【材料科学基础考研讲义】材料的回复与再结晶

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
原始晶粒尺寸:晶粒越细,变形抗力越大,变形后的 储能越高,T再越低;
微量溶质原子:易于位错交互作用,阻碍形核和长大, 提高T再;
第二相粒子:可提高、或降低再结晶温度;
退火工艺:加热速度、加热温度、保温时间等工艺参数
的影响。
25
再结晶动力学
再结晶体积分数 vs. 时间
约翰逊-梅厄 (Johnson-Mehl)方程:
T再与ε的关系
T再℃ = (T熔℃+273)×0.4–273,如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
29
2、金属的纯度 • 金属中的微量杂质或合金元素,尤其高熔点元素起阻碍扩
散和晶界迁移作用,使再结晶温度显著提高. • eg. C 加入到纯Fe中变成低C钢,再结晶温度变为540 ℃。
6
冷变形金属在加热时的组织变化
recovery recrystallization grain growth
• 晶粒长大grain growth是指再结晶结束后晶粒的 长大过程,在晶界界面能的驱动下,新晶粒会发 生合并长大,最终达到一个相对稳定的尺寸。
7
冷变形金属在加热时的性能变化
A:强度、硬度和塑性 strength, hardness and ductility:
D:密度density:密度在再结晶阶段急剧增加,主要是 由于此时位错密度显著降低造成的。
E:储能的释放energy release:当加热到足以引起应力松
弛的温度时,储能就释放出来,再结晶阶段储能释放最
多,达到峰值。
9
黄铜的回复、再结晶和晶粒长大
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(a)是黄铜冷加工变形量达到CW =38%后的组织,可见粗大晶粒内 的滑移线。
13
2 中温回复机制 位错滑移!
异号位错相遇而抵销 位错密度降低 位错滑移
位错缠结重新排列 亚晶规整化
14
3 高温回复机制 位错攀移和滑移! 位错攀移(+滑移) 位错垂直排列(亚晶界) 多边化(亚晶粒) 弹性畸变能降低。
15
回 复 动 力 学 recovery kinetics
剩余应变硬化分数(1-R)
(b)经过580ºC保温3秒后,试样 上开始出现白色小的颗粒,即再结 晶出的新的晶粒。
(c)是在580ºC保温4秒后,显示 有更多新的晶粒出现。
(d)在580ºC保温8秒后,粗大的 带有滑移线的晶粒已完全被细小的 新晶粒所取代,即完成了再结晶。
(e)是保温15分后的金相组织。 晶粒已有所长大。
(f)则是在700ºC保温10分后晶粒
17
回复阶段退火的作用: ➢ 提高扩散 ➢ 促进位错运动 ➢ 释放内应变能
回复退火产生的结果: ➢ 电阻率下降 ➢硬度、强度下降不多 ➢ 降低内应力
18
5.3 再结晶recrystallization
• 当变形金属被加热到较高温度时,由于原子活动能力增大, 晶粒的形状:破碎拉长的晶粒 等轴晶粒。
➢ 回复过程无孕育期,加热立刻开始回复;
➢ 初期的回复速率大,随后逐渐变慢;
➢ 长时间退火后,性能出现一平衡值;
➢ 预变形量愈大,起始回复速率愈大。
16
• 在回复阶段,金属组织变化 不明显,其强度、硬度略有 下降,塑性略有提高,但内 应力、电阻率等显著下降。
• 工业上,常利用回复现象将 冷变形金属低温加热,既稳 定组织又保留加工硬化,这 种热处理方法称去应力退火 relief annealing。
长大。
23
再结晶的形核率和长大速率
再结晶的形核率是指单位时间、单位体积内形成的再结晶核 心的数目,一般用N表示;晶核一旦形成便会继续长大至相 邻晶粒彼此相遇,长大速率用G表示。
24
再 结 晶的形核与长大都受到储存能的驱动,主要影响因素有:
变形程度的影响:冷变形越大,储能越多,驱动力越大, 长大越快,T再越低
定义1:冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。 定义2:工业生产中,以经过大变形量(~70%以上)的变形 金属,经1h退火后完成再结晶(R95%)所对应的温度。
• 再结晶不是一个恒温过程,它是自某一温度开始, 在一个温度范围内连续进行的过程,发生再结晶 的最低温度称再结晶温度。
28
影响再结晶温度的因素:
3. 原始晶粒尺寸:晶粒越细,再结晶温度越低; 4.第二相粒子:可提高、或降低再结晶温度;
30
5、加热速度和保温时间 • 提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生, 延长加热时
间, 使原子扩散充分, 再结晶温度降低。 • 生产中,把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火
recrystallization annealing。再结晶退火温度比再结晶温 度高100~200℃。
34
再结晶的应用 恢复变形能力
改善显微组织 再结晶退火 消除各向异性
提高组织稳定性 再结晶退火温度:T再+100~200℃。
35
5.4 再结晶后的晶粒长大grain growth
• 再结晶完成后,若继续升高加热温度 或延长保温时间,将发生晶粒长大, 这是一个自发的过程。
580ºC保温8秒后的组织 580ºC保温15分后的组织
31
再结晶后晶粒的大小
由约翰逊-梅厄方 程得再结晶晶粒尺 寸d 为:
d

常数 (
GN)
1 4
G ~ 长大速率; N~ 形核率
(a)变形度的影响
(b)温度的影响
32
再结晶晶粒大小的控制(晶粒大小-变形量关系图)
1、预先变形度
• 预先变形度的影响,实质上是变形均匀程度的影响.
• 当变形度很小时,晶格畸变小,不足以引起再结晶.
3
6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
冷变形金属在加热时的组织变化
黄 铜
recovery
加热温度 ℃
recrystallization
grain growth
4
冷变形金属在加热时的组织变化
recovery recrystallization grain growth
• 回复recovery是指新的无畸变晶粒出现前所产 生的亚结构和性能变化的阶段,在金相显微镜 中无明显变化,仍保持原有的变形晶粒形貌, 若通过TEM,则可观察到位错组态或亚结构已 开始发生变化。
• 这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。
• 再结晶是一个晶核形成和长大的过程,但不是相变过程, 再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。
19
再结晶的驱动力? 驱动力:变形金属经回复后未被释放的储存能 (相当于变形总储能的90%)。
新晶粒长大通过短程扩散,再结晶程度依赖于 温度和时间。
5
冷变形金属在加热时的组织变化
recovery recrystallization grain growth
• 再结晶recrystallization是指出现无畸变的等轴新 晶粒逐步取代变形晶粒的过程。
• 在开始阶段,在畸变较大的区域里产生新的无畸 变的晶粒核心,即再结晶的形核过程;然后通过 逐渐消耗周围变形晶粒而长大,转变成为新的等 轴晶,直至冷变形晶粒完全消失。
预先变形度对再结晶晶粒度的影响
33
2 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。
3 合金元素和杂质: 增加储存能,阻碍晶界移动,有利于晶 粒细化。
4 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。
再结晶退火温度对晶粒度的影响
再结晶 与 固态相变 异同
➢ 再结晶的晶核不是新 相,晶体结构未变,而 固态相变出现新相;
➢ 固态相变倾向于晶界 成核,而再结晶以亚晶 为基础;
➢ 两者动力学过程相似。
转变率
再结晶
S—型曲线 转变率 ~ 时间
终了
固态相变
开始
孕育期
长大期
27
时间(对数形式)
再结晶温度 recrystallization temperature
• 当变形达到2~10%时,只有部分晶粒变形,变形极不均匀,再结晶晶粒大 小相差悬殊,易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大,这个变形度称临 界变形度。
• 当超过临界变形度后,随变形 程度增加,变形越来越均匀, 再结晶时形核量大而均匀,使 再结晶后晶粒细而均匀,达到 一定变形量之后,晶粒度基本 不变。对于某些金属,当变形 量相当大时(90%),再结晶后 晶粒又重新出现粗化现象,一 般认为这与形成织构有关.
