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1、第九章第九章 材料的回复与再结晶材料的回复与再结晶 (Chapter 9 Recovery and Recrystallization of Materials ) 9.1 冷变形金属在加热时的组织、性能变化1 组织的变化 (recovery): 晶粒的形态和大小与变形态相同,但亚结构及性能已有变化 (recrystallization): 出现无畸变的等轴晶粒,逐步取代变形晶粒 (grain growth): 再结晶结束后的晶粒继续长大加热时间延长或加热温度升高 Brass(Cu-Zn)33%CW3s at 580 4s at 5808s at 580, completely RC15min
2、 at 580, grain growth10min at 700, grain growth2 性能的变化 强度和硬度(strength and hardness): 变化小,再结晶阶段变化大 电阻(resistance): 回复阶段已有大的变化 内应力(inner stress): 回复阶段消除大部或全部内应力, 再结晶阶段全部消除微观内应力 亚晶粒尺寸: 回复阶段变化小 密度(density): 再结晶阶段急剧变化(缺陷减少) 储存能的变化: 再结晶阶段释放多 9.2 回复(Recovery)1 回复动力学(recovery kinetics) 回复是冷变形金属在退火时发生组织性能变化的
3、早期阶段, 在此阶段内物理或力学性能的回复是随温度和时间而变化的 定义剩余应变硬化分数(1-R), R为屈服强度回复率 R = (m-r)/(m-0)m:变形后的屈服强度r:回复后的屈服强度0:完全退火后的屈服强度(1) 没有孕育期(no incubation period); (2) 在一定温度下,初期回复率大, 随后逐渐变慢,直至趋近于零; (3) 预变形量越大,起始回复率也越快 回复特征可用一级反应方程表示 t为恒温下的加热时间,x为冷变形导致的性能增量经加热后的残余分数; 在不同温度下,如以回复到相同程度作比较,可得:(4) 每一温度的回复程度有一极限值, 温度越高,该值越高,达到极限
4、值所需时间越短; lnt = A + Q/(RT)可求出回复激活能积分得: 回复是一个驰豫过程(relaxation process),其特点: 2 回复机制(recovery mechanism)(1) 低温回复:点缺陷密度急剧下降,宏观上电阻率变化大 (2) 中温回复:位错运动(滑移)和重新分布 (3) 高温回复:刃型位错可以获得足够能量攀移, 发生多边化(polygonization) 多边化即位错通过滑移和攀移,在沿垂直于 滑移面方向上排列,形成具有一定取向差的 位错墙(小角度晶界),由此产生亚晶 (sub-grain, sub-structure, mosaic structure)
5、 , 这种结构称为多边化结构 层错能高的金属易发生多边化, 层错能低的多边化困难 在随后的过程中,亚晶粒将迁移而使亚晶粒 合并长大9.3 再结晶(Recrystallization)1 再结晶过程1) 形核:以多边化形成的亚晶为基础形核 (1) 晶界凸出形核 再结晶是冷变形金属加热到一定温度后,在原变形组织中 重新产生了无畸变的新晶粒,性能发生明显的变化并恢复 到变形前状况的过程 再结晶是显微组织重新改组的过程, 可以基本消除冷变形的影响 是一个形核和长大的过程 : 再结晶晶核 长大 再结晶无晶体结构的变化 A晶粒变形小,亚晶尺寸大; B晶粒变形大,亚晶尺寸小 A晶粒中的某些亚晶凸入B晶粒中,
6、 吞噬B晶粒中的亚晶,形成无畸变 的再结晶晶核,降低系统的自由能 (2) 亚晶形核 a) 亚晶合并机制:1) 形核(cont) 位错的运动使一些亚晶界上的位错转移到周围 其它亚晶上,导致亚晶的合并; 合并后的亚晶的晶界上位错密度增加,逐渐转化 为大角度晶界,从而具有更大的迁移率,这种晶 界移动后留下无畸变的晶体,构成再结晶核心 此机制常出现在变形程度较大且具有2) 长大(growth):b) 亚晶迁移机制:(2) 亚晶形核(cont) 1) 形核(cont) 位错密度较高的亚晶界,其两侧的亚晶位相差大; 在加热过程中这些亚晶界容易迁移而成为大角度 晶界,从而成为再结晶核心 此机制常出现在变形程
7、度很大且具有 低层错能的材料中。 驱动力是新晶粒与周围畸变母体之间的应变能差 长大是再结晶晶核形成之后,借界面的移动 向周围畸变区域长大的过程 当变形晶体中全部形成 再结晶结束 2 再结晶动力学 (kinetics of recrystallization) 再结晶过程取决于形核率N 和长大速率G的大小; 再结晶过程有孕育期; 再结晶刚开始速度慢,逐步 加快,到再结晶分数为50% 时速度最快,随后逐渐变慢 1)再结晶的特点2)约翰逊-梅厄方程(Johnson-Mehl equation) 它适用于均匀形核,而不适用于有选择性形核的情形 (如形核优先在晶界等) 假定均匀形核,晶核为球形, 形核率
