晶粒长大

• 7.4.3 再结晶退火极其组织控制 • 7.4.3.1 再结晶退火：再结晶可消除冷变形 再结晶退火： 金属的加工硬化效果及内应力， 金属的加工硬化效果及内应力，因此被用 作冷变形加工的中间工序， 作冷变形加工的中间工序，软化冷变形金 属或细化晶粒，改善显微组织。 属或细化晶粒，改善显微组织。 • 7.4.3.2 再结晶组织：再结晶退火过程中， 再结晶组织：再结晶退火过程中， 回复、再结晶及晶粒长大往往是交错、 回复、再结晶及晶粒长大往往是交错、重 叠进行，综合作用的结果有时会产生退火 叠进行，综合作用的结果有时会产生退火 孪晶和再结晶织构。 孪晶和再结晶织构。
• 曲线 是在二次再结晶时保持细小的晶粒的 曲线3是在二次再结晶时保持细小的晶粒的 长大特性，可以看出它仍为正常长大 它仍为正常长大， 长大特性，可以看出它仍为正常长大，只 是由于MnS颗粒的拖曳作用，起始长大的 颗粒的拖曳作用， 是由于 颗粒的拖曳作用 温度更高而已。 温度更高而已。 • (2) 一次再结晶后如果形成织构，则多数晶 一次再结晶后如果形成织构， 界为小角晶界，迁移率小，比较稳定， 界为小角晶界，迁移率小，比较稳定，只 有少数大角晶界有较高迁移率， 有少数大角晶界有较高迁移率，相应的晶 粒能迅速长大。 粒能迅速长大。 • (3)若金属为薄板，则加热时会出现热蚀沟， 若金属为薄板， 若金属为薄板 则加热时会出现热蚀沟， 若大部分晶界被热蚀沟钉扎， 若大部分晶界被热蚀沟钉扎，仅有少数晶 界可迁移，便容易发生二次再结晶。 界可迁移，便容易发生二次再结晶。
• 7.4.1.4 影响晶粒正常长大的因素： 影响晶粒正常长大的因素： • (1) 温度：退火温度是影响晶粒长大的最主要因素。 温度：退火温度是影响晶粒长大的最主要因素。 原子扩散系数D=D0exp(-Q/kT),显然Ｔ越高，Ｄ 显然Ｔ 原子扩散系数 显然 越高，Ｄ 越大，晶界越容易迁移，晶粒越容易粗化． 越大，晶界越容易迁移，晶粒越容易粗化． • (2) 分散相粒子：分散相粒子会阻碍晶界迁移，降 分散相粒子：分散相粒子会阻碍晶界迁移， 低晶粒长大速率。若分散相粒子为球状，半径为r, 低晶粒长大速率。若分散相粒子为球状，半径为 体积分数为φ，晶界表面张力为σ，则晶界与粒 体积分数为φ 晶界表面张力为σ 子交截时， 子交截时，单位面积晶界上各粒子对晶界移动所 施加的总约束力为： 施加的总约束力为： (7• Fmax=3φσ/2r σ (7-16)
(1)不同的冷变形度 不同的冷变形度 及退火温度下所得 到的再结晶组织晶 粒大小不同。 粒大小不同。将退 火温度、 火温度、冷变形度 和再结晶晶粒大小 的关系画成三维图，称为再结晶图。可以 的关系画成三维图，称为再结晶图 再结晶图。 作为制定生产工艺规范的参考依据。 作为制定生产工艺规范的参考依据。 为工业纯铝的再结晶图。 图7-33为工业纯铝的再结晶图。 为工业纯铝的再结晶图
• (3) 微量熔质或杂质：固熔体中的微量熔质 微量熔质或杂质： 或杂质往往偏聚在位错或晶界处， 或杂质往往偏聚在位错或晶界处，形成柯 氏气团，能钉扎或拖曳位错运动。 氏气团，能钉扎或拖曳位错运动。图7-27 显示了微量Sn在 时对纯Pb晶界移动 显示了微量 在300ºC时对纯 晶界移动 时对纯 的作用。 的作用。 • 需要注意的是：微量 对纯 的某些特殊 需要注意的是：微量Sn对纯 对纯Pb的某些特殊 取向晶界运动影响较小。原因是在这些特 取向晶界运动影响较小。原因是在这些特 殊取向的晶界上，原子排列规整， 殊取向的晶界上，原子排列规整，不利于 杂质原子偏聚，因此晶界活动性不受影响。 杂质原子偏聚，因此晶界活动性不受影响。
• 二次再结晶不仅会降低材料强度和塑、韧 二次再结晶不仅会降低材料强度和塑、 性，还会增大再次冷加工工件的表面粗糙 因此， 度。因此，一般情况下应避免发生二次再 结晶。但作为电感材料的硅钢片， 结晶。但作为电感材料的硅钢片，却需要 利用二次再结晶获得粗大晶粒， 利用二次再结晶获得粗大晶粒，加强其导 磁性能。 磁性能。
