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1、返回返回第四章第四章 回复与再结晶回复与再结晶变形金属的热行为返回返回章目录：章目录：4.1 4.1 冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化4.2 4.2 回回 复复4.3 4.3 再结晶再结晶4.4 4.4 再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大4.5 4.5 再结晶退火及其组织再结晶退火及其组织4.6 4.6 金属的热变形金属的热变形4.7 4.7 超塑性加工超塑性加工返回返回经冷变形的金属具有如下特点：经冷变形的金属具有如下特点：机械性能和理化性能发生明显变化。强度、硬度升高，塑性韧性下降。机械性能和理化性能发生明显变化。强度、硬度升高，塑性韧性下降。组织结构有明显变化。晶粒变形
2、，缺陷增加，位错胞形成。组织结构有明显变化。晶粒变形，缺陷增加，位错胞形成。处于自由能较高的不稳定状态。处于自由能较高的不稳定状态。冷加工时，外力所作之功，除消耗于成型中摩擦阻力以及工件变形冷加工时，外力所作之功，除消耗于成型中摩擦阻力以及工件变形时的发热外，尚有一小部分（约占总功时的发热外，尚有一小部分（约占总功2 21010）存储在变形晶体中，）存储在变形晶体中，这种储存能主要以位错的形式存在，使晶体内能增加。这种储存能主要以位错的形式存在，使晶体内能增加。可以推想，如果金属中原子获得足够的活动性，便会自发地向能量可以推想，如果金属中原子获得足够的活动性，便会自发地向能量较低的稳定状态变化
3、。较低的稳定状态变化。返回返回4 4.1.1 冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化一、组织的变化一、组织的变化 经冷变形的金属逐渐增加温度，显微组织会发生经冷变形的金属逐渐增加温度，显微组织会发生三个阶段的变化。三个阶段的变化。返回返回三阶段的微观特征：三阶段的微观特征：0 T1：纤维组织不变，但亚结构有所变化。纤维组织不变，但亚结构有所变化。回复回复T1T2：新的等轴晶形成，直至形变晶粒完全耗尽：新的等轴晶形成，直至形变晶粒完全耗尽 （纤维组织消失）。（纤维组织消失）。再结晶再结晶T2T3：新晶粒继续长大。：新晶粒继续长大。晶粒长大晶粒长大若将冷变形金属快速加热到若将冷变形金属快
4、速加热到0.5Tm以上恒温，随加热时以上恒温，随加热时间间t t延长，也会出现上述三个阶段的变化。延长，也会出现上述三个阶段的变化。返回返回二、储存能的变化二、储存能的变化扫描示差量热计分别检测已变形扫描示差量热计分别检测已变形和未变形的两块试样，加热到和未变形的两块试样，加热到相相同同温度所消耗的功率温度所消耗的功率P，得差值。，得差值。PP未未P变变作作P T曲线如图，能量释放曲线如图，能量释放峰对应于新晶粒的出现峰对应于新晶粒的出现 再结再结晶，在此之前为回复。晶，在此之前为回复。TP0ABT再再T再再A 纯金属，纯金属，B 合金合金TP变变P未未返回返回三、性能的变化三、性能的变化 经
5、冷变形的金属经冷变形的金属缓慢加热，测其性能缓慢加热，测其性能的变化，如图所示。的变化，如图所示。性能急变区对应于新性能急变区对应于新晶粒的出现，再结晶晶粒的出现，再结晶之前为回复，之后为之前为回复，之后为晶粒长大。晶粒长大。返回返回 总之：由以上变化说明，冷变形金属在加热时要总之：由以上变化说明，冷变形金属在加热时要经历三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。经历三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。回复：回复：新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构与性新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构与性能的变化。能的变化。再结晶：再结晶：出现无畸变的等轴晶逐步取代变形晶粒的过出现无畸变的等轴晶逐步取代变形晶粒的过
