、長(zhǎng)大速率、臨界形核半徑；比如涉及到溫度與數(shù)目/速率關(guān)系的考慮到阿倫尼烏斯公式比如固溶體長(zhǎng)大和擴(kuò)散,1.2金屬結(jié)晶,定義凝固：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過(guò)程結(jié)晶：物質(zhì)從液態(tài)（溶液或熔融狀態(tài)）或氣態(tài)形成晶體。本質(zhì)物質(zhì)中的原子由近程有序排列向遠(yuǎn)程有序排列的過(guò)程。結(jié)晶過(guò)程晶體形核 → 晶體長(zhǎng)大,1.2.1金屬結(jié)晶-形核,形核的條件必要條件：過(guò)冷度大于零（ ΔT = Tm – Tn > 0 ），即實(shí)際

3、結(jié)晶熱力學(xué)溫度<理論結(jié)晶熱力學(xué)溫度充要條件：過(guò)冷；結(jié)構(gòu)起伏，能量起伏形核的驅(qū)動(dòng)力和阻礙力驅(qū)動(dòng)：?jiǎn)挝惑w積液、固兩相的吉布斯自由能差：△Gv·V 阻礙：形成固態(tài)產(chǎn)生新相的界面能：△A·γ,ps 聯(lián)想：固態(tài)燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力？回復(fù)再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力？,均勻形核+球核,物質(zhì)狀態(tài)總是趨于局部能量最低的形式，在臨界半徑＜r*，將自發(fā)溶解；只有＞r*才能穩(wěn)定長(zhǎng)大,1.2.1金屬結(jié)晶-形核,非均勻形核+球缺,觀察可得，增加了

4、SL界面、SM界面，但減少了LM界面。,1.2.1金屬結(jié)晶-形核,1.2.1金屬結(jié)晶-長(zhǎng)大,宏觀長(zhǎng)大方式液固界面所具有的形態(tài),決定因素：溫度梯度正溫度梯度，過(guò)冷越來(lái)越小生長(zhǎng)越來(lái)越慢，快的收到抑制，最終成為平面負(fù)溫度梯度，過(guò)冷越來(lái)越大，生成越來(lái)越開(kāi)，形成樹(shù)枝狀,微觀長(zhǎng)大方式原子進(jìn)入晶核表面的方式,決定因素：界面結(jié)構(gòu)1、粗糙界面——界面微觀上有一半位置空位，因此可以接受原子生長(zhǎng)，這種方式叫連續(xù)長(zhǎng)大3、光滑界面——空位極少，無(wú)

5、法連續(xù)長(zhǎng)大，只能以均勻形核的方式在界面上形成一個(gè)原子層厚度的二維晶核2、光滑界面——空位極少但若存在螺型位錯(cuò)露頭，則沿著此位錯(cuò)頭生長(zhǎng),1.2.1金屬結(jié)晶-長(zhǎng)大,微觀界面結(jié)構(gòu)-粗糙：金屬型,,微觀界面結(jié)構(gòu)-光滑：有機(jī)型,,1.3單相固溶體,1.3.1單相固溶體平衡凝固,條件假定：無(wú)限、慢冷、固相充分?jǐn)U散、液相充分混合；相圖中液相線/固相線簡(jiǎn)化為直線。平衡分配系數(shù)：凝固時(shí)，合金重新分配的程度。,1.3.2單相固溶體非平衡凝固,,Sch

6、eil,1.3.2單相固溶體非平衡凝固,當(dāng)界面處的固相增加dfs時(shí)，其排出溶質(zhì)量為△C，相應(yīng)地使剩余液相的濃度升高dcl,概念：固溶體不平衡凝固時(shí)，由于液-固界面前沿液相中溶質(zhì)原子的富集，即使在正的實(shí)際溫度梯度下，這部分液體中實(shí)際溫度低于理論凝固溫度，從而處于過(guò)冷狀態(tài)的現(xiàn)象本質(zhì)：濃度的不同 → 凝固點(diǎn)溫度不同 → 過(guò)冷條件：第一是固~液界面前沿溶質(zhì)的富集而引起成分再分配第二是固~液界面前方液相的實(shí)際溫度分布，或溫度分布梯度

