5.4热变形和动态回复再结晶
热变形与动态回复、再结晶
动态回复机制
随应变量的增加，位错通过增殖，密度不断增加， 开始形成位错缠结和胞状亚结构。 热变形温度较高，为回复过程提供了热激活条件。 位错运动 1. 刃型位错的攀移 2. 螺型位错的交滑移 3. 位错结点的脱钉 位错密度降低 4. 异号位错相遇 位错增殖和消亡速率达到平衡时，不再发生硬化， 应力-应变曲线转为水平的稳态流变阶段。
1.
概念：
工程上常将再结晶温度以上的加工称为热加工（ Hot working）。
2.
3.
工程上常将再结晶温度以下的加工称为冷加工 (Cold working)。
变形温度低于再结晶温度，高于室温的加工称为 温加工(Warm working)。
历史上的专业设置
1. 2.
热加工专业：
金属材料及热处理 焊接
概念：
热加工时，由于变形温度高于再结晶温度，在变形的同 时伴随着回复、再结晶过程。 在热变形过程中，形变而产生的加工硬化过程与动态回 复、再结晶所引起的软化过程同时存在，热加工后金属 的组织和性能就取决于它们之间相互抵消的程度。
动态回复和动态再结晶
分类： 在热变形时，即在外力和温度共同作 用下发生的.
动态回复时的组织结构
晶粒沿变形方向伸长呈纤维状，但晶粒内部却保持等轴 亚晶无应变的结构。 动态回复形成的亚晶尺寸d，主要取决于变形温度和变形 速率： d 1 a b lg Z
式中，a/b为常数 ， Z eQ / RT 为用温度修正过的应变速 率。
.
动态再结晶(dynamic reerystallization)
1. 动态回复
2. 动态再结晶
3. 亚动态再结晶-在热加工完毕去除外力后，已在动态再 结晶时形成的再结晶晶核及正在迁移的再结晶晶粒界 面，不必再经过任何孕育期继续长大和迁移。
一文看懂回复和再结晶
一文看懂回复和再结晶回复和再结晶一、冷变形金属在加热时的组织与性能变化金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能（晶体缺陷所储存的能量）的升高将使其处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能会发生一系列变化。
这一变化过程随加热温度的升高可表现为三个阶段：回复：指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。
在此阶段，组织：由于不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同，仍为纤维状或扁平状。
性能：强度与硬度变化很小，内应力、电阻明显下降。
（回复是指冷塑性变形的金属在（较低温度下进行）加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。
）再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。
在此阶段，组织：首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。
性能：强度与硬度明显下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢复到变形前的程度。
晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。
在此阶段，在晶界表面能的驱动下，新晶粒相互吞食而长大，最后得到较稳定尺寸的晶粒。
显微组织的变化：回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化。
再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒晶粒长大阶段：晶界移动，晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。
性能变化：回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度变化不大，电阻明显下降。
再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；密度急剧升高。
晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高；粗化严重时下降。
二、回复1. 回复动力学上图同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈服强度的回复动力学曲线特点：（1）没有孕育期；（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直至趋近于零；（3）每一温度的恢复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此一极限值所需的时间则越短；（4）预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快。
动态回复和动态再结晶
因此
,
2 〕 2 程 中仅 发 生 动态 回 复〔 0 〕 最近 发现 〔 工 动 态 再
,
可以把这 个 过程 看 成 是第一 类 动态多边 化
然而
,
,
缈 料 结晶能 在 这 些 对 中 发生
,
,
但 必须 在超 过 某 一极 限
。
需要指 出 的 是
,
,
第 一类 动 态 多边 化 时
。
形 变 量 之后
动 态再结晶 过程
,
是 在 高 温 塑 性 形变 过程 中新
,
关系 不可 能 由简单 的 指数关 系 确定
空 位 的 金属 中
施 加脉 动载荷 时
在含有 不 平衡 证 明了 体积 迁移
。
晶 拉的 形 成 和长大 (一次动 态再结 晶 ) 原 晶 粒长 大 (动态 集 聚再结晶 ) 的改 变
,
。
或者 是 由
。
5 能观 察到 这 种 动态 休复 〔 〕
,
。 易动性 的 1 0 。 倍
人 们感 兴趣 的 是 在 塑 性 形 变 过 程 中
产生和 消
,
度 范 围内都能观 察 到 有 趣的 是 这 种 效应在密排 晶
,
失 点 缺 陷 的 动态 休复
0
。
格 上 反映 得 更强 烈
。
休 积 迁 移 的 这种 异 常 加 速 不 仅
位错 通 道是不可能保 证 的
,
放射性 同 位 素渗入 的深
,
为 非 形 变试 样 的 体 积 扩散 系数
。
K 是随 温
度
(0 0015
.