6、程。程。晶粒长大：晶粒长大：指再结晶结束之后，晶粒的继续长大。指再结晶结束之后，晶粒的继续长大。返回返回4 4.2 2 回回 复复 回复过程中，光学纤维组织未见变化，因而对回复回复过程中，光学纤维组织未见变化，因而对回复的研究只能从性能变化入手，通过回复动力学的研究，的研究只能从性能变化入手，通过回复动力学的研究，并辅以薄膜透射电镜观察，从而推断其微观过程。并辅以薄膜透射电镜观察，从而推断其微观过程。返回返回一、回复动力学一、回复动力学 基本思路：基本思路：冷变形金属在回复过程中性能的变化（如：冷变形金属在回复过程中性能的变化（如：加工硬化加工硬化 电阻率电阻率 、致密度、致密度 等）等），与
7、晶体缺陷的密度下，与晶体缺陷的密度下降有关。而晶体缺陷密度的下降，取决于回复温度和时间，降有关。而晶体缺陷密度的下降，取决于回复温度和时间，建立以上关系可得回复动力学方程。建立以上关系可得回复动力学方程。如：加工硬化在回复过程中下降，设晶体加工硬化后如：加工硬化在回复过程中下降，设晶体加工硬化后屈服强度与某种晶体缺陷的体积浓度成正比。屈服强度与某种晶体缺陷的体积浓度成正比。0 充分退火试样的屈服强度，充分退火试样的屈服强度，Cd 缺陷浓度缺陷浓度返回返回等温回复过程中：等温回复过程中：B 反应速率，按阿累尼乌斯公式：反应速率，按阿累尼乌斯公式：代入前式得：代入前式得：分离变量并积分：分离变量并
8、积分：*由于缺陷衰减过程是热激活过程，可按化学动力学一由于缺陷衰减过程是热激活过程，可按化学动力学一级反应处理：级反应处理：返回返回 即：在一定温度下，等温回复随时间的延长，加工硬即：在一定温度下，等温回复随时间的延长，加工硬化将按指数衰减。化将按指数衰减。如图为变形锌在不同温度下等温回复时，屈服强度的如图为变形锌在不同温度下等温回复时，屈服强度的衰减曲线，其中：衰减曲线，其中：x 加工硬化残余分数加工硬化残余分数m m 变形后的屈服强度变形后的屈服强度 回复回复后的屈服强度后的屈服强度tx返回返回 将阿氏公式代入将阿氏公式代入*上式得：上式得：取取为定值，而测量不同温度下回复到相同为定值，而
9、测量不同温度下回复到相同值的时间。值的时间。ln t或：或：如图：如图：由实验斜率可求得由实验斜率可求得Q，据此推算其机制。，据此推算其机制。斜率斜率Q/R返回返回 一般来讲，激活能一般来讲，激活能Q不只是一个，常按回复温不只是一个，常按回复温度高低分为低温、中温和度高低分为低温、中温和高温回复。对应的激活能高温回复。对应的激活能为为Q1、Q2、Q3。Q3Q2Q1ln t返回返回二、回复机制二、回复机制1 1、低温回复、低温回复 一般在一般在0.10.10.30.3Tm，对应于，对应于Q1 。电阻率下降明显。电阻率下降明显（对点缺陷敏感）。（对点缺陷敏感）。机制：过量空位消失，趋向平衡空位浓度
10、。机制：过量空位消失，趋向平衡空位浓度。2 2、中温回复、中温回复 0.30.30.50.5Tm，对应于，对应于Q2。与位错的滑移有关：。与位错的滑移有关：同一滑移面上异号位错的相消。同一滑移面上异号位错的相消。位错偶极子的两根位错线相消。位错偶极子的两根位错线相消。返回返回 3 3、高温回复、高温回复 0.5Tm，Q3 机制：位错的攀移和重新排列成较稳定的组态机制：位错的攀移和重新排列成较稳定的组态 多边化过程多边化过程 例：例：Fe3Si单晶按下图截取，弯曲变形后，放在单晶按下图截取，弯曲变形后，放在650、700、800保温一小时，蚀坑法显示位错位置。保温一小时，蚀坑法显示位错位置。45
11、45（111）（111）x射线衍射射线衍射:弯曲前弯曲前 弯曲后弯曲后 多边化后多边化后返回返回机制：攀移滑移机制：攀移滑移变形后的位错蚀坑变形后的位错蚀坑700回复后的位错蚀坑回复后的位错蚀坑攀移攀移滑移滑移返回返回 多晶体的高温回复机制比单多晶体的高温回复机制比单晶体的多边化过程要复杂，但晶体的多边化过程要复杂，但本质上也是包含位错的滑移和本质上也是包含位错的滑移和攀移。同一滑移面上异号位错攀移。同一滑移面上异号位错的相消，密度下降，位错重排的相消，密度下降，位错重排成较稳定的组态。成较稳定的组态。对冷加工中已形成位错胞的对冷加工中已形成位错胞的晶体晶体,则表现为胞壁变薄，胞内则表现为胞壁
12、变薄，胞内位错进一步减少位错进一步减少,形成界面清晰形成界面清晰的亚晶。亚晶逐步聚合粗化的亚晶。亚晶逐步聚合粗化,亚亚晶界出现二维的位错网络。晶界出现二维的位错网络。冷变形后位错缠结冷变形后位错缠结回复回复0.5h0.5h位错平直位错平直化化50h50h后形成位错网络后形成位错网络300h300h后形成稳定网络后形成稳定网络返回返回三、回复退火的应用三、回复退火的应用 由回复机制可知：由回复机制可知：回复过程中电阻率的明显下降，主要回复过程中电阻率的明显下降，主要 是由于过量空位的减少和位错应变能是由于过量空位的减少和位错应变能 的降低；的降低；内应力的降低主要是由于晶体中微区内应力的降低主要