• 7.4.2 晶粒的反常长大：再结晶完成后，晶粒应该 晶粒的反常长大：再结晶完成后， 均匀、连续地长大，这种过程称为一次再结晶。 均匀、连续地长大，这种过程称为一次再结晶。 在某些特定情况下，再结晶完成后， 在某些特定情况下，再结晶完成后，少数晶粒突 发性地迅速粗化， 发性地迅速粗化，使晶粒之间的尺寸差别显著增 反常长大。 这种不正常的晶粒长大称为反常长大 大，这种不正常的晶粒长大称为反常长大。也称 二次再结晶。 为二次再结晶。
• 图7-28： 200ºC和300ºC时，区域提纯的铅 ： 和 时 的双晶体中的倾斜晶界的移动速度与晶体 间的位向差的关系。 间的位向差的关系。
• (5) 表面热蚀沟：金属长时间加热时，晶界 表面热蚀沟：金属长时间加热时， 与表面相交处因张力平衡而形成热蚀沟。 与表面相交处因张力平衡而形成热蚀沟。 热蚀沟是该处界面最小， 热蚀沟是该处界面最小，界面能最低的体 现，如果晶界移动就会增加晶界面积和增 加界面能，因此对晶界移动有约束作用。 加界面能，因此对晶界移动有约束作用。 材料越薄，表面积越大，热蚀沟越多， 材料越薄，表面积越大，热蚀沟越多，对 晶界迁移的约束力越大。 晶界迁移的约束力越大。
• Fe-Si(wSi=0.03)合金在 合金在800ºC加热时，由于 加热时， 合金在 加热时 合金中分布有细小的MnS颗粒 体积分数为 颗粒(体积分数为 合金中分布有细小的 颗粒 0.01，直径 ， • 约0.1µm), • 晶粒长大 • 时，晶界 • 受其钉扎， 受其钉扎， • 长大到一定 • 尺寸就停止 • 了。
• • • • • • • • • •
从式7-16可以看出：分散相粒 可以看出： 从式 可以看出 子数量越多，越细小， 子数量越多，越细小，对晶界 的阻碍越大。 的阻碍越大。如果晶界移动的 驱动力完全来自晶界能(即界面 驱动力完全来自晶界能 即界面 两侧的压应力差△p=2σ 两侧的Байду номын сангаас应力差△p=2σ/r晶), 则当晶界能提供的驱动力等于 分散相粒子的总约束力时， 分散相粒子的总约束力时，正 常晶粒长大停止。 常晶粒长大停止。此时的晶粒 平均尺寸称为极限平均晶粒尺 平均尺寸称为极限平均晶粒尺 Rm。 寸Rm。
• • • • • • • •
图7-32是Fe-Si(wSi=0.03) 是 合金的晶粒长大曲线。 合金的晶粒长大曲线。 高纯材料只发生正常长 大(1)；含MnS颗粒的材 ； 颗粒的材 料中有的晶粒迅速长大， 料中有的晶粒迅速长大， 有的仍保持细小(2)(3)。 有的仍保持细小 。 二次再结晶晶粒是在约 930ºC时突然长大的，在此温度时 时突然长大的， 熔化， 时突然长大的 在此温度时MnS熔化，晶 熔化 界迁移障碍消失，晶粒得以迅速长大。 界迁移障碍消失，晶粒得以迅速长大。温度高于 930ºC后，二次再结晶的数量增多，晶粒平均尺 后 二次再结晶的数量增多， 寸反而下降了。 寸反而下降了。
• *例题 例题7.4.1: 在Fe-Si钢(wSi=0.03)中测得 例题 钢 中测得 MnS粒子的直径为 ×10-4mm, 1mm2内的 粒子的直径为4× 粒子的直径为 粒子数为2× 试计算MnS对这种钢 粒子数为 ×105个，试计算 对这种钢 正常热处理时奥氏体晶粒长大的影响(晶粒 正常热处理时奥氏体晶粒长大的影响 晶粒 大小)。 大小 。 • 解：单粒子厚层的单位体积中 单粒子厚层的单位体积中 单位体积中MnS粒子个 粒子个 数为： 数为： • NV=NA/d (d为粒子直径 为粒子直径) 为粒子直径 • 故MnS粒子的体积分数为： 粒子的体积分数为： 粒子的体积分数为 • φMnS=4πr3NV/3=πd2NA/6=1.676×10-2 × • Rm=4r/3φ=1.592×10-2mm ×
