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1、材料科学基础,2010.11,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,2,第七章 回复与再结晶,材料塑性变形时所消耗的功，大部分转变为热能消失，还有一部分能量以弹性应变和晶体缺陷的形式储存起来，这部分能量称为储存能。其中晶体缺陷所储存的能量又称为畸变能。由于储存能的存在，使材料的自由能升高，在热力学上处于不稳定的状态，具有向稳定状态转化的趋势。在常温下，原子扩散能力低，这一转化过程非常缓慢。一旦温度升高，原子的扩散能力增强，转化过程就会加快，从而引起一系列组织和性能的变化。本章主要讨论这些变化的产生、变化规律及其应用。,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,3,2018/9/28,第七章
2、 回复与再结晶,4,7.1 冷变形金属在加热时的变化,显微组织的变化 回复：显微组织几乎无任何变化，仍保持冷变形后的纤维状组织； 再结晶：变形晶粒通过形核、长大，转变成新的无畸变等轴晶粒； 晶粒长大：再结晶后的等轴晶粒长大，直至稳定。 变化条件：冷变形金属的加热温度增加或在高于0.5Tm温度保温。,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,5,7.1 冷变形金属在加热时的变化,性能的变化 力学性能的变化 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。 再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降。 物理性能的变化 密度：在回复阶段
3、变化不大，在再结晶阶段急剧升高位错密度降低所致； 电阻：电阻在回复阶段可明显下降点缺陷下降。,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,6,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,7,7.1 冷变形金属在加热时的变化,内应力的变化 回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力； 再结晶阶段：内应力可完全消除。 储存能的变化 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分(10)变形功; 存在形式：弹性应变能(3 12)，位错(80 90),点缺陷； 储存能的释放：加热时原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,8,7.2 回 复
4、,回复：组织(晶粒外形)改变前在晶粒内发生的某些结构 和性能的变化过程.回复机制：,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,9,7.2 回 复,回复过程中微观结构的变化机制 过程的驱动力是弹性畸变能的降低 低温回复: 较低温度(0.1 0.3Tm)的回复 温度低, 原子活动能力有限点缺陷运动; 空位迁移至晶界、位错处消失; 空位与间隙原子相遇消失; 空位聚集, 形成空位群或空位对. 结果: 缺陷密度降低.,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,10,7.2 回 复,中温回复: 中温(0.3 0.5Tm)加热时的回复 原子活动能力增强, 位错亦被激活位错滑移: 位错滑移导致位错重新组合;
5、位错缠结重新排列; 异号位错相遇抵消; 亚晶粒长大; 结果: 位错密度降低.,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,11,7.2 回 复,高温回复: 高温(0.5Tm)加热时的回复 高温下位错充分激活位错攀移+滑移: 位错攀移滑移同号位错垂直排列(亚晶界) 多边化(亚晶粒)弹性畸变能降低(驱动力).,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,12,7.2 回 复,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,13,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,14,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,15,7.2 回 复,回复导致的性能变化：电阻率下降显著内应力降低硬度和强度下降不多,？,回
6、复机制： 空位的减少和位错应变能的降低晶体弹性应变能的基本消除位错密度下降不大,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,16,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,17,7.2 回 复,动力学曲线特点： 没有孕育期； 开始变化快，随后变慢； 长时间保温后，性能很缓慢地趋于一平衡值驰豫过程。,回复动力学 研究冷变形金属回复过程性能恢复的速率,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,18,回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平,7.2 回 复,每一温度的恢复程度有一极限值，退火温度越高， 这个极限值也越高，而达到此极限所需时间也越短,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,19,7.2
7、回 复,该式说明,回复的速率随温度增高而增大与其他热激活过程相同.,回复速率加工硬化残留率与退火温度和时间的关系:,式中:x0 原始加工硬化残留率；x退火时加工硬化残留率；c0比例常数；t加热时间；T加热温度。,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,20,7.2 回 复,去应力退火 去应力退火即回复退火, 加热温度2/l,形核机制 晶界凸出形核变形量较小时,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,26,7.3 再结晶,B晶粒位错密度高,多边化后的亚晶较A晶粒中的亚晶细小,A晶粒中某些亚晶晶界迁移进入B晶粒成为再结晶晶核并消耗B中亚晶长大,降低体系自由能.,“大鱼吃小鱼”,2018/9/2
