[教育]再結(jié)晶和金屬熱加工

1、,,,回復(fù)、再結(jié)晶和金屬熱加工,第一節(jié) 冷變形金屬在退火時(shí)的一般變化,冷金屬在退火時(shí)包含如下的一些變化：顯微組織的變化性能的變化力學(xué)性能的變化物理性能的變化儲(chǔ)存能的釋放,,顯微組織的變化,回復(fù)階段 顯微組織幾乎不發(fā)生任何變化，晶粒仍然保持為冷變形狀態(tài)的纖維狀形態(tài)；再結(jié)晶階段 變形態(tài)的晶粒通過形核和長(zhǎng)大過程，完全改變稱為新的等軸晶粒。當(dāng)?shù)容S晶粒邊界互相接觸，變形晶粒完全消失時(shí)，再結(jié)晶階段結(jié)束。（再結(jié)晶過

2、程雖然也是形核與長(zhǎng)大的過程，但完全是同一相的組織形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變『纖維狀? 等軸狀』，而不是相的轉(zhuǎn)變。）晶粒長(zhǎng)大階段 再結(jié)晶完成后的晶粒粗化階段。,,力學(xué)性能的變化,回復(fù)階段 位錯(cuò)密度降低較少，硬度和強(qiáng)度降低不多。即在回復(fù)階段，冷變形強(qiáng)化效果仍然能大部分被保留。再結(jié)晶階段 位錯(cuò)密度大大減小，強(qiáng)度、硬度顯著降低，塑性提高，冷變形強(qiáng)化效果消失，金屬軟化。,,物理性能,電阻率 再回復(fù)階段顯著降

3、低（因?yàn)辄c(diǎn)缺陷濃度顯著降低）密度 再回復(fù)階段有所升高（因?yàn)榭瘴粷舛冉档停?；在再結(jié)晶階段顯著增大（因?yàn)槲诲e(cuò)密度顯著減?。?nèi)應(yīng)力回復(fù)階段：消除大部分宏觀內(nèi)應(yīng)力和一部分微觀內(nèi)應(yīng)力；再結(jié)晶階段：消除全部的內(nèi)應(yīng)力；,,儲(chǔ)存能的釋放,變形儲(chǔ)存能是回復(fù)、再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力；儲(chǔ)存能使金屬處于高能的亞穩(wěn)態(tài)，退火階段組織和性能的變化過程即是儲(chǔ)存能的釋放過程?；貜?fù)階段：儲(chǔ)存能的釋放較少再結(jié)晶階段：大部分的儲(chǔ)存能得到釋放,,第二節(jié)

4、回復(fù),回復(fù)： 經(jīng)冷塑性變形的金屬加熱時(shí)，其光學(xué)顯微組織未發(fā)生改變前的晶體缺陷運(yùn)動(dòng)過程。特點(diǎn)： 點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)分布和數(shù)量不斷改變，儲(chǔ)存能得到了一定的釋放，為再結(jié)晶做好了準(zhǔn)備。,,回復(fù)機(jī)制與過程,回復(fù)機(jī)制 空位和位錯(cuò)通過熱激活改變了它們的組態(tài)分布和數(shù)量的過程。分類 根據(jù)加熱溫度的高低可分為：低溫回復(fù)中溫回復(fù)高溫回復(fù),,低溫回復(fù),定義 在低溫范圍內(nèi)（1.0 ~ 0.3Tm

5、) 內(nèi)加熱時(shí)，發(fā)生低溫回復(fù)；機(jī)制 主要是空位的運(yùn)動(dòng)（溫度較低，原子活動(dòng)能力有限，僅能發(fā)生點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)）,,中溫回復(fù),定義 在較高溫度范圍（0.3 ~ 0.5Tm)內(nèi)加熱時(shí)，發(fā)生中溫回復(fù)；機(jī)制 位錯(cuò)再度滑移和交滑移；,,高溫回復(fù),定義 在更高溫度（≥0.5Tm) 加熱時(shí)，發(fā)生高溫回復(fù)；機(jī)制 溫度足夠高時(shí)，發(fā)生包括攀移在內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和多邊化，主要機(jī)制是多變化。多變化