7、必須達(dá)到一定的值。,1.3.3單相固溶體成分過(guò)冷,1.3.3單相固溶體成分過(guò)冷,計(jì)算固溶體熔點(diǎn)/凝固點(diǎn)是成分的函數(shù)界面實(shí)際溫度是溫度梯度的函數(shù)Tx＜TL即出現(xiàn)成分過(guò)冷，近似計(jì)算，成分過(guò)冷對(duì)形貌的影響無(wú)成分過(guò)冷時(shí)，界面呈平直狀；較小成分過(guò)冷時(shí)，界面呈胞狀；較大成分過(guò)冷時(shí)，界面呈樹(shù)枝狀,1：表面細(xì)晶區(qū)2：柱狀晶區(qū)3：中心等軸晶區(qū),1.4鑄錠組織,這是由于溫度較低的模壁有強(qiáng)烈地吸熱和散熱作用，使靠近型壁的一薄層液體產(chǎn)生

8、極大地過(guò)冷，加上模壁可以作為非均勻形核的基底，因此在此一薄層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長(zhǎng)。由于晶核數(shù)目很多，在靠近模壁處形成一很細(xì)的薄層等軸晶粒區(qū),,,柱晶區(qū),表面細(xì)晶區(qū),中心等軸晶區(qū),強(qiáng)烈過(guò)冷,過(guò)冷減小，不再形核,中心液體溫度降低，過(guò)冷,在表層細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，一方面模壁的溫度由于被液態(tài)金屬加熱而迅速升高，另一方面由于金屬凝固后的收縮，使細(xì)晶區(qū)和型壁脫離，形成一空氣層，給液態(tài)金屬的繼續(xù)散熱造成困難。此外，細(xì)品區(qū)的形成

9、還釋放出了大量的結(jié)晶潛熱，也使型壁的溫度升離，上述種種原因均使液態(tài)金屬冷卻減慢，溫度梯度變得平緩，這時(shí)開(kāi)始形成柱狀晶區(qū)。,隨存柱狀晶的發(fā)展，經(jīng)過(guò)散熱，鑄錠中心部分的液態(tài)金厲全部降至熔點(diǎn)以下，再加上液態(tài)金屬中雜質(zhì)等因素的作用，滿足了形核對(duì)過(guò)冷度的要求，于是在整個(gè)剩余液體中同時(shí)形核。,1.4鑄錠組織,回復(fù)與再結(jié)晶,張曉陽(yáng) 2016-6-18,2,第十章 回復(fù)與再結(jié)晶,,本章重點(diǎn)：1 回復(fù)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力1.概述：冷變形金屬加熱時(shí)的變化過(guò)

10、程；2.回復(fù)：回復(fù)的特征、機(jī)制；3.再結(jié)晶：再結(jié)晶的特征、機(jī)制；再結(jié)晶溫度；再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)（記住公式）；4.晶粒長(zhǎng)大過(guò)程特征；5.金屬的熱變形：動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的機(jī)制；熱變形引起的組織與性能的變化；,第一節(jié) 概述,,塑性形變后，材料如何變化… …,1 變化的熱力學(xué)條件（驅(qū)動(dòng)力）變化趨勢(shì)經(jīng)冷塑性變形的材料，由于空位、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷密度的增加，以及畸變能的升高，將處于熱力學(xué)不穩(wěn)定的高自由能狀態(tài)，具有自發(fā)恢復(fù)到變形前低自由能狀態(tài)的

11、趨勢(shì)，形變儲(chǔ)能即成為發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。2 變化的動(dòng)力學(xué)條件（擴(kuò)散）是否變化常溫下，原子擴(kuò)散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，冷變形金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，D=D0e-Q/RT (D0 擴(kuò)散常數(shù)Q擴(kuò)散激活能）,,變化過(guò)程,重中之重爛熟于心,,冷變形金屬加熱時(shí)的組織變化,回復(fù)：晶粒的形態(tài)、大小與變形態(tài)相同，但亞結(jié)構(gòu)、性能已有變化再結(jié)晶：出現(xiàn)無(wú)畸變的等軸晶粒，逐步取代變形晶粒晶粒長(zhǎng)大：再

12、結(jié)晶結(jié)束后的晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大,,冷變形金屬加熱時(shí)的性能變化,— 強(qiáng)度和硬度： 回復(fù)階段變化?。?再結(jié)晶階段變化大(與位錯(cuò)密度有關(guān))— 電阻： 回復(fù)階段已有大的變化(與點(diǎn)缺陷有關(guān)) — 內(nèi)應(yīng)力： 回復(fù)階段消除大部或全部?jī)?nèi)應(yīng)力； 再結(jié)晶階段全部消除微觀內(nèi)應(yīng)力 — 亞晶粒尺寸： 回復(fù)階段變化??； 接近再結(jié)晶時(shí)，顯著增大— 密度： 再結(jié)晶階段急劇增高(缺陷減少) — 儲(chǔ)存能的

