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1、中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院第四章 基于回复与再结晶 过程的退火 (1)4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 冷变形金属在加热退火过程中组织性能变化冷变形金属在加热退火过程中组织性能变化4.3 4.3 回复退火回复退火中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（1) 1) 对象对象: :冷变形或有严重内应力的金属及其合金冷变形或有严重内应力的金属及其合金4. 1 4. 1 概述概述提高塑性，降低变形抗力，有利于变形材料继续的后续加工（2) 2) 目的目的: :有利于加工制品的最终使用性能退火去内应力；制造强度和塑性配合良好的半硬制品；提高弹性极限（铜
2、合金的低温退火硬化现象）；提高耐蚀性和组织稳定性。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（4) 4) 退火过程中主要固态转变退火过程中主要固态转变: :回复、再结晶与晶粒长大Example:1. A steel wire under cold bending;2. Al-, Cu-alloys plate-annealedu随着冷变形程度增大，加工硬化，变形抗力增大，塑性降低；u变形不均，导致内应力产生。（3) 3) 原因原因: :中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院冷变形金属冷变形金属(1)纤维组织(2)变形织构(3)晶格畸变（储能）(4)晶体缺陷（储能
3、）：点缺陷、位错、亚晶界、堆垛层错等以及位错缠结、位错网胞等亚结构金属冷变形所消耗的变形功大部分（9098%）以热的形式耗散，小部分（210%）以储能的形式残留，存在金属内部。储能的结构形式是晶格畸变和各种晶体缺陷（如点缺陷、位错、亚晶界、堆垛层错等）4. 2 4. 2 冷变形金属在加热退火过程中组织性能变化冷变形金属在加热退火过程中组织性能变化中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Al with high purity compressed (strain of 0.3). Polycrystal specimen. Al with high purity compress
4、ed (strain of 1.5). Polycrystal specimen. 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院SEM backscattered micrographsof large-grained Al-0.1Mg: (a) deformed 50%, showing cell bands aligned at 40o to rolling plane, (b) deformed 70%, showing large scale deformation banding of grain A. Large-grained materials中南大学中南大学金属材
5、料热处理MSE_材料科学与工程学院EBSD maps for microstructure of medium-sized Al-0.1Mg after deformation at strains: (a) 0.69, (b) 1.2, (c) 2.6, (d) 3.9. Comparison with large-sized materials, here the low angle boundaries are less aligned, and new high angle boundaries through deformation banding is less extensive
6、 and tends to occur mainly at the higher strains.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Optical micrograph of the as-cast AA5754 alloy cold rolled to 95% reduction showing the alignment of particles and particle clusters (arrows) on the longitudinal plane along the rolling direction.For multiphase materials: p
7、recipitates中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院在加热退火过程中在加热退火过程中组织变化：组织变化：冷变形储能使冷变形金属的自由能提高，这是加热过程中组织变化的驱动力。经回复、再结晶、晶粒长大等过程，完全再结晶的金属组织和性能恢复到平衡态。不完全的可能停留在中间阶段。 加热时的转变过程：加热时的转变过程：回复：储能降低，能量再分配， 主要是空位、位错等运动、重布的过程。再结晶：储能差消失，无结构、成分的改变，仅伴随着缺陷运动与消失，是一种组织变化。晶粒长大：晶粒以小吃大，即界面能下降的过程。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Pure Ag d
8、eformed 50% and annealed at 300OC for 30S. Longitudinal, compression, shear bands, recrystallization中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Summary: Upon annealing after cold deformation 1. A large reduction in the number of point defects;2. Dislocations of opposite sign attract and/or annihilate each other;3.D
9、islocations rearrange themselves into lower energy configuration.4.Both point defects and dislocations are absorbed by grain boundaries migrating through the material;5. A reduction in the grain boundary area.Continue: figures中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院TEM images showing
