材料科学基础——回复再结晶

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σr——回复后的σs σ0——充分退火后的σs σm——冷变形后的σs
1-K=B·Cd
Cd为缺陷的体积密度,B为比例常数
d1 K B dCd
dt
dt
缺陷运动是热激活过程
dCd dt
ACd eQ/ RT
Q为激活能,R为气体常数,T为绝对温度
d 1 K A(1 K )eQ/ RT
dt
ln1 K AeQ/ RTt C
如果在不同温度下,回复到相同程度,1-K为常数
ln t C Q / RT
作lnt~1/T曲线,求得Q
Q≈空位迁移能
短时回复
Q ≈自扩散激活能
长时回复
7.2.3 回复机制
低温回复( 0.1Tm < T<0.3Tm)
只涉及点缺陷的运动,主要与空位有关,空 位浓度与温度有关。 低温回复,过饱和空位消失。 空位+位错、空位+间隙原子、空位+晶界 空位消失引起物理性能显著变化,而对力性 影响不大。
结晶退火后,塑性可得到恢复,强度大幅度 下降。
由于缺陷的减少或消除,材料的密度也 相应增加。
4. 缺陷与物理性能变化
回复期
胞状亚结构 尺寸变化少
密度
变化少
电阻率 ↓↓(点缺陷)
再结晶期 明显↑胞壁厚↓
↑↑ 不变
5. 再结晶织构
具有形变织构的材料在再结晶退火时会再度 获得织构,这称为再结晶织构或退火织构。 再结晶织构可能和原来的形变织构一致,但 更经常和原来的形变织构完全不同。
只涉及点缺陷的运动,过饱和空位消失。 空位+位错、空位+间隙原子、空位+晶界
中温回复( 0.3Tm < T<0.5Tm)
异号位错对消,位错密度变化,因此对力性有影响。
高温回复( 0.5Tm < T < Tm)
位错的滑移+攀移,多边形化
回复退火的应用
去应力退火——降低应力(保持加工硬化效 果),防止工件变形、开裂,提高耐蚀性。
中温回复( 0.3Tm < T<0.5Tm)
异号位错对消,位错密度变化,因此对力性 有影响。 若变形仅是第一阶段(单滑移),则回复后 力性基本完全恢复。 若变形进行到第二阶段或者多晶体,(多滑 移),位错组态稳定,恢复难于完成。
高温回复( 0.5Tm < T < Tm)
位错的滑移+攀移,多边形化
亚晶合并机制
没有取向梯度,回复后虽然亚晶长大,但并不存在大 角度晶界。
存在取向梯度,回复后长大的亚晶间取向差很大,形 成大角度晶界。
3. 亚晶蚕食机制
变形量较大的低层错能金属。 扩展位错宽度大,不易束集,交滑移困难,位错 密度很高。 位错运动后形成密度低的亚晶,亚晶向周围生长, 形成大角度晶界。
不同的温度下再结晶相同的体积分数:
V再 A exp( QR / RT )
V再正比于1t
1 t

A exp(QR
/
RT)
ln
Leabharlann Baidu
1 t

ln
A

QR
/
RT
再结晶动力学的影响因素
1)形变量 再结晶需要一个最低 的形变量(1%~5%) 才会进行。 在这个基础上,变形 量增大,使储存能以 及形核的位置增加。
形变过程中大部分机械能都转化为热,只有 约百分之几的储存在形变材料中,依附于点 缺陷、位错、层错等缺陷形式存在。
从热力学角度看,冷变形金属是不稳定的, 只要有合适的动力学条件,它就有释放此储 存能,向低能量状态转变的倾向。也就是消 除形变所带来的“损伤”,恢复形变前组织 结构的状态。
退火过程中会发生变化的条件:
晶界是有利的再结晶形核 位置,原始晶粒小,再结 晶形核位置多,有利于再 结晶;但原始晶粒小,变 形较均匀,减少形核位置, 不利于再结晶。 总体是前者影响大于后者。 原始晶粒尺寸还可能影响 形变织构,从而影响再结 晶动力学。
塑性变形对金属组织与性能的影响
4. 力学性能
强度、硬度↑ 塑性、韧性↓
加工硬化
利:提高材料强度 弊:增加变形抗力,不利于进一步加工
塑性变形对金属组织与性能的影响
5. 残余应力(remnant stress)
金属形变时,外力做功 的大部分以热的形式散 掉,只有一小部分 (10%-15%)以残余内 应力的方式储存在形变 金属中(储存能),它 随形变量加大而加大, 但占形变总功的分数却 随形变量加大而减小。
7.3.1 再结晶的形核
1. 晶界弓出机制
变形量较小时, 变形通常不均匀, 相邻晶粒间的位 错密度相差较大。
晶界会突然向高 密度部分弓出。
晶界弓出机制
两侧单位体积的储存能之差是驱动力。 界面能的增加是阻力。
G