13、變化： 再結(jié)晶階段釋放多,,第二節(jié)：回復(fù),現(xiàn)象：除內(nèi)應(yīng)力大大減少外，在光學(xué)顯微鏡下看不到金相組織的變化。在電子顯微鏡下觀察，點(diǎn)缺陷有所減少，位錯(cuò)在形態(tài)上也有變化，但數(shù)量沒(méi)有明顯減少。特征：1.組織不發(fā)生變化，保持變形狀態(tài)伸長(zhǎng)的晶粒2.宏觀一類(lèi)應(yīng)力全部消除，微觀二類(lèi)應(yīng)力大部分消除；3.一般力學(xué)性能變化不大，某些物理性能有較大變化；4.變形儲(chǔ)能（回復(fù)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力）在回復(fù)階段部分釋放。,,,回復(fù)過(guò)程機(jī)制,1.低溫回復(fù)(0.1

14、-0.3)Tm/K),主要與空位變化相關(guān)原因：金屬中的空位具有平衡濃度，冷變形形成過(guò)飽和空位在低溫回復(fù)中消失以保持平衡濃度，使能量降低。過(guò)程：空位 ~ 晶界（表面）、空位~ 位錯(cuò)、空位 ~ 間隙原子（復(fù)合）、空位 ~ 空位（空位對(duì)、空位群、空位片）等發(fā)生作用。結(jié)果：空位濃度明顯降低（電阻率下降）。,,,2.中溫回復(fù)(0.3-0.5)Tm/K),主要與位錯(cuò)的滑移有關(guān)，發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和重新分布,過(guò)程：在同一滑移面上的位錯(cuò)，異性相吸而消

15、失；在不同滑移面上的位錯(cuò)，通過(guò)空位凝聚消除半原子面或空位逃逸制造半原子面而消失。,,,3.高溫回復(fù)(>0.5Tm/K),多邊形化：1.穩(wěn)定多邊形化：同號(hào)刃型位錯(cuò)沿滑移面上塞積而導(dǎo)致點(diǎn)陣彎曲的晶體中發(fā)生，位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)和重排，形成位錯(cuò)壁，組成亞晶界。驅(qū)動(dòng)力：應(yīng)變能的下降。,,,2.再結(jié)晶前多邊形化：在變形后具有位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)的晶體中發(fā)生，變形后位錯(cuò)塞積在位錯(cuò)胞壁，加熱發(fā)生多邊形化的過(guò)程時(shí)引起位錯(cuò)的重新分布和部分消失，形成亞晶界。比較

16、：兩類(lèi)多邊形化的形成取決于變形程度，小變形發(fā)生穩(wěn)定多邊形化，大變形發(fā)生再結(jié)晶前多邊形化。穩(wěn)定多邊形化會(huì)阻礙以后的再結(jié)晶過(guò)程，再結(jié)晶前多邊形化會(huì)促進(jìn)再結(jié)晶過(guò)程。多邊形化溫度受金屬純度、層錯(cuò)能的影響。,,,：,,3.回復(fù)動(dòng)力學(xué),,第三節(jié)：再結(jié)晶,定義：冷變形金屬加熱到一定溫度后，在原變形組織中重新產(chǎn)生了無(wú)畸變的等軸新晶粒，性能發(fā)生明顯的變化、并恢復(fù)到變形前狀況的過(guò)程（脫胎換骨?。?1.再結(jié)晶過(guò)程的特征：（1）組織發(fā)生變化，由冷變形的

17、伸長(zhǎng)晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒。（2）力學(xué)性能發(fā)生急劇變化，強(qiáng)度、硬度急劇降低，塑性提高，恢復(fù)至變形前狀態(tài)。（3）變形儲(chǔ)能在再結(jié)晶過(guò)程中全部釋放。三類(lèi)應(yīng)力消除，位錯(cuò)密度降低。,注意：無(wú)晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的變化，不是相變；新晶粒長(zhǎng)大通過(guò)短程擴(kuò)散；再結(jié)晶程度依賴(lài)于溫度和時(shí)間,,再結(jié)晶性能變化,,— 硬度明顯下降：正在消除加工硬化的影響— 儲(chǔ)能釋放明顯提高：將釋放90%的變形總儲(chǔ)能，用于再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大— 亞晶粒尺寸明顯變大：新的晶粒替代

