3.3冷變形加工金屬在加熱時(shí)組織和性能變化

1、3.3 冷變形加工的金屬在加熱時(shí)組織與性能的變化The Microstructure and Property Changes of Cold Deformed Metals during Heating,塑性變形時(shí),有一小部分能量?jī)?chǔ)存在金屬內(nèi)部，成為儲(chǔ)存能。儲(chǔ)存能使塑性變形的金屬的自由能升高，熱力學(xué)上處于亞穩(wěn)狀態(tài)，有自發(fā)恢復(fù)到變形前低自由能的穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)。常溫下，原子活動(dòng)能力很小，擴(kuò)散速度不足，亞穩(wěn)狀態(tài)無明顯變化。若

2、溫度升高，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，擴(kuò)散速度增加，冷變形金屬就會(huì)由亞穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，引起組織和性能變化。 儲(chǔ)存能就是這一系列變化過程的驅(qū)動(dòng)力。,3.3 冷變形加工的金屬在加熱時(shí)組織與性能的變化,變化過程隨著溫度的升高可分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段。,3.3.1 回復(fù)（Recovery）,回復(fù)：冷變形金屬在低溫加熱時(shí)，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前，產(chǎn)生的某些結(jié)構(gòu)和性能變化的過程。,Smith W F. Foundation

3、s of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,加熱溫度（<0.2～0.35Tm） 顯微組織仍為纖維狀， 無可見變化；力學(xué)性能基本保持加工硬化， 僅強(qiáng)度和硬度稍有下降， 塑性略有提高。內(nèi)應(yīng)力↓↓ 耐蝕性↑↑ 電阻↓↓,Strength：強(qiáng)度Ductility：延展性Hardness：硬度Internal residual str

4、esses,回復(fù),3.3.1 回復(fù)（Recovery）,產(chǎn)生回復(fù)的機(jī)理：點(diǎn)缺陷特別是空位的運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)短距離遷移 使晶格畸變減小，內(nèi)應(yīng)力明顯下降。空位的逸出 ——空位比較容易移動(dòng)，如可以移至晶界或位錯(cuò)處而消失，也可聚合起來形成空位對(duì)、空位群，還可與間隙原子相互作用而消失，結(jié)果使點(diǎn)缺陷密度明顯下降。多邊形化 ——由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使其由冷塑性變形時(shí)的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，?/p>

5、成亞晶界，稱為多邊形化過程。,多邊形化過程是位錯(cuò)從高能態(tài)的混亂排列向低能態(tài)的規(guī)則排列移動(dòng)的過程。,3.3.1 回復(fù)（Recovery）,生產(chǎn)中的應(yīng)用：去應(yīng)力退火—是利用回復(fù)階段的低溫加熱處理，既可保留加工硬化的效果又可降低內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織，以減輕變形和翹曲，并改善工件耐蝕性，降低電阻率。冷拉鋼絲卷制彈簧。對(duì)鑄件和焊接件及時(shí)進(jìn)行去應(yīng)力退火以防止變形和開裂，也是通過回復(fù)過程來實(shí)現(xiàn)的。,退火是一種金屬熱處理工藝，指的是將金屬緩慢加熱

6、到一定溫度，保持足夠時(shí)間，然后以適宜速度冷卻（通常是緩慢冷卻，有時(shí)是控制冷卻）。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向；細(xì)化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷；均勻材料組織和成分，改善材料性能或?yàn)橐院鬅崽幚碜鼋M織準(zhǔn)備。,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,1.再結(jié)晶：冷變形加工的金屬被加熱至較高溫度（高于回復(fù)溫度）時(shí)，在變形組織（拉長(zhǎng)、壓扁及破碎晶粒）的基體上產(chǎn)生新的無畸變的晶核

7、，并迅速長(zhǎng)大形成等軸晶粒，逐漸取代全部變形組織，也是形核長(zhǎng)大過程。,冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,冷變形(變形量為38%)黃銅580ºC保溫15分后的的再結(jié)晶組織,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,2.特點(diǎn)性能上，強(qiáng)度、硬度↓↓ 塑性、韌性↑↑ 內(nèi)應(yīng)力完全消除再結(jié)晶與結(jié)晶、重

8、結(jié)晶 的根本區(qū)別： 無相變，無恒定轉(zhuǎn)變溫度， 無晶格類型的變化,工程上為了消除加工硬化現(xiàn)象，降低硬度，提高塑形，使壓力加工能繼續(xù)進(jìn)行，廣泛采用再結(jié)晶退火（中間退火）。,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,機(jī)理簡(jiǎn)介 冷變形金屬的再結(jié)晶是通過形核-長(zhǎng)大方式完成的。形核是在變形后由破碎晶粒中無畸變的小晶塊（即低能晶塊） 作為核心長(zhǎng)大為晶核的。晶核的長(zhǎng)大則是通過晶界的遷移成長(zhǎng)為新的等軸晶