可达 10 0 0 井 。 )
,
5-回复再结晶-热变形-超塑性-孟彬解析
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
2.动态再结晶 (1)发生条件 对具有低层错能的材料，如铜及其合金、镍和镍合金，金和钯及 其合金，γ－铁，奥氏体钢及奥氏体合金，以及高纯度的α－铁等， 不易发生交滑移和动态回复，此时，动态再结晶成为动态软化的 主要方式。
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d 1 a b lg z
z exp(Q /( RT )) 为与应变速率和温度有关的函数，由式看出，随应 式中， 变速率减小、变形温度升高，亚晶尺寸增大。
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
1.动态回复 (3)动态回复的组织 动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶，故仍保持沿变形方向 伸长，呈纤维状，热变形后迅速冷却，可保留伸长晶粒和等轴亚 晶的组织、结构，在高温较长时间停留，则可发生静态再结晶而 改变组织、结构。 动态回复的组织具有比再结晶组织更高的强度，因此可作为强 化材料的一种途径，如对建筑用铝镁合金采用热挤压法保留动态 回复组织以提高其使用强度。
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
1.动态回复 (2)合金在热变形中的应力-应变曲线
曲线有三个阶段: 第一阶段为微应变阶段，应变量约 0.1%~0.2%，曲线急剧上升； 第二阶段是最小流变应力σT之后的流 变阶段，有加工硬化，加工硬化率逐 渐降低； 第三阶段为稳态流变阶段，应力-应变 曲线为水平线，此时，加工硬化实际 速率为零，加工硬化和动态软化达到 平衡，位错增殖和消失平衡，位错密 度基本恒定，因而变形中不显示硬化， 应力不随应变增大，保持恒定应力下 变形。
839材料科学基础
2.5 共价晶体结构
第三章 晶体缺陷（★★★★）
什么是晶体缺陷？有几种存在方式？ 3.1 点缺陷 点缺陷的形成有哪几种？离子晶体？ 点缺陷的平衡浓度的形成原因？
真题再现
平衡浓度的公式
n 点C缺陷 的运动Aexp(
EV
)
N
kT
3.2 位错 刃型位错和螺型位错的特点，混合位错。 伯氏矢量的确定？位错型的确定？特性？ 位错的运动？滑移、攀移，交割。要求会判断运动方向等问题
4.1 表象理论
菲克第一定律
J D d 物理意义，单位，使用条件
菲克第二定dx律 使用条件，理解其推导过程
化学扩散，自扩散 渗碳厚度计算
（x, t）
s
(s
0 )erf
( 2
x) Dt
x A Dt 或x2 BDt
薄膜扩散衰减分布
（x, t） M exp( x2 )
置换固溶体2中的D扩t 散 4Dt 柯肯达尔效应，互扩散系数
4.7 反应扩散
概念，不存在两相混合区的解释 4.8 离子晶体中的扩散
真题再现
第五章 材料的形变和再结晶（★★★★★）
5.1 弹性和粘弹性 了解弹性形变的本质 弹性模量的物理意义和其对材料的影响
真题再现
弹性不完整性的现象 粘性流动和粘弹性的概念，性质，粘弹性的物理模型
5.2 晶体的塑性变形 什么是滑移线和滑移带？什么是滑移系？ fcc,bcc,hcp的滑移系各是什么，会产生什么影响
（三）晶体中的缺陷 1．点缺陷 2．位错 3．面缺陷
（四）固体中的扩散 1．扩散的表象理论 2．扩散的热力学 3．扩散的微观理论与机制 4．扩散激活能 5．影响扩散的因素 6．反应扩散 7．离子晶体中的扩散
(完整版)5.4热变形和动态回复再结晶
3.动态再结晶组织
• 动态再结晶在应变速率较低时通晶界弓出形核，这是由于晶
界局部被缠结位错构成的亚晶界钉扎，同时弓出段两侧存在着 较大的应变能差；在应变速率较高时以亚晶合并长大方式形核， 这是由于位错缠结形成较多的亚晶粒，使晶界被钉扎点间的距 离缩小，可弓出段长度太小，以致弓出形核难以实现。 • 其长大是通过新形成的大角度晶界及随后移动的方式进行 • 其特点：反复形核、有限长大，晶粒较细。动态再结晶的晶 粒为等轴晶粒组织，晶粒较为细小，大小不均匀，晶界呈锯齿 状，等轴的等轴晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒，其尺 寸取决于应变速率和变形温度。由于具有较高的位错密度和位 错缠结存在，这种组织比静态再结晶组织具有较高的强度和硬 度。 • 应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、快的冷却 速度可获得细小晶粒。
2.热加工特点
在热加工过程中，金属同时进 行着两个过程：形变强化和再 结晶软化(如下图)。塑性变形 使金属产生形变强化，而同时 发生的再结晶(称为动态再结晶) 过程又将形变强化现象予以消 除。因此，热加工时一般不产 生明显加工硬化现象。