18、亞晶?！?電阻率持續(xù)下降：無(wú)畸變新晶粒出現(xiàn)，點(diǎn)缺陷減少,,再結(jié)晶過(guò)程機(jī)制,1.晶界弓出形核（應(yīng)變誘導(dǎo)晶界移動(dòng)、凸出形核）,特點(diǎn)：變形程度較小時(shí)（小于20% CW），晶粒間變形不均勻、位錯(cuò)密度不同，相應(yīng)亞晶尺寸不同；為降低系統(tǒng)的自由能，位錯(cuò)密度小的晶粒中的亞晶通過(guò)晶界凸入另外晶粒中，以吞食方式開(kāi)始形成無(wú)畸變的再結(jié)晶晶核,,,2.亞晶轉(zhuǎn)動(dòng)、聚合形核,特點(diǎn)：變形程度較大時(shí)，或?qū)渝e(cuò)能較高,亞晶合并機(jī)制： 層錯(cuò)能較高時(shí)，相鄰亞晶界上的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)通

19、過(guò)解離、拆散、位錯(cuò)的攀移、滑移，逐漸轉(zhuǎn)移到周?chē)渌鼇喚Ы缟?，?dǎo)致亞晶合并；合并后的亞晶的晶界上位錯(cuò)密度增加，逐漸轉(zhuǎn)化為大角度晶界，從而具有更大的遷移率，這種晶界移動(dòng)后留下無(wú)畸變的晶體，成為再結(jié)晶核心,,,3.亞晶界遷移、亞晶長(zhǎng)大形核,亞晶遷移機(jī)制：層錯(cuò)能較低時(shí)，位錯(cuò)密度較大的亞晶界，向位向差較大的周?chē)鷣喚Х较蜻w移，并逐漸轉(zhuǎn)化為大角晶界，成為成核中心并長(zhǎng)大,,再結(jié)晶核心的長(zhǎng)大,長(zhǎng)大實(shí)質(zhì)：具有臨界曲率半徑的大角界面向變形基體遷移消耗變形基體

20、至全部消失 驅(qū)動(dòng)力：新晶粒與周?chē)兡阁w之間的應(yīng)變能差。低能區(qū)兼并高能區(qū),這個(gè)長(zhǎng)大，是指晶核的長(zhǎng)大，即再結(jié)晶過(guò)程中的長(zhǎng)大 區(qū)別于再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，即晶核形成后的長(zhǎng)大,,第四節(jié)：晶粒長(zhǎng)大,晶粒長(zhǎng)大：再結(jié)晶結(jié)束后，材料通常得到新的細(xì)小的無(wú)畸變的等軸晶粒，若繼續(xù)提高加熱溫度或延長(zhǎng)加熱時(shí)間，引起晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大的現(xiàn)象驅(qū)動(dòng)力：總晶界能的降低按特點(diǎn)分類(lèi)：— 正常長(zhǎng)大：大多數(shù)晶粒幾乎同時(shí)逐漸均勻長(zhǎng)大— 異常長(zhǎng)大：少數(shù)晶粒突發(fā)性的不均勻長(zhǎng)大,,

21、正常晶粒長(zhǎng)大,定義：在再結(jié)晶完成后繼續(xù)加熱或保溫過(guò)程中，在界面曲率驅(qū)動(dòng)力的作用下，晶粒發(fā)生均勻長(zhǎng)大的過(guò)程。驅(qū)動(dòng)力：界面能與晶界的曲率,大多數(shù)晶粒幾乎同時(shí)長(zhǎng)大，晶粒界面的不同曲率是造成界面遷移的直接原因，界面總是向曲率中心的方向移動(dòng)，大晶粒吞并小晶粒,恒溫下，晶粒正常長(zhǎng)大的關(guān)系式：,,,正常長(zhǎng)大影響因素,1）溫度：溫度影響界面遷移速度，溫度越高，界面遷移速度越大，因而晶粒長(zhǎng)大速度也越快。2）時(shí)間：正常晶粒長(zhǎng)大時(shí)，一定溫度下，平均晶粒直

22、徑隨保溫時(shí)間的平方根而增大。3）第二相粒子：第二相粒子對(duì)界面遷移有約束力，阻礙界面遷移、晶粒長(zhǎng)大。粒子尺寸越小，粒子的體積分?jǐn)?shù)越大，極限的平均晶粒尺寸也越小。4）表面熱蝕溝：金屬在高溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱時(shí)，晶界與表面相交處為達(dá)到表面張力間的相互平衡，以趨向于熱力穩(wěn)定狀態(tài)，將會(huì)通過(guò)表面原子的擴(kuò)散過(guò)程形成熱蝕溝。5）相鄰晶粒的位向差：晶界的界面能與相鄰晶粒間的位向差有關(guān)，小角度晶界的界面能小于大角度晶界，固小角度的移動(dòng)速度小于后者。,,反常

