冷变形金属的恢复和热加工原理

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多边形化
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多边形化
• 为了降低界面能，小角度亚晶界有合并为大位 向差亚晶界的趋势
• 首先亚晶部分合并成Y形结点，再通过结点的 移动使分叉消失形成大亚晶
• 这类亚晶结构稳定不易迁移，阻碍以后的再结 晶过程，不能成为再结晶的核心
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性能恢复程度愈大
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回复动力学特点
• （1）回复过程没有孕育期 • （2）在一定温度下，初期的回复速率很大，
以后逐渐变慢，直到最后回复速率为零 • （3）每一温度的回复程度都有一极限值，退
火温度愈高，这个极限值也愈高，而达到此极 限值所需时间则愈短 • 4）回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水 平
• 储能的主要形式是与点阵畸变和晶体缺陷相联 系的畸变能
• 储能是回复和再结晶的驱动力，在回复和再结 晶阶段全部释放出来
• 按材料种类的不同，储能释放曲线A、B、C三 种形式
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冷变形材料退火时储能的释放
A:纯金属 B：不纯 的金属 C：合金
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多边形化
• 多边形化过程一般是当晶体受弯曲变形后，在 较高温度下回复退火才发生的，而且只在产生 单滑移的单晶体中，多边形化过程才最为典型
• 在多晶体中，产生多系滑移的情况下，也可能 发生多边形化，不过此时易形成胞状组织，多 边形化不那么明显、典型
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• 室温下，原子扩散能力低，这种亚稳状态可一 直维持下去
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金属的加热过程
• 如果把冷变形金属进行加热，就会发生组织结 构和性能的变化
• 储能是促使冷变形金属发生变化的驱动力
• 根据冷变形金属加热时加热温度的不同，从储 能释放及组织结构和性能的变化来分析，将发 生回复、再结晶及晶粒长大过程
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冷变形金属退火时某些性能的变化
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回复、再结晶、晶粒长大三个阶段金属性能变化
• 电阻率在回复阶段已有明显下降，到再 结晶开始时下降更快，最后恢复到变形 前的电阻
• 强度与硬度在回复阶段下降不多，到再 结晶开始后，硬度一般急剧下降
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回复动力学
• 回复动力学特征可以用一方程式来描述
• 设P为冷变形后在回复阶段发生变化的某 种加工性硬能化，造P0成为的变该形性前能该的性增能量的值，Δ P为
P-P0=Δ P
• 这个增量与晶体中晶体缺陷（空位、位
错等）的体积浓度CP成正比
P-P0=Δ P=KCp
并与胞壁中的异号位错互相抵消，使 位错网，胞壁变薄，且更 界上有更多的
位错密度降低，而且位错变得较平直、清晰，单胞也有所长大， 位错按低能态
较规整，如图（a）、(b)
如图(c)，此时，胞状组织 的位错网络排
实际上就是亚晶粒
列，如图(d)
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纯铝室温5％冷变形后200℃回复退火不 同时间位错胞壁结构的变化
(9-2)
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回复动力学
• 在某一温度进行等温回复过程中，晶体缺陷的 体积浓度将发生变化，伴随着性能P也发生变
化。它们随时间的变化率为
d（P-P0）/dt=KdCp/dt
(9-3)
• 缺陷的运动（变化）是一个热激活的过程，假
定 其 激 活 能 为 Q， 按 照 化 学 动 力 学 的 方 法
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冷变形材料退火时储能的释放
• 纯金属，不纯的金属和合金共同特点是每一曲 线都出现一高峰，这个高峰出现的位置对应于 再结晶开始的温度，在此之前，只发生回复
• 在回复阶段，A（纯金属）型曲线储能释放少， C型曲线储能释放多，B型曲线则介乎二者之间
• 这种差别是由于杂质原子和合金元素阻碍再结 晶的形核和长大，推迟再结晶过程，从而使不 纯金属和合金中的储能在再结晶开始以前能通 过回复而较多地释放出来
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多边形化时位错的移动和排列
回复前位错的分布 金属塑性变形后， 滑移面上塞积的同 号刃位错沿原滑移 面成水平排列
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回复后的
多边形化， 形成位错 墙
高温回复时，刃位错 通过滑移和攀移使位 错变成沿垂直滑移面 的排列，形成位错墙
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亚晶粒合并
a.合并前的亚晶粒
b.开始合并，一个亚晶粒在转动
c.刚合并后的亚晶粒结构
d .某些亚晶界迁移后的最终亚晶粒结构
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回复机制
• 根据亚组织变化的观察，以及激活能的测定分 析认为回复是空位和位错通过热激活改变了它 们的组态分布和数量的过程
(9-5)
• 从lnt－1/T关系可求出激活能，利用对激活能值的分 析可以推断可能的回复的机制
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回复动力学
如果采用两个不同的温度将同一冷变形金属的性能回复 到同样的程度，则
Aexp
Q RT1
t1