13、是由于晶体中微区 弹性应变大部分消除；弹性应变大部分消除；而强度和硬度下降甚少，则是由于位而强度和硬度下降甚少，则是由于位 错密度下降不多错密度下降不多,亚晶还较细小之故。亚晶还较细小之故。返回返回 因此可利用回复退火使冷因此可利用回复退火使冷变形变形金属在基本保持加工硬化的状态下，金属在基本保持加工硬化的状态下，降低其内应力，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高耐蚀性降低其内应力，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高耐蚀性;也也可利用回复退火，提高导电材料的导电性。可利用回复退火，提高导电材料的导电性。例：例：70Cu70Cu30Zn30Zn黄铜深冲子弹壳，由于残留应力及环境气氛的作黄铜
14、深冲子弹壳，由于残留应力及环境气氛的作用，在放置一段时间后会自动发生晶界开裂，可经用，在放置一段时间后会自动发生晶界开裂，可经250250退火处理。退火处理。例：冷拉钢丝卷制弹簧，要在例：冷拉钢丝卷制弹簧，要在250250300300进行回复退火以降低进行回复退火以降低其内应力并使之定型，而强度和硬度基本保持不变。其内应力并使之定型，而强度和硬度基本保持不变。例：冷拔铜丝导线需进行回复退火处理，以提高导电性能。例：冷拔铜丝导线需进行回复退火处理，以提高导电性能。返回返回4 4.3 3 再结晶再结晶 与回复相比，当冷变形金属材料加热到更高温度，其与回复相比，当冷变形金属材料加热到更高温度，其 显
15、微组织将发生彻底的改组，即再结晶。显微组织将发生彻底的改组，即再结晶。再结晶是一个形核和长大的过程，它的形核是可移动再结晶是一个形核和长大的过程，它的形核是可移动 的大角度晶界的形成。的大角度晶界的形成。长大则是核心向着尚未再结晶的部分移动，从而完成长大则是核心向着尚未再结晶的部分移动，从而完成 以新的无畸变的晶粒取代冷变形晶粒的过程。以新的无畸变的晶粒取代冷变形晶粒的过程。返回返回 再结晶的驱动力是冷加工的储存能，通过再结晶释放再结晶的驱动力是冷加工的储存能，通过再结晶释放 了储存能，使材料的组织与性能基本回复到形变前的了储存能，使材料的组织与性能基本回复到形变前的 状态，因此再结晶不是相变
16、。（结构未变化）状态，因此再结晶不是相变。（结构未变化）铁素体变形铁素体变形80%80%650650加热加热670670加热加热返回返回一、再结晶的形核与长大一、再结晶的形核与长大1 1、亚晶生长或合并形成大角度晶界（形变量较大时）、亚晶生长或合并形成大角度晶界（形变量较大时）亚晶合并亚晶合并 在回复阶段形成的亚晶，通过亚晶间的合并，成为转矩小，易于在回复阶段形成的亚晶，通过亚晶间的合并，成为转矩小，易于 迁移的大角度晶界，成为核心。迁移的大角度晶界，成为核心。（高层错能材料（高层错能材料AlAl，NiNi等）等）特点：特点：位错易于攀移，位错重排成稳定的亚晶界，胞内位错密度低。位错易于攀移，
17、位错重排成稳定的亚晶界，胞内位错密度低。返回返回 亚晶生长亚晶生长 通过亚晶界移动生长，成为大角度晶界。通过亚晶界移动生长，成为大角度晶界。（低层错能材料，位错难以重组，胞内位错密度高。如（低层错能材料，位错难以重组，胞内位错密度高。如CoCo、AgAg、CuCu、AuAu等）等）返回返回2 2、原有大角度晶界的凸出形核（形变量较小时）、原有大角度晶界的凸出形核（形变量较小时）冷变形金属中，当晶界两侧的晶粒位错密度相差较大时，在一定冷变形金属中，当晶界两侧的晶粒位错密度相差较大时，在一定的温度下，晶界的一段向位错密度较高的晶粒一侧突然移动。被的温度下，晶界的一段向位错密度较高的晶粒一侧突然移动
18、。被晶界扫掠过的区域，位错被界面吸收，冷加工储存能基本释放，晶界扫掠过的区域，位错被界面吸收，冷加工储存能基本释放，留下无畸变的小区域，这就是再结晶核心。留下无畸变的小区域，这就是再结晶核心。返回返回形核条件：形核条件：大角度晶界界面能大角度晶界界面能E 相邻晶粒的畸变能差相邻晶粒的畸变能差 高高低低2 l 由此可见，在形变量较小的材料中，出现由此可见，在形变量较小的材料中，出现E 较大的较大的区域较多。因此这种形核一般发生在形变量较小的金属区域较多。因此这种形核一般发生在形变量较小的金属中，发生弓出的晶界均是迁移率较大的大角度晶界。中，发生弓出的晶界均是迁移率较大的大角度晶界。返回返回3 3