Es

dA dV
Es 2 / L
晶界弓出机制
2. 亚晶合并机制
变形量较大的高层错能金属。
亚晶合并机制 亚晶蚕食机制 晶界弓出机制
再结晶核心的长大
再结晶晶核一经形成,就开始自发地长大。 晶核在畸变能的作用下,背离其曲率中心, 向畸变能较高的变形晶粒推移,直到全部形 成无畸变(或畸变很少)的等轴晶粒为止。
特点/实验事实:
核心优先在局部形变高的区域形成。(形变 带,晶界,夹杂附近及自由表面附近等)
再 结 晶 百 分 数
等温时间
再结晶动力学和相变动力学相似。 再结晶等温动力学曲线呈S型:再结晶退火后有一 段孕育期,然后再结晶速度逐渐增加,一直增至某 一近似恒定的速度,然后速度又逐渐下降。
高强IF钢再结晶退火后的硬度曲线图
维氏硬度/HV
280
260
1#
2#Ti
240
3#P
220
200
180
160
Tm(Tm为金属熔点),经过一定时间后, 就会有晶体缺陷密度大为降低的现象,新等 轴晶粒在冷变形的基体内形核长大,直到冷 变形晶粒完全耗尽为止。
0.6 mm
0.6 mm
33% cold worked brass
New crystals nucleate after 3 sec. at 580C.
恒温下经过时间t的退火,已经再结晶 的体积分数为:
xR
1 exp
NG3t 4
3