热加工过程中的动态再结晶示意图
热加工时，硬化过程与软化过程是同时进行的，按其特 征不同，可分为下述五种形式： • (1) 动态回复 • (2) 动态再结晶
再结晶开始，其软化作用随应变增加而上升的幅度逐渐降低， 当σ>σmax时，动态再结晶的软化作用超过加工硬化，应力随
应变增加而下降（εc ≤ε<εs）。
第三阶段—稳定流变阶段：随真应变 的增加，加工硬化和动态再结晶引起的 软化趋于平衡，流变应力趋于恒定。但 当ε以低速率进行时，曲线出现波动， 其原因主要是位错密度变化慢引起。 （ε≥εs）
1/d = a + blog[εexp（Q/RT）] a、b为常数
材料科学基础材料的变形和再结晶介绍
对于冷变形较大的晶体，再结晶形核优先地发 生于多边化区域，这些区域就是位错塞积而导致点 阵强烈弯曲的区域。因此，对这类晶体多边化是再 结晶形核的必要准备阶段。再结晶晶核通过亚晶界 的迁动吞并相邻的形变基体和亚晶而生长，或是通 过两亚晶之间亚晶界的消失使两相邻亚晶粒合并而 生长。
再结晶温度 再结晶温度(recrystallization temperature)： 冷变形金属开始进行再结晶最低温度。 测定方法：金相法 硬度法 实际生产上确定方法： 一般TR = （0.35-0.40）Tm
二、回复机制 回复机制随回复退火温度而异，有下面几种。 1.低温回复 经冷加工变形的金属通常在较低的温度范围就 开始回复。表现在因变形而增多的电阻率发生不同 程度的下降，而机械性能基本保持不变。电阻率对 点缺陷很敏感,机械性能对点缺陷不敏感。因此，低 温下回复和金属中点缺陷变化有关。研究结果表明 ：低温回复主要是塑性变形所产生的过量空位消失 的结果。
再结晶后晶粒大小
再结晶晶粒的平均直径 d与形核率及长大速度之间 的关系如：式5.30。 影响再结晶后晶粒大小的因素： 1. 变形程度的影响 变形度很小时，晶粒尺寸为原始晶 粒尺寸；临界变形度（critical deformation degree）εc 时，晶粒特别粗大，一般金属εc =2－8% ;当变形度大 于εc时，随变形度增加，晶粒逐渐细化。 2. 退火温度 T升高，再结晶速度快，εc值变小。 3. 原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒越细，D 越小。 4. 微量溶质原子和杂质元素 一般都能起细化再结晶晶 粒的作用。
二、再结晶的形核与长大 再结晶过程是形核和长大,但无晶格类型变化。 1. 形核 再结晶晶核是现存于局部高能区域内的,以多边 化形成的亚晶为基础形核。其形核机制有： （1）凸出形核机制 对于变形度较小（<20%）的 金属， 以凸出形核机制形核，弓出形核时所需 能量条件为： △Es≧2γ/L
【材料科学基础】必考知识点第八章
【材料科学基础】必考知识点第⼋章2020届材料科学基础期末必考知识点总结第⼋章回复与再结晶第⼀节冷变形⾦属在加热时的组织与性能变化⼀回复与再结晶回复：冷变形⾦属在低温加热时，其显微组织⽆可见变化，但其物理、⼒学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。
再结晶：冷变形⾦属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的⽆畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，⽽使形变强化效应完全消除的过程。
⼆显微组织变化（⽰意图）回复阶段：显微组织仍为纤维状，⽆可见变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核长⼤，逐渐转变为新的⽆畸变的等轴晶粒。
晶粒长⼤阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺⼨。
三性能变化1 ⼒学性能（⽰意图）回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提⾼。
再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提⾼。
晶粒长⼤阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提⾼，粗化严重时下降。
2 物理性能密度：在回复阶段变化不⼤，在再结晶阶段急剧升⾼；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。
四储存能变化（⽰意图）1 储存能：存在于冷变形⾦属内部的⼀⼩部分（～10％）变形功。
弹性应变能（3～12％）2 存在形式位错（80～90％）点缺陷是回复与再结晶的驱动⼒3储存能的释放：原⼦活动能⼒提⾼，迁移⾄平衡位置，储存能得以释放。