6、冷變形后在滑移面上塞積的同號(hào)刃型位錯(cuò)通過攀移和滑移，使同號(hào)刃型位錯(cuò)沿垂直于滑移面的方向排列成小角度亞晶界（位錯(cuò)墻）的過程。多邊化的驅(qū)動(dòng)力 多邊化的驅(qū)動(dòng)力是應(yīng)變能的降低。,,第三節(jié) 再結(jié)晶,再結(jié)晶 冷變形金屬加熱到回復(fù)溫度之上后，在原變形組織中產(chǎn)生新的無(wú)畸變?cè)俳Y(jié)晶形核，并通過逐漸長(zhǎng)大形成等軸晶粒，從而取代全部變形組織，該過程稱為再結(jié)晶。特點(diǎn) 變形金屬發(fā)生再結(jié)晶時(shí)，力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，金屬恢復(fù)到軟

7、化狀態(tài)，變形儲(chǔ)能得到充分釋放，新的無(wú)畸變等軸晶完全取代了原畸變晶粒，但是晶體結(jié)構(gòu)不變。因此，再結(jié)晶不是相變。,,再結(jié)晶的形核方式,再結(jié)晶的形核方式主要有以下三種：亞晶合并亞晶遷移晶界弓出形核（凸出形核）,,亞晶合并,定義 兩亞晶之間的亞晶界消失，使相鄰的兩晶粒合并而生長(zhǎng)；產(chǎn)生條件 冷變形較大或?qū)渝e(cuò)能高的金屬，容易以亞晶合并的方式形成再結(jié)晶核心；,,亞晶遷移,定義 通過亞晶界的遷移，吞并相

8、鄰的形變基體和亞晶而生長(zhǎng)；產(chǎn)生條件 冷變形量很大或?qū)渝e(cuò)能低的金屬中容易亞晶遷移；,,晶界弓出形核（凸出形核）,定義 冷變形量較小的金屬，一般是利用變形晶粒的現(xiàn)成大角度晶界的遷移形成再結(jié)晶核心，稱為晶界弓出或凸出形核機(jī)制；產(chǎn)生條件 設(shè)界面能為，晶界兩側(cè)晶粒單位體積儲(chǔ)存能差為，弓出晶界從位置I 遷移到位置II 必須滿足條件，即并非任意一段大角度晶界都能弓出形成再結(jié)晶晶核，必須當(dāng)晶界兩側(cè)晶粒中

9、的單位體積儲(chǔ)存能之差大到一定程度后才能發(fā)生弓出形核過程。,,再結(jié)晶晶核的長(zhǎng)大,晶核的長(zhǎng)大過程 再結(jié)晶晶核的長(zhǎng)大是通過晶界遷移實(shí)現(xiàn)的，晶界背離其曲率中心，向周圍變形基體中遷移。界面遷移的驅(qū)動(dòng)力是儲(chǔ)存能，隨著晶核的長(zhǎng)大，儲(chǔ)存能不斷釋放。再結(jié)晶過程動(dòng)力學(xué) 再結(jié)晶過程的快慢與再結(jié)晶形核率（N）和晶核長(zhǎng)大速率（G）有關(guān)。凡是能影響N和G的因素都會(huì)影響再結(jié)晶的快慢。,,再結(jié)晶溫度,理論再結(jié)晶溫度實(shí)際再結(jié)晶溫度影響

10、再結(jié)晶溫度的因素,,理論再結(jié)晶溫度,定義 冷變形金屬中能夠發(fā)生再結(jié)晶形核及長(zhǎng)大的最低溫度。測(cè)試方法金相法 以顯微鏡中觀察到第一個(gè)新的無(wú)畸變新晶粒生成或晶界遷移出現(xiàn)鋸齒狀邊緣的退火溫度，確定為再結(jié)晶的開始溫度。硬度法 將變形金屬硬度與退火溫度關(guān)系曲線上硬度開始明顯降低的為溫度，確定為再結(jié)晶開始溫度。,,實(shí)際再結(jié)晶溫度,定義 規(guī)定：經(jīng)較大冷變形（變形量>70%)的金屬，再1h 退火時(shí)間內(nèi)