钢力 管腐 道蚀 内奥 壁氏
奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环境体系 中,应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐蚀易在含 Clˉ的介质中发生,裂纹为树枝状。
2
消除的方法 —— 退火处理。 退火可使原子扩散能力增加,金属将依次发生 回复、再结晶和晶粒长大过程。
第六章 回复与再结晶
Recovery and recrystallization
Leabharlann Baidu
R
1 exp( NG3t 4
3
)
R ~ 再结晶体积分数;
N~ 形核率;
G ~ 长大速率。
假定条件:
均匀成核、球形晶核,N、 G不随时间改变、恒温
阿弗拉密 (Avrami)方程:
R 1 exp(Bt K ) R ~ 再结晶体积分数;
B ~ 常数; K ~ 常数。
假定条件: 均匀成核、球形晶核,N 随时间指数衰减、恒温 26
• 1、金属的预先变形度:金属预先变形程度越大, 再结晶温度 越低。当变形度达到一定值后,再结晶温度趋于某一最低值, 称最低再结晶温度。
• 纯金属的最低再结晶温度与其熔点之 间的近似关系: T再≈(0.35-0.4)T熔, 其 中T再、T熔为绝对温度K.
• 金属熔点越高, T再也越高.
Fe的再结晶温度?
长大的情形。
10
退火温度与黄铜 强度、塑性和晶 粒大小的关系
退火温度愈高晶 粒长得愈大,拉 伸强度下降得愈 多,塑性则增加 得愈多。
晶粒大小
拉伸强度
拉伸强度 延展性
11
退火温度
5.2 回复recovery
• 回复是指在加热温度较低时,由于金属中的点缺陷及位 错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺 陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数 量减少等。
22
2. 亚晶形核:变形程度较大时发生此机制,又分为两种
(a)
(b)
(a)亚晶合并机制:相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆散、 位错的攀移、滑移,逐渐转移到周围其它亚晶界上,导致亚晶 合并。
(b)亚晶迁移机制:位错密度较大的亚晶界,向位向差较大的
周围亚晶方向迁移,并逐渐转化为大角晶界,成为成核中心并
冷加工变形:加工硬化,可使位错数量增加, 金属的强度和硬度增加
冷加工缺点:内应力,这种残余应力在金属零 件进一步加工和使用过程中往往会产生不应有的变 形,使用中也会由于大气环境与内应力的共同作用, 造成零件的应力腐蚀;冷加工也可能使电阻率增加 等。这时金属处于一种不稳定状态。
1
体发
不生

锈应
力 腐 蚀 裂 纹
R m r m 0
R — 屈服强度回复率
m — 变形后屈服强度 r — 回复后屈服强度 0 — 原始态的屈服强度
1.0
同一变形度的Fe在不同温度下的回复
0.8
300oC
350oC
0.6
400oC
0.4
450oC
0.2
500oC
0 100 200 300 400 时间/min.
➢(1-R)愈小,即R 愈大,则回复程度愈大;
由于位错运动使其由冷塑性变 形时的无序状态变为垂直分布, 形成亚晶界,这一过程称多边 形化 polygonization。
12
回复机理 recovery mechanism
1 低温回复机制 点缺陷的运动!
移至晶界、位错处 点缺陷运动 空位+间隙原子 消失 缺陷密度降低
空位聚集(空位群、对)
• 由于再结晶后组织的复原,因而金属的强度、硬 度下降,塑性、韧性提高,加工硬化消失。
20
铁素体变形80% 650℃加热 670℃加热
21
新晶粒的形核
形核:是在现存的局部高能区域内,以多边化形成 的亚 晶为基础形核
形核机制
1. 晶界弓出形核(应变诱导晶界移动、凸出形核)
变形程度较小 时(小于20%), 各晶粒间由于变形不均匀而引起 位错密度不同,相应亚晶尺寸不 同,为降低系统的自由能,位错 密度小的晶粒中的亚晶通过晶界 凸入另外晶粒中,以吞食方式开 始形成无畸变的再结晶晶核。
回复阶段变化非常小,再结晶时硬度降低,塑性升高,晶
粒长大后趋于缓慢。
8
B:电阻率resistivity:其大小与点阵 中的点缺陷密切相关,随温度升高, 空位浓度下降,故电阻率呈现连续 下降趋势。
C:内应力inner stress:回复之后, 宏观内应力基本消除,微观内应力 部分消除;再结晶后,冷变形造成 的内应力全部消除。
相关文档
最新文档