19、、再结晶核心的长大、再结晶核心的长大 当再结晶核心形成后，可自发稳定的生长，驱动力当再结晶核心形成后，可自发稳定的生长，驱动力为两晶粒间的畸变能差，晶界移动的方向是背离曲率中为两晶粒间的畸变能差，晶界移动的方向是背离曲率中心方向。心方向。高高低低返回返回二、再结晶动力学二、再结晶动力学1 1、等温曲线、等温曲线 经冷变形的金属在不同温度下进行等温退火，测定经经冷变形的金属在不同温度下进行等温退火，测定经不同时间后已再结晶的体积分数，可得等温动力学曲线。不同时间后已再结晶的体积分数，可得等温动力学曲线。返回返回其中：其中：形核率，形核率，长大速率长大速率当考虑到当考虑到 随时间的衰减，经修正后可
20、随时间的衰减，经修正后可得得Avrami公式：公式：由曲线可见：再结晶与凝固动力学曲线相似，呈由曲线可见：再结晶与凝固动力学曲线相似，呈“S S”形，为典形，为典型的形核型的形核 长大相变过程。若用一般形核长大相变过程。若用一般形核 长大的相变动力学公长大的相变动力学公式（式（JohnsonMehl公式）描述：公式）描述：再结晶等温动力学曲线再结晶等温动力学曲线X再再lgt0T100%返回返回2 2、温度对再结晶速度的影响、温度对再结晶速度的影响 由等温曲线可见：等温温度越由等温曲线可见：等温温度越 高，再结晶进行得越快。产生高，再结晶进行得越快。产生 一定量的一定量的X再再,所需的时间也越所
21、需的时间也越 短。可以理解，温度越高，短。可以理解，温度越高，和和 均越大均越大,因而因而B值也越大，值也越大，相同时间下，相同时间下，X再再也越大。也越大。T1再结晶等温动力学曲线再结晶等温动力学曲线X再再lgt0T1 T2 T3T2T3100%返回返回 如果比较在不同温度下，获得相同的如果比较在不同温度下，获得相同的X再再所需时间，由实验结果，可得所需时间，由实验结果，可得 存在线性关系。存在线性关系。以上关系并非偶然，因为再结晶是一个热激活过程，其转变速度为：以上关系并非偶然，因为再结晶是一个热激活过程，其转变速度为：与实际相符与实际相符lnA斜率斜率QR/RV再再 单位时间内的转变分数
22、单位时间内的转变分数由实验求再结晶激活能由实验求再结晶激活能返回返回讨论：讨论：T，V再再。已知已知T1 1、T2 2温度下完成再结晶温度下完成再结晶 （X再再0.950.95）的时间分别为）的时间分别为t1、t2。则：则：可求出再结晶过程的激活能可求出再结晶过程的激活能QR可以估算不同等温温度下再结晶开始，再结晶到一定数可以估算不同等温温度下再结晶开始，再结晶到一定数量（如量（如50）或再结晶完成所需的时间。或再结晶完成所需的时间。lnA斜率斜率QR/R返回返回三、再结晶温度及其影响因素三、再结晶温度及其影响因素由于再结晶驱动力来自冷加工变形储存能，再结晶前由于再结晶驱动力来自冷加工变形储存
23、能，再结晶前后晶体结构并没有发生变化，所以再结晶不是相变。后晶体结构并没有发生变化，所以再结晶不是相变。因此不可能有固定的温度，而是在很大范围内变化。因此不可能有固定的温度，而是在很大范围内变化。为了比较不同材料再结晶的难易程度，需要定义再结为了比较不同材料再结晶的难易程度，需要定义再结晶的温度。晶的温度。返回返回1 1、再结晶温度、再结晶温度TK退火一小时能完成再结晶（退火一小时能完成再结晶（X再再9595），所对应的最），所对应的最低温度称一小时低温度称一小时TK。测量不同测量不同T下，完成再下，完成再 结晶所需时间结晶所需时间,得再结晶得再结晶 终了线，找出终了线，找出TK。但随变形量不
24、同但随变形量不同TK 不同。不同。Tt1hT0.3T0.5T0.770%50%30%一小时再结晶温度一小时再结晶温度TK（一般定义）（一般定义）返回返回 7070一小时再结晶温度一小时再结晶温度Tk（工业定义）（工业定义）经大变形量（经大变形量（70），），退火一小时能完成再结晶所对退火一小时能完成再结晶所对应的最低温度称应的最低温度称70一小时一小时TK，也称再结晶温度限。，也称再结晶温度限。它是衡量材料再结晶难易程度的指标。它是衡量材料再结晶难易程度的指标。返回返回2 2、影响再结晶温度的主要因素、影响再结晶温度的主要因素 形变量形变量 形变量越大，冷变形金属中的储存能越高，再结晶形变量越
25、大，冷变形金属中的储存能越高，再结晶驱动力越大，驱动力越大，和和 ，所以，所以TK。凡是增大凡是增大 和和 的因素均降低的因素均降低TK，反之则使，反之则使TK 如图为形变量与一小时再结晶如图为形变量与一小时再结晶温度的关系曲线。当形变量达温度的关系曲线。当形变量达70时，一小时再结晶温度降到极时，一小时再结晶温度降到极限，所以通常称限，所以通常称70一小时再结一小时再结晶温度为再结晶温度限。晶温度为再结晶温度限。TKTK70%形变量形变量返回返回对于工业纯金属，再结晶温度限与熔点之间有下列经对于工业纯金属，再结晶温度限与熔点之间有下列经验关系：验关系：TK（0.350.45)Tm (K)返回