五内应⼒变化回复阶段：⼤部分或全部消除第⼀类内应⼒，部分消除第⼆、三类内应⼒；再结晶阶段：内应⼒可完全消除。
第⼆节回复⼀回复动⼒学（⽰意图）1 加⼯硬化残留率与退⽕温度和时间的关系ln(x0/x)=c0t exp(-Q/RT)x0 –原始加⼯硬化残留率；x－退⽕时加⼯硬化残留率；c0－⽐例常数；t－加热时间；T－加热温度。
2 动⼒学曲线特点（1）没有孕育期；（2）开始变化快，随后变慢；（3）长时间处理后，性能趋于⼀平衡值。
⼆回复机理移⾄晶界、位错处1 低温回复：点缺陷运动空位＋间隙原⼦缺陷密度降低（0.1~0.2Tm）空位聚集（空位群、对）异号位错相遇⽽抵销2 中温回复：位错滑移位错缠结重新排列位错密度降低（0.2~0.3Tm）亚晶粒长⼤3 ⾼温回复：位错攀移（＋滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚（0.3~0.5Tm）晶粒）弹性畸变能降低。
材料科学基础-回复与再结晶
关) — 内应力：
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； 接近再结晶时，显著增大 — 密度： 再结晶阶段急剧增高(缺陷减少) — 储存能的变化： 再结晶阶段释放多
第二节：回复
现象：除内应力大大减少外，在光学显微镜下看不到金 相组织的变化。在电子显微镜下观察，点缺陷有所减少，位 错在形态上也有变化，但数量没有明显减少。
正常长大影响因素
1）温度：温度影响界面迁移速度，温度越高，界面迁移速 度越大，因而晶粒长大速度也越快。
2）时间：正常晶粒长大时，一定温度下，平均晶粒直径随 保温时间的平方根而增大。
3）第二相粒子：第二相粒子对界面迁移有约束力，阻碍界 面迁移、晶粒长大。粒子尺寸越小，粒子的体积分数越大， 极限的平均晶粒尺寸也越小。
再结晶织构的形成机制
— 定向生长理论：晶核位向各异，只有特殊位向的容易长大 — 定向形核理论：再结晶晶核具有择优取向
制耳现象：在冲制筒形和杯形零件时，各向变形不均匀， 造成薄厚不均、边缘不齐的现象。
第五节：金属的热变形
金属的热变形：金属在再结晶温度以上进行的加工、变形。
热变形的实质是:变形中形变硬化和动态软化同时进行的过程， 形变硬化为动态软化所抵消，因而不显示加工硬化作用。
— 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；但对再结晶速率影响很大，降低临界变形 度数值；促进再结晶后的晶粒的长大，温度越 高晶粒越粗
第四节：晶粒长大
晶粒长大：再结晶结束后，材料通常得到新的细小的无畸变的 等轴晶粒，若继续提高加热温度或延长加热时间，引起晶粒进 一步长大的现象 驱动力：总晶界能的降低 按特点分类： — 正常长大：大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大 — 异常长大：少数晶粒突发性的不均匀长大
回复与再结晶
第七章回复与再结晶重点与难点内容提要：晶体在外力的作用下发生形变.当外力较小时形变是弹性的,即卸载后形变也随之消失.这种可恢复的变形就称为弹性变形.但是,当外加应力超过一定值(即屈服极限)时,卸载后变形就不能完全消失,而会留下一定的残余变形或永久变形.这种不可恢复的变形就称为塑性变形.晶体的弹性和材料的微观组织(或结构)关系不大,而晶体的塑性(和强度)则对微观组织(结构)十分敏感.本章的重点时讨论单晶体的塑性变形方式和规律,并在此基础上讨论多晶体和合金的塑性变形特点及位错机制,以便认识材料强韧化的本质和方法,合理使用,研制开发新材料.从微观上看,单晶体塑性变形的基本方法有两种:滑移和孪生.滑移和孪生都是剪应变,即在剪应力作用下晶体的一部分相对与另一部分沿着特定的晶面和晶向发生滑移.在滑移时,改特定晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向,一个滑移面和位于该面上的一个滑移方向便组成一个滑移系统.类似的,在孪生时,该特定晶面和晶向分别称为孪生面和孪生方向,一个孪生面和位于该面上的一个孪生方向组成一个孪生系统.多晶体及合金的塑性变形,其基本方式也是滑移和孪生.不过,也各有其特点,如多晶体变形时,就会受晶粒取向及晶界的影响;而合金变形时还会受到第二相的影响.陶瓷晶体的塑性变形与金属不同.除了与结合键(共价键、离子键)的本性有关外,还与陶瓷晶体中的滑移多少、位错的柏氏矢量大有关.所以,仅有那些以离子键为主的单晶体陶瓷可以进行较多的塑性变形.许多高聚物在一定的条件下都能屈服,有些高聚物在屈服之后产生很大的塑性变形,但这与金属材料的屈服现象有着本质上的差别.高聚物的变形受温度的影响很大:在Tg以下,材料是钢硬的,只有弹性变形;在Tg附近,呈粘弹性或皮革状;在Tg以上呈橡胶态;接近Tm时呈粘性流动。