9、粒的。,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,經(jīng)70%塑變的純鐵加熱時(shí)的組織變化,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,黃銅再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大各個(gè)階段的金相照片,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,4. 再結(jié)晶溫度,再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過程，而且沒有經(jīng)過冷變形加工的金屬是不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，能夠完成再結(jié)晶或

10、者再結(jié)晶達(dá)到規(guī)定程度的最低溫度稱再結(jié)晶溫度（TR）。工業(yè)生產(chǎn)中，通常以經(jīng)過70%以上的大變形量的冷變形加工金屬，經(jīng)一小時(shí)退火能完全再結(jié)晶的最低溫度規(guī)定為再結(jié)晶溫度（TR） 。,4. 再結(jié)晶溫度,主要取決于變形度。金屬預(yù)變形程度ε越大，再結(jié)晶溫度越低。ε ：70%~80%,TR趨于穩(wěn)定,TR與ε的關(guān)系,金屬的純度 金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點(diǎn)元素起阻礙擴(kuò)散和晶界遷移作用，使TR顯著提高。,影響再結(jié)晶溫度的因素：,加

11、熱時(shí)間和加熱速度 再結(jié)晶過程需要一定時(shí)間才能完成，延長(zhǎng)加熱時(shí)間或降低加熱速度，原子擴(kuò)散移動(dòng)能充分進(jìn)行，有利于新的再結(jié)晶晶粒充分形核和成長(zhǎng)，可降低再結(jié)晶溫度。,原始晶粒尺寸原始晶粒越細(xì)， TR降低。,5. 再結(jié)晶溫度（TR）與再結(jié)晶退火溫度（TZ）,TR經(jīng)驗(yàn)公式工業(yè)純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)之間的近似關(guān)系: TR≈0.4Tm（K） 其中TR、Tm為絕對(duì)溫度。金屬熔點(diǎn)越高, TR也越高.,生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱

12、處理稱為再結(jié)晶退火.再結(jié)晶退火溫度（TZ）比再結(jié)晶溫度高100~200℃，即 TZ=TR+(100~200)℃,例題3.2,TR℃ = (Tm℃+273)×0.4–273，如Fe的TR=(1538+273)×0.4–273=451℃,【例題3-2】 已知鐵的熔點(diǎn)1538℃ ，銅的熔點(diǎn)為1083℃ ，試估算鐵和銅的最低再結(jié)晶溫度，并確定其再結(jié)晶退火溫度。,（1）分析 TR =0.4Tm 。生產(chǎn)中再結(jié)晶退火溫

13、度的選定原則是：TZ +（100℃～200℃）。（2）解答鐵的最低再結(jié)晶溫度為TZ =0.4×(1538+273) –273=450℃ ，銅的最低再結(jié)晶溫度為TZ =0.4×(1083+273) –273=269.4℃ ；鐵的再結(jié)晶退火溫度為450+（100～200）=550℃～650℃ ，銅的再結(jié)晶退火溫度為269.4+（100～200）=369.4℃～469.4℃ 。（3）歸納 再結(jié)晶溫度經(jīng)驗(yàn)公式

14、適用條件有兩個(gè)：例如在計(jì)算低碳鋼的僅適用純金屬及溫度為絕對(duì)溫度。最低再結(jié)晶溫度時(shí)，就不能直接應(yīng)用該經(jīng)驗(yàn)公式，必須考慮碳元素的影響，通常在純鐵的再結(jié)晶溫度基礎(chǔ)上+（50~100）℃。,6. 再結(jié)晶退火后的晶粒度 （1）加熱溫度與保溫時(shí)間 （2）預(yù)變形度,再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響,(1)加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，金屬的晶粒越粗大,加熱溫度的影響尤為顯著，在高溫下原子活動(dòng)能力更強(qiáng)，有利于晶界遷移，促使晶粒

15、長(zhǎng)大。,預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響.,圖3.18 預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒度的影響,(2)預(yù)先變形度,6. 再結(jié)晶退火后的晶粒度 （1）加熱溫度與保溫時(shí)間 （2）預(yù)變形度,2-10%,冷變形金屬在再結(jié)晶剛完成時(shí)，一般會(huì)得到細(xì)小的等軸晶粒組織。如果繼續(xù)提高加熱溫度或者延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒之間就會(huì)互相吞并而長(zhǎng)大，稱為晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。1. 自發(fā)過程 減少晶界總面積，降低總界面能 驅(qū)動(dòng)力——界面