A
exp

Q RT2
• 经塑性变形后的金属再进行加热的过程称之为 “退火”
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冷变形金属退火时晶粒形状和大小的变化
晶粒长 大阶段 新晶粒 互相吞 并而长 大
回复阶段组织几乎没 再结晶阶段先出现新的无畸变的核心，然
有变化，晶粒仍是冷 变形后的纤维状
后长大，直到完全改组为新的、无畸变的 细等轴晶粒
• 有的金属在回复阶段硬度反而有所增加
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冷变形金属退火时某些性能的变化
• 内应力在回复阶段也明显降低
1.宏观内应力在回复时可以全部或大部被 消除
2.而微观内应力在回复时部分消除
3.要全部消除，必须加热到再结晶温度以 上
• 材料的密度随退火温度升高而逐渐增加
dCp/dt=-ACpe（-Q/RT）
则 d（P-P0）/dt=-K ACpe（-Q/RT）
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回复动力学
• 将式（9-2）代入得
d（P-P0）/（P- P0 ）= - ACpe（-Q/RT）dt
• 积分得
ln（P-P0 ）=-ACpe（-Q/RT）t
(9-4)
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H68黄铜退火组织
6.9mm轧到1.0mm，ε＝83％， 轧制后晶粒拉长，破坏，出 现大量滑移带， 形成纤维组 织，120x
冷轧后退火，组织 完全恢复，120x
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5Leabharlann 属的储能• 金属在塑性变形时所消耗的大量能量，除绝大 部分转化为热以外，尚有一小部分以储能的形 式保留在金属之中
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9.3 冷变形金属的再结晶
• 冷变形后的金属加热到一定温度后，在原来的 变形组织中产生了无畸变的新晶粒，而且性能 恢复到变形以前完全软化的状态，这个过程称 之为“再结晶”
• 再结晶的驱动力也是冷变形时所产生的储能 • 再结晶虽然也是形核、长大过程，但再结晶在
200004.18 1 1
t1 5e 8.31 273 300 0.185(min)
t2
200004.18 1 1
5e 8.31 273 223
18500(min) 13(天)
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9.2.2 回复过程的组织变化与回复机制
第9章 冷变形金属的回复、再结晶与热加 工
• §1 变形金属加热时组织性能变化的特点 • §2 回复 • §3 再结晶 • §4 晶粒长大 • §5 金属的热加工 • §6 超塑性
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冷变形金属的回复、再结晶与热加工
• 塑性变形后的金属发生组织改变、产生了大量 晶体缺陷，同时，变形金属中还储存了相当数 量的弹性畸变能，因此冷加工金属的组织和性 能处于亚稳定状态
2．胞状组织的规整化
• 金属经塑性变形后存在胞状组织，其胞壁 位错密度很高。在回复过程中，这种变形 后的胞状组织将发生变化
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胞状组织的规整化
回复继续时，胞内变得几 回复再继续进
在回复初期，首先是过剩空位消失， 乎无位错，胞壁中的位错 行，亚晶粒继
变形胞状组织内的位错被吸引到胞壁，缠结逐渐形成能量较低的 续长大，亚晶
• 在低温范围内回复主要是过剩空位的消失，趋 向于平衡空位浓度
• 中等温度范围内的回复是位错重新滑移和交滑 移导致位错重新组合；异号位错会聚而互相抵 消以及亚晶粒长大
• 在较高温度范围的回复则包括了攀移在内的位 错运动和多边形化以及亚晶粒合并
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回复中刃型位错的攀移
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同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈 服应力的回复动力学曲线
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回复动力学
• 定义R为回复时已恢复的加工硬化，如式 所示
• R=（σm- σr ）/（ σm- σ0） (9-1) • 式 后及中完σm全，退σr火，的σ屈0分服别应表力示变形后、回复 • （1-R）则为剩余硬化分数 • R越大，即（1-R）越小，表示回复阶段
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9.2 冷变形金属的回复
• 9.2.1 回复动力学 • 所谓回复是指冷变形金属加热时，在新
的无畸变晶粒出现之前，所产生的亚结 构与性能变化的过程。回复动力学主要 研究冷变形结束后，材料的性能向变形 前回复的速率问题
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3．亚晶粒的合并
• 电镜观察发现，许多金属（如Cu、Al、Zr等） 在回复阶段相邻的两亚晶粒会相互合并而长大
• 可能是通过位错的攀移和位错壁的消失，从而 导致亚晶转动来完成的
• 合并之后，原来的亚晶界消失，两个亚晶的取 向趋于一致
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• 虽然在光学显微镜下看不到回复过程中组织的 明显变化，但从透射电镜下观察到的亚结构却 发生了重要变化。了解亚结构变化也是研究回 复机制的重要方面
• 回复时亚结构的变化主要有以下两种种情况 1．多边形化 2．胞状组织的规整化
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1．多边形化
• 高温回复时，通过位错的滑移和攀移使位 错变成沿垂直滑移面的排列，形成所谓的 位错墙，每组位错墙均以小角度晶界分割 晶粒成为亚晶，这一过程为位错的多边形 化

t2

t1

exp

R T2


e R

1 T2
1 T1

t2
exp

R T1

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回复动力学方程
例：已知锌单晶的回复激活能Q=20000cal/mol，在0℃
回复到残留75%的加工硬化需5min，问在27℃和-50℃回 复到同样程度需多长时间？ 解：
较高温度
1．位错攀移和位错环缩小 2．亚晶粒合并 3．多边形化
温度范围的划分是相对的，各种回复机制没有严格的温度界线
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回复退火的应用
• 主要用作去应力退火，使冷加工金属在 基本上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
• 式中A、C为常数，此式表示回复阶段性
能随时间而衰减，并遵从指数规律
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回复动力学
• 假若在不同温度下回复退火，让性能都达到同一P值 时，所需时间显然是不同的
• 测量出几个温度下回复到相同P值所需的时间，利用 式（9-4）并取对数，可得：
lnt=常数+Q/RT
a攀移形成小角度 晶界（多边化）
b两平行滑移面上异号 位错通过攀移相互抵消
c同一滑移面上异号位错攀 移过夹杂物后相互抵消
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d沿晶界的攀移
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温度 低温
中等温度
回复机制
回复机制
1．点缺陷移至晶界或位错处而消失 2．点缺陷合并
1．缠结中的位错重新排列构成亚晶 2．异号位错在热激活作用下相互吸引而抵消 3．亚晶粒长大