8、8,第七章 回复与再结晶,27,7.3 再结晶,亚晶形核机制变形量较大时 变形较大时各晶粒位错密度相差不大,不能以晶界凸出形核借助晶粒内无应变亚晶形核; 形核方式: 亚晶合并形核取向差较小的相邻亚晶合并成再结晶晶核; 亚晶直接长大形核取向差较大的亚晶界吞并其它亚晶或变形部分形成晶核; 两种方式最终亚晶界均成为大角度晶界.,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,28,7.3 再结晶,再结晶晶核的长大 长大方式 凸出方式: 超过临界半径后自发向高畸变能晶粒中生长; 亚晶机制: 形成大角度晶界后可迅速移动,扫除位错,留下无应变晶体. 几点注意: 晶界迁移驱动力相邻晶粒间畸变能差; 晶界移动方向背
9、向曲率中心; 再结晶结束晶核向畸变晶粒扩展,直至再结晶晶粒(无应变等轴晶)相互接触.,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,29,7.3 再结晶,V t 时间已经再结晶的体积分数; B,k常数.,再结晶动力学 等温再结晶动力学曲线具有典型形核-长大过程的动力学特征: 开始时再结晶速度很小，在体积分数为0.5时最大，然后减慢:,再结晶速度与温度的关系:,等温再结晶曲线,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,30,7.3 再结晶,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,31,7.3 再结晶,再结晶温度 定义: 冷变形金属开始进行再结晶的最低温度; 测定: 金相法、硬度法; 实际应用的再结
10、晶温度: 经较大冷变形(变形量70%)的金属在1小时内能够完成再结晶的最低温度; 经验公式: Tk=(0.35 0.45) Tm 实际再结晶退火温度一般比该温度高100200。 影响再结晶温度的因素: 变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低； 纯度越高，再结晶温度越低； 加热速度太低或太高，再结晶温度提高。,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,32,7.3 再结晶,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,33,7.3 再结晶,影响再结晶的因素 退火温度加热温度越高,再结晶速度越快. 变形程度 变形程度越大,再结晶驱动力越大,故开始再结晶温度越低,等温退火时再结晶速度越快; 变形量增大到
11、一定程度后Tk趋于稳定; 变形量低于一定值再结晶不能进行.,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,34,7.3 再结晶,影响再结晶的因素 原始晶粒尺寸 晶粒越小, 变形抗力越大, 驱动力越大,Tk降低; 晶粒越小, 晶界越多，越有利于形核. 分散相粒子（表7-3） 间距和直径都较大时,提高畸变能,并可作为形核核心,促进再结晶; 直径和间距很小时,提高畸变能,但阻碍晶界迁移,阻碍再结晶. 微量溶质元素阻碍位错和晶界的运动,不利于再结晶.,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,35,7.3 再结晶,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,36,7.3 再结晶,式中: G 长大速率; N
12、形核速率;k 常数,再结晶晶粒大小的控制 再结晶晶粒大小决定金属的力学性能; 再结晶晶粒的平均直径:,G/N减小(形核率高,长大速率低),晶粒细化; 影响再结晶的因素亦影响再结晶晶粒大小;,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,37,7.3 再结晶,原因: 变形度很小驱动力不足;2% 8%范围,变形不均匀形核率N小,晶粒粗大;变形度超过临界值, N,G都增大,但vNvG, G/N减小,d减小. 生产中应避免临界变形量.,变形度 2%, 不发生再结晶;超过8%, 变形度增加,晶粒细化;,影响因素: 预先变形程度 临界变形度: 2% 8%, 再结晶晶粒特别粗大;,2018/9/28,第七章 回
13、复与再结晶,38,7.3 再结晶,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,39,7.3 再结晶,微量溶质原子和杂质 增加储存能,阻碍晶界移动,有利于晶粒细化.,影响因素: 原始晶粒尺寸 晶粒越小,驱动力越大,形核位置越多,使晶粒细化.,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,40,7.3 再结晶,影响因素: 温度 变形温度越高,回复程度越大,储存能减小,晶粒粗化; 退火温度越高,临界变形度越小,晶粒粗大.,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,41,7.4 再结晶后的晶粒长大,晶粒长大的驱动力界面能的降低 晶粒长大方式 正常长大 再结晶后的晶粒均匀连续地长大,大多数晶粒的长大速度相差不大. 异常长大二次再结晶 再结晶后少数晶粒突发性地不均匀长大,晶粒长大速度相差较大.,2018/9/28,第七章 回复与再结晶,42,7.4 再结晶后的晶粒长大,晶粒长大的驱动力 来源于晶界迁移后总界面能的降低,界面为球面时:,晶粒的正常长大 晶粒长大的方式 大角度晶界迁移、大晶粒吞食小晶粒; 晶界向曲率中心移动.,界面能 增加或曲率半径r减小都可使驱动力p增大; p 使原子向界面凸侧扩散,界面向凹侧(曲率中心侧)移动直至变为平直(p=0).,与再结晶晶核长大时晶界的迁移方向相反,p:界面两侧压应力差; : 单位界面能; r : 曲率半径.,