11、能夠完成再結(jié)晶（或>95%體積分?jǐn)?shù)的再結(jié)晶）的最低退火溫度，稱為實(shí)際再結(jié)晶溫度。一般所說(shuō)的再結(jié)晶溫度常指的就是實(shí)際再結(jié)晶溫度。再結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)的關(guān)系 對(duì)于工業(yè)純金屬，在較大冷變形量條件下，若完成再結(jié)晶的時(shí)間為0.5~1h，則再結(jié)晶溫度（T再）與熔點(diǎn)（Tm)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：T再≈（0.35 ~ 0.40)Tm (K)（注：此式不適用于合金和高純（純度>99.99%）金屬。）,,影響再結(jié)晶溫度的因素,影響

12、再結(jié)晶溫度的因素包括：變形程度雜質(zhì)及合金元素第二相粒子原始晶粒的大小形變溫度加熱時(shí)間加熱速度,,再結(jié)晶后晶粒的大小,再結(jié)晶后晶粒尺寸d與 和 之間存在下列關(guān)系：影響因素變形程度退火溫度與保溫時(shí)間加熱溫度原始晶粒大小合金元素及第二相,,式中，α—— 常數(shù),該式表明， 降低，則d 降低。所以能夠使 值發(fā)生變化的因素都可能引起再結(jié)晶晶粒的變化。,,變形程度,當(dāng)冷變形量

13、?2?/l），極低，再結(jié)晶完成后晶粒極為粗大。?>?c后，隨著??，儲(chǔ)存能?， ?，再結(jié)晶晶粒隨之變細(xì)。當(dāng)?>?0時(shí)，再結(jié)晶晶粒要細(xì)與原始晶粒。適當(dāng)?shù)睦渥冃渭釉俳Y(jié)晶是細(xì)化晶粒的有效方法之一。,,退火溫度與保溫時(shí)間,當(dāng)變形程度和保溫時(shí)間都一定時(shí)，退火溫度越高，則得到的晶粒越粗大。如果在不同溫度退火控制不同的保溫時(shí)間，使之剛好完成再結(jié)晶后就停止退火，則所獲得的晶粒大小差別不大。,,加熱溫度,如果退火時(shí)加熱速度很慢，則變形

14、金屬在升溫過程中發(fā)生回復(fù)，儲(chǔ)存能降低，降低，故晶粒粗化； 反之，若提高加熱速度則可獲得細(xì)的再結(jié)晶晶粒。,,原始晶粒大小,原始晶粒越細(xì)，再結(jié)晶后的晶粒大小越細(xì)??；,,合金元素及第二相,微量的溶質(zhì)或雜質(zhì)固溶在純金屬中，產(chǎn)生一定的固溶強(qiáng)化效果，提高變形抗力，提高儲(chǔ)存能，提高 ；同時(shí)微量溶質(zhì)或雜質(zhì)會(huì)降低界面能動(dòng)性，從而降低晶核長(zhǎng)大速度（ ）合金元素和第二相有利于再結(jié)晶晶粒的細(xì)化，固溶體合金再結(jié)晶后的晶粒比相應(yīng)純金屬的細(xì)小。,,第

15、四節(jié) 再結(jié)晶后晶粒大小,正常長(zhǎng)大 大多數(shù)晶粒長(zhǎng)大速率相差不多，幾乎同時(shí)長(zhǎng)大（均勻長(zhǎng)大）；異常長(zhǎng)大（二次再結(jié)晶） 少數(shù)晶粒突發(fā)性的、不均勻地長(zhǎng)大（非均勻長(zhǎng)大）；說(shuō)明： 一些晶粒地長(zhǎng)大必然伴隨著一些晶粒的縮小，即長(zhǎng)大與縮小同時(shí)存在。所以晶粒長(zhǎng)大也是由于一些晶?？s小和消失的結(jié)果，并非指所有的晶粒都在長(zhǎng)大。,,正常長(zhǎng)大,主要內(nèi)容：正常長(zhǎng)大時(shí)晶界的移動(dòng)晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力晶粒的穩(wěn)定形