10、 a tendency of cell formation of the AA5182 strained to 2.4.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Metal with lower energy of stacking fault:Early stages of recrystallization:Observations were carried out on the longitudinal section within the shear band area of a Ag crystal deformed 67% and annealed at 265C f
11、or 30S.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院冷变形冷变形33%5803sec5804sec5808sec5803min58015minRecrystallization of Mg alloys after deformed then annealed.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Discontinuous recrystallization in large-grained Al-0.1Mg (a)and AA8006 (b) at strain 3.9 annealed for 1 hour at 250oC.中南大学中南大学金属材料热
12、处理MSE_材料科学与工程学院中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院回回复复原原位位再再结结晶晶再再结结晶晶正正常常晶晶粒粒长长大大异常晶粒长大异常晶粒长大非均匀、不连续长大非均匀、不连续长大晶粒长大晶粒长大中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院原位再结晶与再结晶区别原位再结晶与再结晶区别：（1 1）小角度晶界（小于）小角度晶界（小于10151015 ）与大角度晶界）与大角度晶界（2 2）退火织构仍与原变形织构相同）退火织构仍与原变形织构相同原位再结晶实际上是指在一定的条件下，随着温度升高，时间延长，亚
13、晶长大到相当大（如大于10m），晶体取向几乎保持不变，而并形成新的再结晶晶核。原位再结晶是多边化和胞状亚组织形成的亚晶通过亚晶界迁移和亚晶粒合并的方式逐渐粗化后进一步长大粗化的过程。而这种亚晶进一步粗化实际上仍处于亚晶粗大化范畴，不是真正意义上的再结晶。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院加热退火过程中加热退火过程中性能变化：性能变化：New equiaxed and strain-free grainsLow temperture anneal hardening 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院4. 3 4. 3 回复退火回复退火（1)1)本质：
14、本质：低温退火过程，包括点缺陷运动、位错运动与重新组织分布。物理、化学性能变化明显软化，加工硬化减弱，强度下降，塑性提高，但都不明显。（2)2)力学性能的变化力学性能的变化除了与退火温度和时间有关外，还与材料本性（堆垛层错能大小）有关。金属可分三类：根据加热时冷变形金属所发生过程的本质，这类退火可分为回复退火、消除内应力退火、再 结晶退火等；而根据退火软化程度，则可分为完全退火和不完全退火。根据退火温度高低，则可分为低温退火、中温退火和高温退火。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院1 1层错能低，如层错能低，如CuCu、NiNi、AgAg、-Fe-Fe等及其合金等及其合金点
15、缺陷动，而位错不变，物理、化学性能变化明显，而力学性能基本不下降，加工硬化几乎完全保留，甚至有的合金还有所升高（低温退火硬化）；2 2层错能中，如层错能中，如AlAl、TiTi、-Fe-Fe等及其合金等及其合金位错较易重排（多边化、或亚晶粗化），位错密度下降，力学性能有所下降，加工硬化部分保留 ；3 3层错能高，如层错能高，如W W、MoMo等及其合金等及其合金位错易重排，多边化或亚晶粗化强烈，位错密度急剧下降，力学性能迅速下降，加工硬化基本消失 。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（3)3)低温退火硬化现象：低温退火硬化现象：Cu, NiCu, Ni合金中易出现合金中易
16、出现Cu-AlCu-32%Zn某些合金及金属回退（低温退火），强度，硬度，尤其是屈服极限，弹性极限不仅不下降反而有所升高。较普遍。 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院退火硬化机理：退火硬化机理：主要的有两种。（1）变形材料中的可动位错和退火时由多边化产生的位错壁中的可动位错发生闭锁;（2）退火时，杂质及合金元素原子形成的气团（在位错处或层错处产生偏聚，contrell气团、铃木气团 ），固溶体中产生了短程有序等等，钉扎或阻碍位错。退火硬化特点：退火硬化特点：（1）硬化值与合金成份有关 成份高， 高；（2）硬化值与冷变形程度有关 冷变形程度高， 高；（3）具有可逆性 冷变形
17、软化，再退火硬化中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院堆垛层错能强烈影响回复阶段位错重新组合倾向：位错分解成两个不全位错，夹一层错: 位错运动需先束集，堆垛层错能低，扩展位错宽，难束集，难以发生交滑移。回复阶段，Cu及其合金中仅有点缺陷变化，而位错密度变化小，储能释放小，力学性能基本不变化，但与点缺陷有关的物理、化学性能变化明显（如电阻等）。Al及其合金则可多边化、形成亚晶、发生亚晶粗化，回复较强，力学性能有所下降。W、Mo及其合金则回复更加强烈，储能大部分释放，形成较大的亚晶，加工硬化基本消失。（这一点对W、Mo的生产很重要， 再结晶退火会导致晶粒粗大，强烈提高脆化温度，使
18、材料不易加工，通常中间退火须采用回复退火）。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院（4)4)回复退火的应用回复退火的应用作为最终热处理： a 半硬制品生产 （软、硬、半硬） b 消除内应力 工厂中称之为低温退火，去应力退火利用低温退火硬化效应，提高弹性极限 （Cu基弹簧）中间退火，冷变形之间的中间退火 （W、Mo等及其合金）中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院