基本要求：(1)熟悉滑移、孪生变形的主要特点;滑移系统及schmid定律(T=σm=Tk)(2)能用位错理论解释晶体的滑移过程,滑移带和滑移线的形成,滑移系的特点;(3)理解加工硬化、细晶强化、弥散强化、固溶强化等产生的原因和它的实际意义;(4)了解聚合物及陶瓷塑性变形的特点;(5)熟悉材料塑性变形后内部组织及性能的变化,这些变化的实际意义;(6)了解屈服现象与应变实效,它对生产有什么危害及如何消除?(7)熟悉下列概念及术语:滑移、滑移线、滑移带、滑移系、滑移面、滑移方向、临界分切应力、多滑移;孪生、孪晶、孪晶面、孪生方向;取向因子、屈服现象、吕德斯带、应变时效、柯氏气团;固溶强化、有序强化、细晶强化、弥散强化、第二相强化;纤维组织、胞状亚结构、位错网络、加工硬化、择优取向、变形织构、内应力.回复、再结晶与晶粒长大是冷变形金属加热过程中经历的基本过程。
材料科学基础回复与再结晶
（3）弥散和稠密分布的第二相粒子钉扎晶界，阻 碍迁动。
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5. 退火温度： 退火温度越高，再结晶速度越大。退火温度与
再结晶速度v的关系可用阿累尼乌斯公式表示： v再＝Aexp（-Q/RT）
动态再结晶时，大量位错被再结晶核心的大角 度界面推移而消除，当这样的软化过程占主导地位 时，流变应力下降，应力-应变曲线出现峰值。
随材料内、外影响因素的不同，应变曲线可出 现单峰或多峰现象。
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动态再结晶组织结构变化的特点： （1）晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒。 （2）反复形核，有限长大，晶粒较细。
再结晶退火温度：T再＋100～200℃。
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第三节 晶粒长大
再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小（等 轴晶），若继续升温或延长保温时间，晶粒会继续 长大。晶粒长大是一个自发过程，晶粒长大的驱动 力来自总的界面能的降低。
晶粒长大按其特点可分为两类：
（1）正常晶粒长大（大多数晶粒几乎同时逐渐均 匀长大）；（2）异常晶粒长大（少数晶粒突发性 的不均匀长大）。
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第二节 再结晶
再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形 组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒， 而使形变强化效应完全消除的过程。
再结晶是一个显微组织重新改组，变形储存能 充分释放，性能显著变化的过程，其驱动为回复后 未被释放的变形储存能。
20
一、再结晶的形核与长大
1. 形核（非均匀形核）
形变温度越高，应变速率越小，应变量越大， 越有利于动态再结晶。 应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、 快的冷却速度可获得细小晶粒。
材料的变形和再结晶-动态
热变形与动态回复、再结晶 Hot working and dynamic recovery, recrystallization
热加工 概念： 1. 工程上常将再结晶温度以上的加工称为热加 工。 2. 工程上常将再结晶温度以下的加工称为冷加 工。 3. 变形温度低于再结晶温度，高于室温的加工 称为温加工。
几个公式
虎克定律
σ=Eε τ=G 滑移的临界分切应力 τ＝ ｓｃｏｓｃｏｓ=m ｓ
派-纳力（Peierls-Nabarro）
Hall-Petch equation
s=0+kd-1/2
弥散强化关系式
聚合物合金强化关系
Gb
s 11 2 2
动态回复和动态再结晶
概念： 热加工时，由于变形温度高于再结晶温度，在变形的同时 伴随着回复、再结晶过程。 分类： 动态回复 在热变形时，即在外力和温度共同作用下发生的 动态再结晶
亚动态再结晶在热加工完毕去除外力后，已在动态再结晶时 形成的再结晶晶核及正在迁移的再结晶晶粒界 面，不必再经过任何孕育期继续长大和迁移。 在热加工完毕或中断后的冷却过程中，即在无外力 作用下发生的。
临界分切应力，施密特因子，软取向，硬取向，派-纳力 屈服现象，应变时效 固溶强化-加工硬化-弥散强化 形变织构、丝织构、板织构、残余应力、点阵畸变、带状组 织、流线 回复和再结晶、晶粒长大，二次再结晶，冷加工、热加工、 动态再结晶 储存能、多变化、回复激活能、再结晶激活能、再结晶温度 弓出形核、临界变形量、再结晶织构、退火孪晶
1பைடு நூலகம் 2. 3.
4. 5.