26、返回 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸d d,变形抗力变形抗力,变形后储能变形后储能,驱动力驱动力，、，TK。微量元素微量元素 微量元素偏聚于位错和晶界，降低畸变能，阻止位错滑微量元素偏聚于位错和晶界，降低畸变能，阻止位错滑移和攀移以及晶界的迁移，降低移和攀移以及晶界的迁移，降低 和和 ，使，使TK。光光Al 85 Al 85 光光Mg 65 Mg 65 光光Cu:120Cu:120光光Ni:370Ni:370返回返回 第二相粒子第二相粒子一方面增加冷变形金属的储存能，增大了再结晶驱动力，一方面增加冷变形金属的储存能，增大了再结晶驱动力，有利于再结晶。有利于再结晶。另一方面阻碍加热时位错的重排、亚晶形
27、成、大角度晶界另一方面阻碍加热时位错的重排、亚晶形成、大角度晶界的形成、以及大角度晶界的推移，从而阻碍再结晶过程。的形成、以及大角度晶界的推移，从而阻碍再结晶过程。因此结果表现比较复杂，决定于两个矛盾的综合结果。因此结果表现比较复杂，决定于两个矛盾的综合结果。一般来讲：一般来讲：弥散度高弥散度高 阻碍阻碍 TK (自由程自由程小，小，d小小 nmnm级级)弥散度低弥散度低 加速加速 TK 见表见表7 73 3返回返回返回返回四、再结晶晶粒大小的控制四、再结晶晶粒大小的控制 再结晶后材料的机械性能的变化，主要取决于再结晶再结晶后材料的机械性能的变化，主要取决于再结晶后的晶粒大小。与凝固过程一样分
28、析，根据后的晶粒大小。与凝固过程一样分析，根据JohnsonMehl方程，可导得晶粒大小方程，可导得晶粒大小d为：为：可见，凡是影响可见，凡是影响 的因素，都影响再结晶的晶粒大小。的因素，都影响再结晶的晶粒大小。注：错误注：错误P259，式，式(7-11)返回返回 1 1、形变量的影响、形变量的影响 如图所式：以临界变形度如图所式：以临界变形度c为界为界 原始晶粒原始晶粒 粗大晶粒粗大晶粒细小晶粒细小晶粒 一般金属：一般金属：c 28 c，储存能，储存能，但因但因 ，而，而 ，所以所以 增加速度增加速度 ,即即 ,d。cd返回返回 c 时，由于时，由于 很小，所以晶粒显著粗化。很小，所以晶粒显
29、著粗化。因此，要想通过形变再结晶细化晶粒，必须：因此，要想通过形变再结晶细化晶粒，必须：大变形量大变形量 低的退火温度。低的退火温度。思考：子弹打穿铝思考：子弹打穿铝片，再结晶后晶粒片，再结晶后晶粒大小分布。大小分布。返回返回 2 2、原始晶粒的大小原始晶粒的大小 原始晶粒越小，大角度界面越多，易于形核，原始晶粒越小，大角度界面越多，易于形核，晶粒越细。晶粒越细。3 3、微量元素微量元素 一般细化，阻止一般细化，阻止 ，驱动力，驱动力，d d。4 4、变形温度变形温度 变形过程中有能量释放，变形过程中有能量释放，G驱驱，粗化。，粗化。返回返回5 5、退火温度、退火温度 退火温度退火温度TT，不
30、仅不仅dd，且，且c c临界临界变形度左移。变形度左移。返回返回4 4.4 4 再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大（其规律适用于所有加热条件下的晶粒长大）（其规律适用于所有加热条件下的晶粒长大）再结晶完成后继续升高温度或延长时间，都会使再结晶完成后继续升高温度或延长时间，都会使晶粒长大。晶粒长大是一个自发过程，晶界移动的驱晶粒长大。晶粒长大是一个自发过程，晶界移动的驱动力来自总的界面能降低。动力来自总的界面能降低。晶粒长大晶粒长大正常晶粒长大正常晶粒长大异常晶粒长大（二次再结晶）异常晶粒长大（二次再结晶）返回返回 1 1、界面的迁动界面的迁动 如图，设晶粒如图，设晶粒，原子化学位分别原子化学
31、位分别 为为1、2。在界面处原子因热振动，晶粒在界面处原子因热振动，晶粒的原的原 子将跨越界面跳到晶粒子将跨越界面跳到晶粒。相反，晶。相反，晶 粒粒上的原子也不断跳回晶粒上的原子也不断跳回晶粒。因因12,由反应速率理论，由晶粒由反应速率理论，由晶粒 跳到晶粒跳到晶粒上的原子数要多一些，上的原子数要多一些，从而引起界面向晶粒从而引起界面向晶粒方向迁移。方向迁移。一、晶粒长大的一般规律一、晶粒长大的一般规律12界面界面v界界返回返回设：晶界的迁移速率设：晶界的迁移速率 F界界 界面迁移的驱动力界面迁移的驱动力 B 单位驱动力下的界单位驱动力下的界 面迁移速率面迁移速率界面宽度界面宽度12界面界面v