16、狀及晶粒長(zhǎng)大過程影響晶粒正常長(zhǎng)大的因素,,正常長(zhǎng)大時(shí)晶界的移動(dòng),一般規(guī)律 大晶粒吞食掉小晶粒，晶界向其曲率中心移動(dòng)。這種晶界移動(dòng)方向與再結(jié)晶晶核生長(zhǎng)時(shí)界面的移動(dòng)方向相反。原因 晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力與再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力不同,,晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)力 總的來(lái)說(shuō)，晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力為：界面能的降低。晶粒長(zhǎng)大在熱力學(xué)上是一自發(fā)過程。實(shí)現(xiàn)方式 晶粒長(zhǎng)大是通過晶界遷移實(shí)現(xiàn)的。引起晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力是界

17、面能的降低和界面曲率的減少。,,?P=2?/γ 其中?P—— 界面兩側(cè)的壓力差（晶粒長(zhǎng)大時(shí)晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力）；σ—— 界面張力（界面能）；γ—— 球形界面的曲率半徑。,晶粒的穩(wěn)定形狀及晶粒長(zhǎng)大過程,從界面遷移的驅(qū)動(dòng)力考慮 由△p＝2σ/γ知，當(dāng)界面為平直狀時(shí)， γ? ?，使△p?0，即界面遷移的驅(qū)動(dòng)力消失，晶界變得穩(wěn)定；從界面張力平衡考慮 晶界的遷移還受到三晶界處平衡時(shí)，三晶交匯處界面張力T

18、1、T2、T3與其對(duì)應(yīng)的界面夾角θ1、 θ2、 θ3之間滿足關(guān)系式：,,因?yàn)門1＝T2＝T3 ，所以必有θ1＝θ2＝ θ3＝120°,影響晶粒正常長(zhǎng)大的因素,晶粒長(zhǎng)大是通過晶界遷移實(shí)現(xiàn)的，所以凡是影響晶界移動(dòng)的因素，都會(huì)影響晶粒長(zhǎng)大。主要由以下幾個(gè)因素：溫度第二相粒子微量溶質(zhì)或雜質(zhì)晶粒間位向差,,反常長(zhǎng)大,定義在某些情況下，晶粒長(zhǎng)大時(shí)只有少數(shù)幾個(gè)晶粒突發(fā)性地、迅速地粗化，其他晶粒地長(zhǎng)大速率則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這些個(gè)別

19、晶粒。這種長(zhǎng)大過程稱為反常長(zhǎng)大或異常最大、二次再結(jié)晶。二次再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力：界面能的降低；二次再結(jié)晶中少數(shù)晶?？梢匝杆匍L(zhǎng)大的主要原因：組織中存在使大多數(shù)晶界比較穩(wěn)定或被釘扎，而只有少數(shù)晶界特別自由或可動(dòng)性特別大的因素。注：二次再結(jié)晶并不是重新形核的過程，而是以一次再結(jié)晶后的某些特殊晶 粒為基礎(chǔ)而長(zhǎng)大，它是一個(gè)再特殊條件下的晶粒長(zhǎng)大過程（某些晶粒特別長(zhǎng)大的現(xiàn)象）。,,第五節(jié) 再結(jié)晶退火及其組織控制,主要內(nèi)容：再結(jié)晶退火的定義