静态回复 静态再结晶
钛合金热变形时的动态回复和再结晶
２００７年２６卷第１２期稀有金属快报对于α＋β及亚稳β钛合金，传统的轧制或锻造等热变形加工通常在α＋β两相区和β单相区进行，在热变形过程中发生动态回复和动态再结晶。
对β和α＋β相区热变形组织的研究表明，变形早期动态回复形成的β亚晶界（小角度晶界），在进一步变形后变成大角度晶界。
经过连续动态再结晶，晶界结构发生变化。
但钛合金热变形过程中动态回复组织需要根据动态再结晶机制进行检验。
研究所用合金为Ｔｉ－１５Ｖ－３Ｃｒ－３Ｓｎ－３Ａｌ（Ｔｉ－１５－３），Ｔｉ－１０Ｖ－２Ｆｅ－３Ａｌ（Ｔｉ－１０２３）和Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ（Ｔｉ－６４），其相变点分别为７５０，７８０，１０００℃。
经６０％冷轧变形后，Ｔｉ－１５－３和Ｔｉ－１０２３合金分别在９００℃和８５０℃进行１ｈ的固溶处理，获得平均晶粒尺寸分别为１２６，１４１μｍ的等轴β晶；Ｔｉ－６４合金在１０５０℃固溶处理０．５ｈ，β晶粒尺寸为３８４μｍ，然后炉冷或空冷得到片层α＋β组织、水淬得到马氏体组织。
所有试样在β相区或α＋β相区不同温度下保温０．５ｈ，随后进行５５％和７５％变形量的压缩试验，应变速率在４．２×１０－１ｓ－１和４．２×１０－１ｓ－１之间。
压缩后，试样直接水淬。
经７５０℃和８００℃保温后，Ｔｉ－１５－３合金的组织为等轴β晶，Ｔｉ－１０２３合金则有少量α相沿β晶界析出；６８０℃保温后，Ｔｉ－１０２３合金除晶界有α相外，β晶内还有细小的板条状α相。
在８００℃，初始应变速率为４．２×１０－３ｓ－１，经５５％压缩变形后，Ｔｉ－１５－３合金中原始的β晶沿垂直于压缩轴向拉长，晶内出现许多小角度晶界，β晶界变成波纹状，说明在这种变形条件下，主要是动态回复。
另外，还可看到沿原始β晶界形成了一些新的等轴β晶以及亚晶。
β晶是由连续动态再结晶形成的，再结晶β晶的体积分数随变形温度升高或应变速率的降低而增加。
在７５０℃，初始应变速率为４．２×１０－５ｓ－１，经５５％压缩变形后，Ｔｉ－１０２３试样的组织中虽能看到某些波纹状晶界，但拉长的原始β晶已表现出完全回复的形貌，只是很难看到等轴晶。
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第五章 材料的变形与再结晶
2、扩散蠕变机制
条件：温度高，应力较小。适用于陶瓷，Ni基 超合金。
扩散蠕变 C eQ / Rt 位流动模型，图5.75
应力作用下晶内空
C为一常数，3-4之间；Q为自扩散的激活能 3、晶界滑动蠕变机制
第五章 材料的变形与再结晶
5.4.4 超塑性
有些合金(如Ti-6Al-4V和Zn-23Al等)经过特殊 的热处理和加工后，在外力作用下可能产生异乎寻常 的均匀变形(某些材料在特定变形条件下呈现的特别 大的延伸率，其延伸率高达1000%)，这种行为称为超 塑性。对具有超塑性的材料，只用一个模具或少数几 个模具就可将合金成形为非常复杂的形状。 • 按产生超塑性的冶金因素不同，可将其分为两类： （1）微晶超塑性（组织超塑性），（2）相变超塑性。 目前研究最多的是微晶超塑性
第五章 材料的变形与再结晶
2.热变形形成流线（纤维组织），出现各向异性。 在热加工过程中铸态金属的枝晶偏析、晶界杂质偏聚、 夹杂物或第二相粒子、晶界等逐渐沿变形方向延展，在宏观 工件上勾画出一个个“流线”，即指动态再结晶形成等轴晶 粒而夹杂物(或第二相)仍沿变形方向呈流动状的纤维组织。 顺流线方向比横向具有更高的力学性能，特别是塑性和韧性 提高明显 。在制订热加工工艺时，要尽可能使纤维流线方向 与零件工作时所受的最大拉应力的方向一致(如下图)。
第五章 材料的变形与再结晶
3.动态再结晶组织
•
动态再结晶在应变速率较低时通晶界弓出形核，这是由于晶 界局部被缠结位错构成的亚晶界钉扎，同时弓出段两侧存在着 较大的应变能差；在应变速率较高时以亚晶合并长大方式形核， 这是由于位错缠结形成较多的亚晶粒，使晶界被钉扎点间的距 离缩小，可弓出段长度太小，以致弓出形核难以实现。 • 其长大是通过新形成的大角度晶界及随后移动的方式进行 • 其特点：反复形核、有限长大，晶粒较细。动态再结晶的 晶粒为等轴晶粒组织，晶粒较为细小，大小不均匀，晶界呈锯 齿状，等轴的等轴晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒，其 尺寸取决于应变速率和变形温度。由于具有较高的位错密度和 位错缠结存在，这种组织比静态再结晶组织具有较高的强度和 硬度。 • 应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、快的冷 却速度可获得细小晶粒。