8、N和长大速率G不随时间改变,则再结晶的体积分数: 3)阿弗拉密方程(Avrami equation)或: k为常数2 再结晶动力学(kinetics of recrystallization, cont) 针对恒温再结晶时形核率N随时间t的增加而呈指数关系衰减再结晶的体积分数:当再结晶是三维时,k为3-4;当再结晶是二维时(薄板),k为2-3;当再结晶是一维时(丝材),k为1-2。 3) 等温温度对再结晶速率的影响 再结晶速率与产生某一再结晶体积分数的时间成反比 :即 : 在两个不同的恒定温度产生同样程度的再结晶时,可得: 2 再结晶动力学(kinetics of recrystallizat
9、ion, cont) 等温温度与再结晶速率的关系: 因此: ln1/t = lnA Q/(RT)可以比较在不同温度下等温退火完成再结晶所需时间 或: 根据lgt-1/T的关系,可以求再结晶激活能 3 再结晶温度及其影响因素 再结晶温度(recrystallization temperature): 冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。 一般以显微镜中出现第一颗新晶粒的温度或硬度下降50% 所对应的温度定为再结晶温度。 工业上通常以经过大变形量(70%以上)的冷变形金属, 经1小时退火完成再结晶(转变量大于95%)所对应的温 度为再结晶温度。 再结晶温度1) 变形程度的影响 冷变形量越大,再结晶
10、驱动力越大,再结晶温度越低;3 再结晶温度及其影响因素(cont) 变形量达到一定程度后,再结晶温度趋于稳定 给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量(临界变形度) (critical degree of deformation) 2) 原始晶粒尺寸 原始晶粒细小,冷变形后储存的能量大,晶界提供较多的形核位置,再结晶温度降低 3) 微量溶质原子 提高金属的再结晶温度,其原因归于溶质原子的偏聚阻碍位错的滑移和晶界的迁移,不利于再结晶的形核和长大 4) 粒子(precipitates) 一般,第二相粒子尺寸大,间距宽时,有利形核,促进再结晶第二相粒子尺寸小,间距密集时,阻碍再结晶 3 再结晶温度及其
11、影响因素(cont)4 再结晶后的晶粒大小1) 变形度的影响 临界变形度:给定温度下发生再结晶需要的最小变形量;临界变形度下再结晶得到特别粗大晶粒2) 退火温度的影响 退火温度对刚完成再结晶时晶粒 尺寸的影响不大; 再结晶后的晶粒尺寸d与形核率N和长大速率G的关系:d = C(G/N)1/4 当变形度大于临界变形度后, 变形度越大,晶粒越细小 降低临界变形度数值; 加速再结晶后的晶粒长大过程 9.4 晶粒长大(grain growth)1 晶粒的正常长大及其影响因素 当合金中存在第二相颗粒时,这些颗粒对晶界的迁移有阻碍作用。 再结晶结束后,若继续提高加热温度或延长加热时间, 引起晶粒进一步长大
12、的现象。 晶粒长大的驱动力是总晶界能的降低。 晶粒比较均匀的长大称为晶粒正常长大 恒温下正常晶粒长大的关系式:Dt = Ktn = K0 exp(-Q/RT)tn 第二相的尺寸越小,数量越多,再结晶的晶粒越细小 则:设 为晶粒停止长大时的平均直径, r 为第二相粒子的半径, f 为第二相的体积分数,n的数值一般小于1 2 异常晶粒长大(二次再结晶, abnormal grain growth, secondary recrystallization) 异常晶粒长大是当再结晶完成后的金属继续加热到 某一温度以上,少数晶粒突然反常长大的现象 异常晶粒长大的基本条件a) 正常晶粒长大过程被分散相微粒
13、、织构等强烈阻碍, 再结晶过程产生细小晶粒。b) 当进一步加热时,这些阻碍正常晶粒长大的因素一旦 消失,少数晶粒就可能异常长大 硅铁中MnS的存在可能导致异常晶粒长大 9.5 再结晶织构与退火孪晶(annealing twins)(1) 与原有的织构相一致; (2) 原有织构消失而代之以新的织构; (3) 原有织构消失不再产生新的织构 1 再结晶织构(recrystallization texture) 具有变形织构的金属经再结晶后的新晶粒若仍具有择优取向, 则称为再结晶织构 再结晶织构与变性织构的关系2 退火孪晶(annealing twins) (1) 晶界交角处(A); (2) 贯穿晶粒的完整退火孪晶(B); (3) 一端中止于晶内的不完整孪晶(C) 退火孪晶晶粒生长过程中形成的 退火孪晶的形态 层错能低的晶体容易形成退火孪晶 如果材料在较高温度形变时,回复和再结晶在形变过程中相继发生, 则称为动态回复和动态再结晶。它们是热加工过程中的重要现象。 热轧时的组织变化