• 二次再结晶中少数晶粒可以迅速长大的主 要原因是组织中存在使大多数晶粒边界比 要原因是组织中存在使大多数晶粒边界比 较稳定或被钉扎， 较稳定或被钉扎，而少数晶粒边界容易迁 移的因素： 移的因素： • (1) 细小而弥散的第二相粒子的钉扎作用限 制了大多数晶粒的长大， 制了大多数晶粒的长大，少数未受钉扎或 钉扎作用小的晶粒便得以异常长大。 钉扎作用小的晶粒便得以异常长大。
Fe-Si合金中 合金中MnS粒子限 合金中 粒子限 制晶粒长大的显微照片
• 由Fmax=3φσ/2r = 2σ/Rm, 可得： 2σ 可得： σ • Rm=4r/3 Rm=4r/3φ (7-17) • 此式表明：晶粒的极限平均尺寸决定于分散相粒 此式表明： 子的尺寸及其所占的体积分数。 子的尺寸及其所占的体积分数。当分散相粒子的 体积分数一定时，粒子尺寸越小， 体积分数一定时，粒子尺寸越小，极限平均晶粒 尺寸也越小。 尺寸也越小。 • 在钢中加入少量的 在钢中加入少量的Al, Ti, V, Nb等元素，可形成适 等元素， 等元素 当数量的AlN, TiN, VC, NbC等分散相粒子，有效 等分散相粒子， 当数量的 等分散相粒子 阻碍高温下钢的晶粒长大， 阻碍高温下钢的晶粒长大，保证钢在焊接和热处 理后仍有良好的机械性能。 理后仍有良好的机械性能。
• 图中存在两个粗晶区：一是临界变形度区 图中存在两个粗晶区：一是临界变形度区 变形度0~0.1, 温度 温度500~650ºC)；二是二 域(变形度 变形度 ；二是二 次再结晶区域(变形度 变形度0.65~1.0, 温度 次再结晶区域 变形度 600~650ºC)。后者对应的变形度较大，退 。后者对应的变形度较大， 火温度也较高。 火温度也较高。其原因是强烈冷变形导致 退火时形成大面积的再结晶织构， 退火时形成大面积的再结晶织构，阻碍了 晶粒的正常长大， 晶粒的正常长大，只有少数大角晶界的晶 粒优先生长，从而产生二次再结晶。 粒优先生长，从而产生二次再结晶。对于 一般结构材料， 一般结构材料，制定变形及退火工艺时应 避开这两个区域。 避开这两个区域。
• (4) 一次再结晶后的组织，由于某些原因产 一次再结晶后的组织， 生了局部区域不均匀现象而存在个别尺寸 很大的初始晶粒， 很大的初始晶粒，其晶界迁移率高于其他 晶界，就会迅速长大。 晶界，就会迅速长大。 • 二次再结晶并没有再形核过程，只是某些 二次再结晶并没有再形核过程 没有再形核过程， 因素导致少数晶粒异常长大而已。 因素导致少数晶粒异常长大而已。 • 在条件适宜时，有可能发生三次再结晶， 在条件适宜时，有可能发生三次再结晶， 其规律及机制与二次再结晶相同。 其规律及机制与二次再结晶相同。
300ºC 时微量 Sn对 对 高纯 Pb晶 晶 界移动 速度的 影响
• (4) 晶粒间位向差：一般情况下，晶界能越 晶粒间位向差：一般情况下， 高则晶界越不稳定，原子迁移率也越大。 高则晶界越不稳定，原子迁移率也越大。 晶粒间位向差越大，晶界能也越大， 晶粒间位向差越大，晶界能也越大，因此 迁移率越大。 迁移率越大。 • 另外，有些金属的晶粒间位向差对迁移率 另外， 的影响还与温度有关，比如铅， 的影响还与温度有关，比如铅，当温度低 于200ºC时，大角度晶界范围内只有某些特 时 殊位向的晶界移动速度较大； 殊位向的晶界移动速度较大；在300ºC时随 时随 晶粒间的位向差增大而增大， 晶粒间的位向差增大而增大，到达一定角 度后趋于稳定。这是较高温度时，杂质在 度后趋于稳定。这是较高温度时， 较高温度时 晶界偏聚的现象不明显所致 所致。 晶界偏聚的现象不明显所致。
• (2) 退火孪晶：Cu, Ni, α黄铜，γ不锈钢等 退火孪晶： 黄铜， 不锈钢等 黄铜 不易产生变形的面心立方金属经再结晶退 不易产生变形的面心立方金属经再结晶退 火后，会出现孪晶，称为退火孪晶 退火孪晶。 火后，会出现孪晶，称为退火孪晶。 • 图7-34为冷变形 为冷变形 • α黄铜退火时形 黄铜退火时形 • 成的退火孪晶组 • 织。