第五章 材料的变形与再结晶
5.4.3
蠕变
• 许多构件在高温下工作的，高压锅炉，蒸气轮机， 燃气轮机，反应容器等，不能用常温性能衡量高温 力学性能。 • 蠕变：在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作 用下，不断地发生变形。
第五章 材料的变形与再结晶
一、蠕变曲线
按
d 分成 dt
• Ⅰ：瞬态或减速蠕变阶段： 蠕变第一阶段，过渡蠕变阶 段。 • Ⅱ：稳态(恒速)蠕变阶段： 蠕变第二阶段，稳态蠕变阶 段。 • Ⅲ：加速蠕变阶段：蠕变第 三阶段，加速蠕变阶段。
第五章 材料的变形与再结晶
（二）动态再结晶
1. 动态再结晶的应力 金属在一定温度下以不同应变速率变形并发生动态再结 晶时的s—e曲线分成三个阶段： 第一阶段—加工硬化阶段：应力随应变上升很快，金属 出现加工硬化（0<ε<εc）。 第二阶段—动态再结晶开始阶段：应变达到临界值εc， 动态再结晶开始，其软化作用随应变增加而上升的幅度逐渐降 低，当σ>σmax时，动态再结晶的软化作用超过加工硬化，应 力随应变增加而下降（εc ≤ε<εs）。 第三阶段—稳定流变阶段：随真 应变的增加，加工硬化和动态再结晶引 起的软化趋于平衡，流变应力趋于恒定。 但当ε以低速率进行时，曲线出现波动， 其原因主要是位错密度变化慢引起。 （ε≥εs）
拖钩的纤维组 织（a）模锻 钩（合理）， （b）切削加 工钩（不合理）
第五章 材料的变形与再结晶
3. 形成带状组织 形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响：各向异性。 消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高 温扩散退火或正火。
第五章 材料的变形与再结晶
4. 控制热加工工艺，以获得细小的晶粒组织。 通过动态回复和动态再结晶后，在晶粒内部都 形成了亚晶粒，具有这种亚组织的材料，其强度、 韧性提高，为亚组织强化，其屈服强度与亚晶尺寸 ds之间满足Hall-Petch。
第五章 材料的变形与再结晶
5.4
热变形和动态回复再结晶
压力加工是利用塑性变形的方法使金属成形并 改性的工艺方法。由于在常温下进行塑性变形会引 起金属的加工硬化，即出现变形抗力增大、塑性下 降，这使得对某些尺寸较大或塑性低的金属在常温 下难以进行塑性变形。生产上通常采用在加热条件 下进行塑性变形。 热变形或热加工指金属材料在再结晶温度以上 的加工变形。工业生产个，高温进行的锻造，轧制 等压力加工属热加工。热加工过程中，在金属内部 同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的 过程。
第五章 材料的变形与再结晶
2.动态再结晶的机制
在高应变速率下，随变形量增加位错密度不断增高，使动 态再结晶加快，软化作用逐渐增强，当软化作用开始大于加工 硬化作用时．曲线开始下降。当变形造成的硬化与再结晶造成 的软化达到动态平衡时，曲线进入稳定阶段。 在低应变速率下，与其对应的稳定态阶段的曲线呈波浪形 变化，这是由于位错增殖速度小，在发生动态再结晶软化后， 继续进行再结晶的驱动力减小，再结晶软化作用减弱，以致不 能与新的加工硬化平衡，从而重新发生硬化，曲线重新上升。 等到位错再度积累到一定程度，使再结晶又占上风时，曲线又 重新下降。这种反复变化的过程将不断进行下去，变化周期大 致不变，但振幅逐渐衰减。因此这种情况下，动态再结品与加 工硬化交替进行：使曲线呈波浪式。层错能偏低的材料如铜及 其合金，奥氏体钢等易出现动态再结晶。故动态再结晶是低的 层错能金属材料热交形的主要软化机制。
第五章 材料的变形与再结晶
5.4.1 动态回复和动态再结晶