32、界界返回返回 由于界面弯曲，将造成晶粒由于界面弯曲，将造成晶粒产生附加压力产生附加压力P。柱形：柱形：P、晶粒水静压差晶粒水静压差 2 2、驱动力、驱动力（由界面曲率半径大小决定）（由界面曲率半径大小决定）rlPr则：则：返回返回 当界面为球面时当界面为球面时 由热力学：由热力学：两晶粒化学位之差：两晶粒化学位之差：返回返回 结论：结论：1/r 对晶粒对晶粒而言：而言：向外凸向外凸r为正，晶粒为正，晶粒化学位高于晶粒化学位高于晶粒 向外凹向外凹r为负，晶粒为负，晶粒化学位低于晶粒化学位低于晶粒 迁动方向：迁动方向：曲率中心方向，与再结晶核心长大相反曲率中心方向，与再结晶核心长大相反。返回返回在
33、二维截面上，任意三晶粒相交，由于在二维截面上，任意三晶粒相交，由于 大角度晶界的界面能与晶粒的取向无关，大角度晶界的界面能与晶粒的取向无关，平衡时有：平衡时有：1 12 23 3120120，形貌如下图形貌如下图b，正六边形。，正六边形。对于大晶粒，通常与许多小晶粒相邻，表现为具有较多的边，图对于大晶粒，通常与许多小晶粒相邻，表现为具有较多的边，图c。对于小晶粒，对于小晶粒，则边较少，图则边较少，图a。3123 3、晶粒长大趋势、晶粒长大趋势AB BC AC ABC120返回返回为了保持三叉界角度为为了保持三叉界角度为120,120,大晶粒边向外凹，小晶大晶粒边向外凹，小晶粒向外凸，于是大晶粒
34、有向外扩张的趋势，而小晶粒粒向外凸，于是大晶粒有向外扩张的趋势，而小晶粒有被吞并的可能，表现为大吃小。有被吞并的可能，表现为大吃小。所以平衡组织通常具有六边形所以平衡组织通常具有六边形120120的大致规律。的大致规律。120abc120返回返回二、再结晶晶粒正常长大及其影响因素二、再结晶晶粒正常长大及其影响因素 1 1、正常、正常长大长大（等温退火，晶粒平均半径（等温退火，晶粒平均半径 t 的关系）的关系）t 抛物线规律抛物线规律得：得：为为t=0时刻（再结晶完成时算）晶粒大小。时刻（再结晶完成时算）晶粒大小。DD VBKKdtd _)2(1 =DD=tDDK dtdt_0 0DDr dtd
35、v =而而界界Q返回返回2 2、影响因素、影响因素lnKT1tDDt202ln-讨论：讨论：a.T的影响的影响t的影响，的影响，T，b.根据：根据：可求得可求得Q界界晶界迁移的激活能晶界迁移的激活能RTQKDD _t_界界-=-lntln 202_DRQ界界斜率斜率-=温度温度VBK _2=注意到：注意到：）其中其中界界RTQAB /exp(-=代入代入）界界 /exp(RTQKK -=/exp(D202）得：得：界界RTQtKD t-=-返回返回 微量元素微量元素 降低表面能降低表面能，阻碍界面迁移，阻碍界面迁移，阻止晶粒长大。阻止晶粒长大。返回返回界界面面 第二相质点第二相质点 如图：阻止
36、界面迁移，如图：阻止界面迁移，v界界。设想第二相质点为球形设想第二相质点为球形,半径为半径为r。显然：显然：F阻阻随随而变化。而变化。令：令：45时有时有 一颗质点对界面迁移的最大阻力。一颗质点对界面迁移的最大阻力。sin界界面面界界面面r02cos2=qpqrF 阻阻qspqsqp2sinsincos2=rrF 阻阻sp=rF max返回返回 若晶界单位面积上有若晶界单位面积上有ns个质点，则单位面积上的总阻力为：个质点，则单位面积上的总阻力为：设想在晶体中，单位体积有设想在晶体中，单位体积有nv个质点，半径为个质点，半径为r，则：，则：（每个颗粒被平面切到的几率为（每个颗粒被平面切到的几率
37、为 ，有，有nv个）个）将将nv折合成体积分数折合成体积分数 f。单位界面上受到的阻力单位界面上受到的阻力单位体积试样单位体积试样12 r返回返回 另一方面，晶粒长大的驱动力为：另一方面，晶粒长大的驱动力为：单位体积的驱动力为：单位体积的驱动力为：在数值上，它与推动单位面积晶在数值上，它与推动单位面积晶 界的力界的力F 相同（如图）。相同（如图）。式中：曲率半径式中：曲率半径 晶粒半径。晶粒半径。当驱动力与阻力平衡时，界面停止迁动，当驱动力与阻力平衡时，界面停止迁动，长大也就停止了。此时的晶粒半径用长大也就停止了。此时的晶粒半径用 表示。表示。单位面积单位面积21F1返回返回 随着晶粒的长大，