由于N、G随时间变化,修正:
xR 1 exp Bt k
——Avrami
lg
ln

1
1 xR


lg
B

k
lg
t
lg ln 1 lg t 1 xv
冷变形金属的再结晶是一个热激活过程,再结晶速 度符合阿累尼乌斯方程:
2. 亚结构(substructure)的细化
a、随着变形的增大, 晶界出现位错堆积。
b、随着变形的增 大,晶粒破碎成细 碎的亚晶粒,位错 密度明显增大。
塑性变形对金属组织与性能的影响
3. 变形织构(deformation texture)
金属塑性变形过程中,晶粒的晶格位 向会沿变形方向发生转动,当金属塑性变 形量达到一定程度(70%—90%),金属 中的每个晶粒的晶格位向将沿变形方向趋 于一致,这种现象称为 “织构现象”。
第七章 回复与再结晶
Recovery and Recrystallization
7.1 变形金属加热时的变化 7.2 回复★ 7.3 再结晶★ ★ 7.4 金属的热变形★
塑性变形对金属组织与性能的影响
对组织结构的影响 1. 显微组织的变化
塑性变形对金属组织与性能的影响
塑性变形对金属组织与性能的影响
热力学 :变形使位错、空位增加,变形储 存能增高,变形金属吉布斯自由能升高,因 此,变形金属处于热力学不稳定状态。
动力学 : 加热过程中主要是空位移动和原子扩散。 原子扩散系数:
D=D0exp(-Q/RT) D0——扩散系数,Q——扩散激活能 因此,T升高,D增大。
因此,低温时,尽管热力学不稳定,但由于 原子不易扩散,变化非常缓慢,可以忽略。
再结晶基本标志:晶核通过大角度界面迁动 而长大;
再结晶包括形核和长大两个基本过程。
再结晶的特点
1. 组织发生变化,由冷变形的伸长晶粒变为 新的等轴晶粒。
2. 力学性能发生急剧变化,强度、硬度急剧 降低,塑性提高,恢复至变形前状态。
3. 变形储存能在此过程中全部释放。第三类 应力消除,位错密度降低。
140
120
100
80 冷0轧 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
保温时间/S
再结晶动力学的发展 Johnson and Mehl
假设: 形核率N不随时间变化。 形核地点在整个体积内随机分布。 所有核心的长大速度G相同,不随时间变化。 核心在相碰处停止长大。 孕育期很短,可以忽略。
黄铜弹壳,冷拉钢丝卷制的弹簧
亚晶长大:亚晶形成以后,材料仍然保留有较 大的储存能,亚晶将会进一步长大以减少小角 度界面面积来降低储存能,使得某些较大的亚 晶吞并较小的亚晶而长大。
其驱动力是大、小亚晶界面的界面能差。
7.3 再 结 晶
冷变形后的金属加热到一定温度之后,在变 形基体中重新生成无畸变的新晶粒的过程叫 再结晶。 再结晶驱动力:形变金属的机械储存能;
一般情况下(中等形变量下),核心的晶体 学位向与它形成所在的形变区域的晶体学位 向有统计关系。
核心不能长入和它的位向差别不大的区域中。
再结晶——三个方面
再结晶动力学及其影响因素 再结晶后晶粒尺寸及其影响因素 再结晶温度及其影响因素
1. 再结晶动力学
再结晶动力学决定于形核率N和长大速率G的大小。
2. 回复过程的特征
组织不发生变化,仍保持变形状态伸长的 晶粒。
第一类应力全部消除,第二类应力大部分 消除。
力学性能变化不大,某些物理性能有较大 的变化,电阻率显著降低,密度增大。
7.2.2 回复动力学
回复过程中,温度与时间对硬化去除的影响。
剩余加工硬化分数 1-K
1 K r 0 m 0
0.6 mm
0.6 mm
After 4 seconds
After 8 seconds
2. 储存能的变化
金属变形后,在退火 过程中,原形变后依 附于各缺陷而存在的 储存能以热的形式释 放来,作为回复与再 结晶的驱动力。
前 回复 后 再结晶
A 纯金属, B、C 合金
3. 性能的变化
塑性和强度: 冷变形后产生加工硬化的金属,经过再
塑性变形对金属组织与性能的影响
残余应力(remnant stress)
第一类残余应力:~1% 宏观内应力:各部分宏观变形不均匀引起的 第二类残余应力:~10% 微观内应力:晶粒、晶块变形不均匀引起的
第三类残余应力:~90% 点阵畸变:几十至几百nm,缺陷引起的
金属冷变形后,金属中晶体缺陷密度增大, 自由焓增高,组织和性能都发生了明显的变 化。其变化程度随着形变量加大而加大,而 且形式也越来越复杂。
李振民:亚晶转动聚合粗化模型 两个有微弱取向差的亚晶聚合成一个,通过其
中一个亚晶转动来取消它们之间的界面。
胡郇:亚晶聚合形成再结晶晶核的模型 在点阵弯曲和位错密度比较高的显微带状区中,
两个有取向位向差的小角度亚晶聚合形成一个有大角 度晶界的晶粒。
a)未形核前的亚晶结构; b)A和B,C和D亚晶聚合; c)2个已聚合的亚晶再聚合 ; d)已聚合粗化的晶界变成 大角度晶界,实际上变成再 结晶核心。
2)形变方式
拉伸变形促进再结 晶的影响大于压缩 变形。 在同样的变形量下, 拉伸变形比压缩变 形材料的再结晶温 度低。
3)晶粒取向
原始取向影响再结晶的形核位置和形核驱动力。因为 晶粒的结构及储存能大小取决于开动的滑移系,不同 织构的储存能不同,对再结晶速度的影响也不同。
4)原始晶粒尺寸
相同应变量下细晶内形变储存能高,加速再结晶。
a. 单个位错滑移、攀移,形成亚晶界。 b. 亚晶合并成Y结点。 c. Y结点移动,亚晶长大,完成多边形化。
多边形化
内容回顾
回复的不同阶段
形变形成位错缠结和胞状结构(如图a,b)→胞内位 错重排列和对消(如图c)→胞壁的峰锐化形成亚晶(如图 d)→亚晶长大(如图e)
低温回复( 0.1Tm < T<0.3Tm)
7.2 回 复
回复是冷变形金属退火最早发生的变化过程。
回复过程是通过点缺陷消除、位错的对消和 重排来实现的。
回复过程中不涉及大角度晶界的迁动,仅是 形变材料的结构完整化过程。
1. 回复的不同阶段
形变形成位错缠结和胞状结构(如图a,b)→胞内位 错重排列和对消(如图c)→胞壁的峰锐化形成亚晶(如图 d)→亚晶长大(如图e)
只有提高加热温度,满足热力学条件,才能 发生。
7.1 变形金属及合金退火过程中的变化
退火 :任何能导致减小或消除“形变损伤” 的热处理都称为退火。
形变金属退火包括一系列使形变不断转变 为低能的过 程,习惯上把这些过程分为三 个阶段:回复→再结晶→晶粒长大。
(各阶段经常发生重叠)
1. 显微组织的变化 经大量冷变形的金属加热到大约(1/2)
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