在金属冷形变后的加热过程中发生的，称为静态回复和 静态再结晶。若提高金属变形的温度,使金属在较高的温度下 形变时，金属在热变形的同时也发生回复和再结晶，这种与 金属热变形同时发生的回复和再结晶称为动态回复(dynamic recovery)和动态再结晶(dynamic recrystallization)。 动态回复：在热加工过程中，塑性变形使金属产生形变 强化的同时发生的回复的现象。 动态再结晶：在热加工过程中，塑性变形使金属产生形 变强化的同时发生的再结晶的现象。 这是在通常的热加工时发生的过程。在发生回复和再结 晶时，由形变造成的加工硬化与由动态回复，动态再结晶造 成的软化同时发生。
热加工过程中的动态再结晶示意图
第五章 材料的变形与再结晶
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热加工时，硬化过程与软化过程是同时进行的，按 其特征不同，可分为下述五种形式： (1) 动态回复 (2) 动态再结晶 （1）、（2）是在温度和负荷联合作用下发生的。 (3) 亚动态再结晶 (4) 静态再结晶 (5) 静态回复 （3）、（4）、（5）是在变形停止之后，即在无负 荷作用下发生的。
第五章 材料的变形与再结晶
二、蠕变的变形机制
• 常温下的变形：可通过位错的滑动，产生滑移 和孪晶两种变形方式。 • 高温下的蠕变：高温位错还可以通过攀移，使 位错迁到障碍时作垂直于滑移面的运动，继续变 形→软化过程。总之，位错滑动和攀移交替进行 的结果。 • 蠕变变形机制两种： 位错蠕变机制 扩展蠕变机制 这两种蠕变机制之间没有确切的划分界限
第五章 材料的变形与再结晶
5.4.2 金属热变形的组织和性能
1.改善铸造状态的组织缺陷，提高材料的致密性和力学 性能。 可使铸态组织中的气孔、 气泡、疏松及微裂纹焊合，提 高金属致密度，还可以使铸态 的粗大树枝晶通过变形和再结 晶的过程而变成较细的晶粒， 某些高合金钢中的莱氏体和大 块初生碳化物可被打碎并使其 分布均匀、降低偏析等。 这 些组织缺陷的消除会使材料的 性能得到明显改善。提高强度、 塑性、韧性。
第五章 材料的变形与再结晶
1、位错蠕变机制
• 条件：温度较低,T＜0.5Tm应力较高 • 蠕变过程发生在大多数工业合金，平衡时：
d d d d d dt dt
• 第二阶段：加工硬化率＝回复转化速率
即
d 0 • 第二阶段的蠕变速率由位错攀移速率所控。蠕 变方程符合5.41式。
•
第五章 材料的变形与再结晶
3.动态回复时的组织变化
动态回复过程随变形的进行金属中的晶粒延伸成纤维状，而 通过多边化或位错胞规整化形成大量的亚晶粒组织始终保持等 轴状，即使形变量很大也是如此。这被解释为动态回复过程中 亚晶界的迁移和多边化的结果。亚晶的尺寸及相互间位向差取 决于金属类型、形变温度和应变速率。 亚晶平均直径d与T、ε的关系如下： 1/d = a + blog[εexp（Q/RT）] a、b为常数 动态回复所获得的亚稳组织可通过热变形后的迅速冷却而保 留下来，其强度远远高于再结晶组织的强度。但若从高温缓冷 下来，则将发生静态再结晶。 • 对于给定金属材料，动态回复亚晶粒的大小受形变温度和形 变速率的影响：形变温度越高或形变速率越低，亚晶粒越大。 • 动态回复组织已成功地应用于提高建筑合金挤压型材的强度 方面。
第五章 材料的变形与再发析出与动态再结晶
发生塑性变形时，合金中的固溶体内可能析出第 二相。这种过程叫作形变诱发析出。合金在高温下形 变时，形变诱发析出现象尤为普遍。析出的第二相颗 粒对动态再结晶有一定阻碍作用。这种阻碍作用的强 弱决定于第二相颗粒的数量与尺寸。应变速率很高时， 由于受原子扩散速度的限制，第二相来不及析出。应 变速率低时，第二相颗粒粗化，对动态再结晶的阻碍 作用不大。只有在中等应变速率形变时，应变诱发析 出的第二相既有一定数量，颗粒又比较细小，它们对 动态再结晶有较大的阻碍作用。
第五章 材料的变形与再结晶
2.动态回复机制 第Ⅰ阶段, 金属中的位错密度由退火态的 1010~1011m-2 增至1011~1012m-2 。第Ⅱ阶段位错密度继 续升高,但因动态回复的出现,位错消失率也增大。第 Ⅲ阶段，位错的增殖率和消失率达到平衡，位错密度 维持在1014~1015m-2。和冷形变时相同，随着位错密度 的增大，金属中形成位错缠结和位错胞。位错密度的 增大导致了回复过程的发生，位错消失的速率随应变 的增大不断增大，最后终于使位错增殖与位错消失达 到平衡，不再发生加工硬化的稳态流变阶段。 动态回复机制是位错的攀移和交滑移，攀移在动 态回复中起主要的作用。层错能的高低是决定动态回 复进行充分与否的关键因素。动态回复易在层错能高 的金属，如铝及铝合金中发生。