38、驱动力随着晶粒的长大，驱动力 ，长大速度越来，长大速度越来 越慢。当驱动力与质点阻力平衡时，晶粒长大停止越慢。当驱动力与质点阻力平衡时，晶粒长大停止,平平 均半径稳定在极限值均半径稳定在极限值 。f 一定，一定，r 越小，越小，即弥散度即弥散度，越细。越细。r 一定，一定，f 越大，越大，质点数越多，质点数越多，越细。越细。讨论：讨论：返回返回例：例：W丝不加钍丝不加钍Th（ThO2存在），无第二相质点，晶粒很容存在），无第二相质点，晶粒很容易长大，只在易长大，只在10002000就会断掉。就会断掉。钢中加入少量铝、钛、钒、铌，使其形成高熔点弥散分钢中加入少量铝、钛、钒、铌，使其形成高熔点弥散
39、分布的氮化物，碳化物颗粒，可有效防止钢在高温加热时布的氮化物，碳化物颗粒，可有效防止钢在高温加热时的晶粒长大。的晶粒长大。新的冷拉钢丝绳吊挂新的冷拉钢丝绳吊挂1000左右热处理工件突然断裂。左右热处理工件突然断裂。返回返回 晶粒间位向差晶粒间位向差 ，界面能，界面能，长大驱动力长大驱动力 ，迁，迁移率越高。移率越高。大角度晶界迁移率高，大角度晶界迁移率高，小角度晶界迁移率较低。小角度晶界迁移率较低。双晶铅双晶铅 的关系的关系 返回返回 表面热蚀沟表面热蚀沟如图，薄板材料高温加热时，为达到表面张力平衡，形成热蚀沟，如图，薄板材料高温加热时，为达到表面张力平衡，形成热蚀沟，晶界迁动，界面面积增加，
40、因此热蚀沟对界面的迁移起阻碍作用。晶界迁动，界面面积增加，因此热蚀沟对界面的迁移起阻碍作用。当界面迁移驱动力与热蚀沟阻力平衡时，当界面迁移驱动力与热蚀沟阻力平衡时，晶粒长大停止，其极限半径为：晶粒长大停止，其极限半径为：其中：其中：a 板厚，板厚，表面张力，表面张力，界面张力界面张力表面表面bsaDgg=*sgbga返回返回三、再结晶后的异常长大三、再结晶后的异常长大 个别晶粒急剧长大，并逐渐吞并其周围的小晶粒，个别晶粒急剧长大，并逐渐吞并其周围的小晶粒，最后使整个金属中的晶粒变得非常粗大的现象。最后使整个金属中的晶粒变得非常粗大的现象。返回返回 发生条件：发生条件：有第二相粒子阻碍晶粒长大时
41、，个别地方阻碍因素一旦有第二相粒子阻碍晶粒长大时，个别地方阻碍因素一旦 消失，晶粒迅速长大。消失，晶粒迅速长大。如图：如图：Fe3%Si合金含合金含MnS杂质时，在杂质时，在930出现晶粒出现晶粒突然长大突然长大50倍。倍。1.无无MnS的高纯金属的高纯金属2.含含MnS的合金异常长大的合金异常长大3.含含MnS的合金正常长大的合金正常长大返回返回 出现明显织构的场合（大变形量）。由于少数取向出现明显织构的场合（大变形量）。由于少数取向 很不一致的晶粒与周围晶粒呈大角界面，迁移率很很不一致的晶粒与周围晶粒呈大角界面，迁移率很 快，出现二次再结晶。快，出现二次再结晶。薄板材料，薄板材料，相邻晶粒
42、表相邻晶粒表 面能相差大时，低表面面能相差大时，低表面 能的晶粒异常粗大。能的晶粒异常粗大。21返回返回4 4.5 5 再结晶退火及其组织再结晶退火及其组织 工业上利用再结晶退火，主要有以下三方面的目的：工业上利用再结晶退火，主要有以下三方面的目的：软化冷变形金属（中间退火），以便进一步加工。软化冷变形金属（中间退火），以便进一步加工。采用形变再结晶细化晶粒。采用形变再结晶细化晶粒。（尤其是无同素异构转变的材料）（尤其是无同素异构转变的材料）获得高密度再结晶织构。获得高密度再结晶织构。（如：电解电容器铝箔，硅钢片）（如：电解电容器铝箔，硅钢片）返回返回1 1、晶粒大小、晶粒大小 再结晶晶粒大小
43、受诸多因素的控制，但影响最显著的再结晶晶粒大小受诸多因素的控制，但影响最显著的是变形量和再结晶温度，工业上常用再结晶图来表示。是变形量和再结晶温度，工业上常用再结晶图来表示。两个粗晶区两个粗晶区：变形量很小的临界变形变形量很小的临界变形 （2 28 8）引起的粗晶。）引起的粗晶。大变形量经高温退火出大变形量经高温退火出 现二次再结晶引起粗晶。现二次再结晶引起粗晶。工业纯铝的再结晶图工业纯铝的再结晶图返回返回2 2、退火孪晶、退火孪晶f.c.c晶体不易形成形变孪晶，晶体不易形成形变孪晶，但易于形成退火孪晶。但易于形成退火孪晶。层错能低的层错能低的f.c.c材料如：材料如：CuCu、CuCuAlA
44、l合金、奥氏体合金、奥氏体 不锈钢等易形成退火孪晶。不锈钢等易形成退火孪晶。而而AlAl、NiNi不易形成，原因是它们的孪晶界面能高。不易形成，原因是它们的孪晶界面能高。返回返回3 3、再结晶织构、再结晶织构具有形变织构的材料再结晶时，为了降低界面能，新具有形变织构的材料再结晶时，为了降低界面能，新晶粒与变形晶粒将保持一定的位向关系，择优形核和晶粒与变形晶粒将保持一定的位向关系，择优形核和长大，将形变织构保留了下来，成为再结晶织构。长大，将形变织构保留了下来，成为再结晶织构。点阵类型点阵类型材料类型材料类型再结晶织构再结晶织构丝丝织织构构f.c.c大多数（低温）大多数（低温）保持形变织构保持形