23、晶粒長(zhǎng)大（二次再結(jié)晶）,定義：是在一定條件下，繼晶粒正常、均勻長(zhǎng)大后發(fā)生的晶粒不均勻長(zhǎng)大的過(guò)程。長(zhǎng)大過(guò)程中，晶粒尺寸相差懸殊，少數(shù)幾個(gè)晶粒擇優(yōu)生長(zhǎng)，逐漸吞并周?chē)【Я?，直至這些擇優(yōu)長(zhǎng)大的晶?；ハ嘟佑|，周?chē)【ЯＯ?，全部形成粗大晶粒，過(guò)程結(jié)束。,形成反常晶粒長(zhǎng)大或二次再結(jié)晶的基本條件：穩(wěn)定基體、有利晶粒和高溫加熱。,,再結(jié)晶退火孿晶,退火孿晶的形態(tài)：（A）晶界交角處退火孿晶；（B）貫穿晶粒的完整退火孿晶；（C）一端中止于晶內(nèi)的不完整孿晶

24、退火孿晶形成必須滿足能量條件，層錯(cuò)能低的晶體容易形成退火孿晶,,再結(jié)晶織構(gòu),具有變形織構(gòu)的金屬，經(jīng)再結(jié)晶后的新晶粒仍具有擇優(yōu)取向,再結(jié)晶織構(gòu)與變形織構(gòu)的關(guān)系： — 與原有的織構(gòu)相一致（類(lèi)似遺傳）； — 原有織構(gòu)消失而代之以新的織構(gòu)（類(lèi)似變異）； — 原有織構(gòu)消失不再產(chǎn)生新的織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)的形成機(jī)制 — 定向生長(zhǎng)理論：晶核位向各異，只有特殊位向的容易長(zhǎng)大 — 定向形核理論：再結(jié)晶晶核具有擇優(yōu)

25、取向,制耳現(xiàn)象：在沖制筒形和杯形零件時(shí)，各向變形不均勻，造成薄厚不均、邊緣不齊的現(xiàn)象。,第五節(jié)：金屬的熱變形,,金屬的熱變形：金屬在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的加工、變形。熱變形的實(shí)質(zhì)是:變形中形變硬化和動(dòng)態(tài)軟化同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程，形變硬化為動(dòng)態(tài)軟化所抵消，因而不顯示加工硬化作用。動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：在熱變過(guò)程中，與形變硬化同時(shí)發(fā)生的回復(fù)、再結(jié)晶過(guò)程。,,1.動(dòng)態(tài)回復(fù)：（層錯(cuò)能高的金屬）動(dòng)態(tài)回復(fù)是其軟化的主要方式其熱變形中的應(yīng)力-應(yīng)變

26、曲線有三個(gè)階段：第一階段為微應(yīng)變階段，應(yīng)變量約為0.1%～0.2%，曲線急劇上升；第二階段是最小流變應(yīng)力σT之后的流變階段，有加工硬化，加工硬化率逐漸降低；第三階段為穩(wěn)態(tài)流變階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為水平線，此時(shí)，加工硬化實(shí)際速率為零。,,,2.動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：對(duì)具有低層錯(cuò)能的材料如銅及其合金、鎳和鎳合金，金和鈀及其合金，奧氏體鋼及奧氏體合金，不易發(fā)生交滑移和動(dòng)態(tài)回復(fù)，此時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶成為動(dòng)態(tài)軟化的主要方式。熱變形中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的應(yīng)

27、力-應(yīng)變曲線形狀取決于應(yīng)變速率。,,,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是生核與核心長(zhǎng)大的過(guò)程。其生核機(jī)制是大角界面的遷移過(guò)程。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶具有反復(fù)形核，有限長(zhǎng)大的特點(diǎn)。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后得到等軸晶粒組織，因反復(fù)再結(jié)晶，晶粒較為細(xì)小，晶粒大小決定于應(yīng)變速率和變形溫度。這種組織比靜態(tài)再結(jié)晶組織有較高的強(qiáng)度和硬度。,,,3.亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶熱變形停止后，繼續(xù)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程。,,,4.熱變形引起組織、性能的變化,1）改善鑄造狀態(tài)的組織缺陷2）熱變形形成流線，