20、再結(jié)晶過程組織的控制再結(jié)晶圖再結(jié)晶晶粒大小的控制再結(jié)晶織構(gòu)與退火孿晶,,再結(jié)晶退火,定義將冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上溫度，保溫一段時(shí)間后緩慢冷卻至室溫的過程，稱為再結(jié)晶退火。,,再結(jié)晶圖,存在兩個(gè)粗晶區(qū)：臨界變形度區(qū)域二次再結(jié)晶區(qū)域,,再結(jié)晶晶粒大小控制,再結(jié)晶組織的最終性能主要取決于再結(jié)晶退火后的實(shí)際晶粒尺寸：變形再結(jié)晶是固態(tài)條件下金屬細(xì)化晶粒的有效方法；影響再結(jié)晶形核與長(zhǎng)大和再結(jié)晶完成后晶粒長(zhǎng)大的因素，均

21、能影響再結(jié)晶最終組織的粗細(xì)；較大的冷變形量，較低的變形溫度，較細(xì)的原始組織，存在微量的溶質(zhì)以及尺寸與分布合適的第二相離子，均有利于獲得細(xì)的再結(jié)晶晶粒；避免在臨界變形度附近冷變形，避免發(fā)生二次再結(jié)晶，否則會(huì)使晶粒粗大或粗細(xì)不均勻；,,再結(jié)晶織構(gòu)（退火織構(gòu)）,再結(jié)晶過程中，若形成的再結(jié)晶晶粒具有擇優(yōu)取向，稱其為再結(jié)晶織構(gòu)。再結(jié)晶織構(gòu)與冷變形金屬中的變形織構(gòu)有關(guān)，可能與原變形織構(gòu)位向保持一致，也可能與變形織構(gòu)位向不一致而兩者之間有

22、一定的取向關(guān)系；再結(jié)晶織構(gòu)使材料性能出現(xiàn)各向異性；,,退火孿晶,一些不易產(chǎn)生形變孿晶的fcc金屬，經(jīng)再結(jié)晶退火后會(huì)出現(xiàn)孿晶，稱為退火孿晶；退火孿晶是在再結(jié)晶過程中因晶界遷移出現(xiàn)層錯(cuò)形成的。層錯(cuò)能降低、越容易出現(xiàn)退火孿晶；,,第六節(jié) 金屬的熱加工,金屬的形變過程是屬于冷加工還是熱加工，與其再結(jié)晶溫度（T再）密切相關(guān)。熱加工：在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的變形過程；動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：在熱變形過程中同時(shí)出現(xiàn)的回復(fù)與再結(jié)晶；靜態(tài)

23、回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶：預(yù)變形的金屬在加熱、保溫過程中發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶。,,動(dòng)態(tài)回復(fù),組織特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)回復(fù)的組織形態(tài)特點(diǎn)是在顯微狀晶粒內(nèi)部有等軸狀的亞晶粒；一般動(dòng)態(tài)回復(fù)常出現(xiàn)在層錯(cuò)能較高的材料中（擴(kuò)展位錯(cuò)窄，易于通過位錯(cuò)的攀移與交滑移實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)）。,,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,組織形態(tài)特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的組織形態(tài)特點(diǎn)是再等軸晶內(nèi)部存在被纏結(jié)位錯(cuò)所分割的亞晶粒；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的等軸晶與靜態(tài)再結(jié)晶得到的完全無(wú)畸變的等軸晶明顯不同。若動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的

24、晶粒大小與靜態(tài)再結(jié)晶的相同，則動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的強(qiáng)度和硬度值比靜態(tài)再結(jié)晶的高——亞組織強(qiáng)化；一般動(dòng)態(tài)再結(jié)晶常出現(xiàn)在層錯(cuò)能較低（或偏低）的材料中；,,熱加工金屬的組織和性能,通過熱加工可使材料中的組織缺陷得到明顯改善，顯著提高材料的質(zhì)量和力學(xué)性能；兩種主要組織：流線帶狀組織,,流線,流線的定義： ——金屬中各種夾雜物、偏析、第二相和晶界等，在熱變形時(shí)隨著基體金屬一起伸長(zhǎng)和流動(dòng)，沿變形方向分布，形成宏觀纖維狀組織，稱為