45、变织构111+100111+100Al（高温）（高温）Cu（400400）Cu（950950）103103113113100100、112112112112、111111b.c.c保持形变织构保持形变织构110110h.c.pBe保持形变织构保持形变织构10 110 1Ti、Zr11 011 0返回返回点阵类型点阵类型材料类型材料类型再结晶织构再结晶织构板板织织构构f.c.cCu,Au,Ni,Al,ThCu-Zn,Cu-AlCu-Cd,Cu-ONi-Mn,Fe-Ni-Mn(100)001Ag,Ag-Au,Ag-Zn(113)2 1b.c.cFe,Ta,VFe-SiMo,W(111)1 1,(0
46、01)11(110)001,(100)001保持形变织构保持形变织构h.c.pZn,Mg,Be,Ti保持形变织构保持形变织构返回返回4 4.6 6 金属的热变形金属的热变形 除铸件和烧结件以外，一般金属材料或制品均要经除铸件和烧结件以外，一般金属材料或制品均要经 热变形成型。热变形成型。由于冷变形会引起加工硬化，只有随后的加热，通由于冷变形会引起加工硬化，只有随后的加热，通 过回复和再结晶，才能使之软化。过回复和再结晶，才能使之软化。但在热变形中，硬化和软化同时发生，因此加工过但在热变形中，硬化和软化同时发生，因此加工过 程中流变应力较小，可以获得较大的变形。程中流变应力较小，可以获得较大的变
47、形。一、热变形一、热变形返回返回高温高温T0.6Tm以上，高应变率以上，高应变率 0.5 500 S-1下的塑下的塑性变形。性变形。或：在或：在Tk以上，无加工硬化的温度下的塑性变形。以上，无加工硬化的温度下的塑性变形。注意：冷、热变形不是简单的以变形温度的高低来划注意：冷、热变形不是简单的以变形温度的高低来划分的。分的。例：例：W的最低再结晶温度为的最低再结晶温度为1200，在，在1000进行变进行变形仍属冷变形。形仍属冷变形。而而Pb、Sn的再结晶温度甚至低于室温，因此即使的再结晶温度甚至低于室温，因此即使在室温进行变形加工，也属热变形。在室温进行变形加工，也属热变形。1 1、定义：、定义
48、：返回返回2 2、静态、动态和亚动态回复再结晶、静态、动态和亚动态回复再结晶冷变形金属加热至高温进行的回复再结晶称静态的，冷变形金属加热至高温进行的回复再结晶称静态的，需要一定的孕育期。需要一定的孕育期。在形变的同时产生的回复再结晶称为动态的。在形变的同时产生的回复再结晶称为动态的。热变形完成后，由于材料仍处于较高温度发生的回复热变形完成后，由于材料仍处于较高温度发生的回复再结晶称为亚动态的，它无需孕育期，再结晶速度较再结晶称为亚动态的，它无需孕育期，再结晶速度较静态快。静态快。返回返回1 1、热变形应力应变曲线、热变形应力应变曲线 金属材料进行热变形时都不同金属材料进行热变形时都不同程度的伴
49、有动态回复和动态再结程度的伴有动态回复和动态再结晶，其应力应变曲线如图。晶，其应力应变曲线如图。实验结果：实验结果：T，。由。由图可见，一般分为三个阶段。图可见，一般分为三个阶段。二、动态回复与动态再结晶二、动态回复与动态再结晶/G纯铁热扭转试验纯铁热扭转试验返回返回 起始阶段起始阶段 表明有加工硬化，加工硬化表明有加工硬化，加工硬化 系数系数 随变形量的升高微降，随变形量的升高微降，最后流变应力达极值。最后流变应力达极值。头部形成（分两种情况）头部形成（分两种情况）a.直接达稳态直接达稳态 b.达极值后，随变形增加达极值后，随变形增加 有所下降，然后才达稳态。有所下降，然后才达稳态。热变形的
50、三个阶段：热变形的三个阶段：/G纯铁热扭转试验纯铁热扭转试验返回返回 .流变阶段（稳态）流变阶段（稳态）加工硬化率为加工硬化率为0 0，硬化软化，对热变形很有意义。，硬化软化，对热变形很有意义。温度为温度为T 时，应变率时，应变率 与流变应力与流变应力有如下关系：有如下关系：其中：其中：A、n 与温度无关的系数，与温度无关的系数，n45 Q 热变形激活能热变形激活能令：令：返回返回Z 温度校正应变率。温度校正应变率。意义：在稳态条件下，温度与应变率共同决定着流变意义：在稳态条件下，温度与应变率共同决定着流变应力的水平，由此来制定热加工工艺参数。应力的水平，由此来制定热加工工艺参数。当当一定时，