[研究生入学考试]材料科学基础山东大学第七章课件

§7.3 再结晶
注意点:
(1) 再结晶驱动力是储存能; (2) 再结晶没有发生晶格类型变化,所以再结
晶不是相变; (3) 再结晶是形核长大过程.
再结晶退火应用:
–恢复变形能力
–改善显微组织 –消除各向异性 –提高组织稳定性
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第七章 回复与再结晶
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§7.3 再结晶
1. 再结晶的形核与长大
回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平
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第七章 回复与再结晶
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§7.2 回 复
–回复速率—加工硬化残留率与退火温度和时
间的关系:
式中:
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。
该式说明,回复的速率随温度增高而增大—与
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第七章 回复与再结晶
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§7.4 再结晶后的晶粒长大
1. 晶粒的正常长大
– 晶粒长大的方式
与再结晶晶核长大时 晶界的迁移方向相反
大角度晶界迁移、大晶粒吞食小晶粒;
晶界向曲率中心移动.
– 晶粒长大的驱动力
来源于晶界迁移后总界面能的降低, p:界面两侧压
界面为球面时: p 2
– 影响因素: b. 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.
c. 微量溶质原子和 杂质
增加储存能,阻碍 晶界移动,有利于 晶粒细化.
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§7.3 再结晶
– 影响因素: d. 温度
变形温度越高,回 复程度越大,储存 能减小,晶粒粗化;
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§7.3 再结晶
再结晶:冷变形金属加热到一定温度以上 时,由变形晶粒转变为新的无畸 变的等轴晶粒,此过程称为再结晶.
过程特点:
(1) 显微组织彻底改变; (2) 变形储存能充分释放; (3) 性能显著变化.
经再结晶，性能可恢复到变形以前的完全软化状态
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第七章 回复与再结晶
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§7.2 回 复
2. 回复动力学
– 研究冷变形金属回复过程性能恢复的速率 – 动力学曲线特点：
a. 没有孕育期； b. 开始变化快，随后
变慢； c. 长时间保温后，性
能很缓慢地趋于一 平衡值—驰豫过程。
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§7.2 回 复
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，而达到此极限所需时间也越短
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§7.3 再结晶
形核机制
根据金属及其变形程度不同，再结晶的核心 一般通过两种方式形成，即
晶界凸出形核 金属变形程度小
亚晶形核
金属变形程度大
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§7.3 再结晶
– 形核机制
1) 晶界凸出形核—变形量较小时 变形量小,分布不均匀;
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§7.3 再结晶
2. 再结晶动力学
– 等温再结晶动力学曲线—具有典型形核-长 大过程的动力学特征: 开始时再结晶速度 很小，在体积分数为0.5时最大，然后减慢:
等温再结晶曲线 V 1 eBtk
V —t 时间已经再结晶的体积分数;
B,k—常数.
– 再结晶速度与温度的关系:
– 经验公式: Tk=(0.35 ~ 0.45) Tm —实际再结晶 退火温度一般比该温度高100~200℃。
– 影响再结晶温度的因素:
变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低； 纯度越高，再结晶温度越低； 加热速度太低或太高，再结晶温度提高。
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§7.3 再结晶
c. 两种方式最终亚晶界均成为大角度 晶界.
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§7.3 再结晶
– 再结晶晶核的长大
长大方式
a. 凸出方式: 超过临界半径后自发向高畸变能 晶粒中生长;
b. 亚晶机制: 形成大角度晶界后可迅速移动,扫 除位错,留下无应变晶体.
几点注意: a. 晶界迁移驱动力—相邻晶粒间畸变能差; b. 晶界移动方向—背向曲率中心; c. 再结晶结束—晶核向畸变晶粒扩展,直至再 结晶晶粒(无应变等轴晶)相互接触.
回复：组织(晶粒外形)改变前在晶粒内发生的某些结构 和性能的变化过程. 回复机制：
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§7.2 回 复
1. 回复过程中微观结构的变化机制
– 过程的驱动力是弹性畸变能的降低
1) 低温回复: 较低温度(0.1 ~ 0.3Tm)的回复
温度低, 原子活动能力有限—点缺陷运动; 空位迁移至晶界、位错处消失; 空位与间隙原子相遇消失; 空位聚集, 形成空位群或空位对. 结果: 缺陷密度降低.
B晶粒位错密度高,畸 变能较高,再结晶时, 界面凸向B晶粒,留下 无应变晶体成为再结 晶晶核;
凸出形核的能量条件:
E>2/l
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§7.3 再结晶
B晶粒位错密度高, 多边化后的亚晶 较A晶粒中的亚晶 细小,A晶粒中某 些亚晶晶界迁移 进入B晶粒成为再 结晶晶核并消耗B 中亚晶长大,降低 体系自由能.
材料科学基础
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第七章 回复与再结晶
材料塑性变形时所消耗的功，大部分转变为
热能消失，还有一部分能量以弹性应变和晶体 缺陷的形式储存起来，这部分能量称为储存能。 其中晶体缺陷所储存的能量又称为畸变能。由 于储存能的存在，使材料的自由能升高，在热 力学上处于不稳定的状态，具有向稳定状态转 化的趋势。在常温下，原子扩散能力低，这一 转化过程非常缓慢。一旦温度升高，原子的扩 散能力增强，转化过程就会加快，从而引起一 系列组织和性能的变化。本章主要讨论这些变 化的产生、变化规律及其应用。
v再 AeQR RT
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§7.3 再结晶
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§7.3 再结晶
3. 再结晶温度
– 定义: 冷变形金属开始进行再结晶的最低温度; – 测定: 金相法、硬度法; – 实际应用的再结晶温度: 经较大冷变形(变形量
>70%)的金属在1小时内能够完成再结晶的最 低温度;
“大鱼吃小鱼”
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§7.3 再结晶
2) 亚晶形核机制—变形量较大时
变形较大时各晶粒位错密度相差不大, 不能以晶界凸出形核—借助晶粒内无 应变亚晶形核;
形核方式:
a. 亚晶合并形核取向差较小的相邻 亚晶合并成再结晶晶核;
b. 亚晶直接长大形核取向差较大的 亚晶界吞并其它亚晶或变形部分形 成晶核;
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§7.1 冷变形金属在加热时的变化
1. 显微组织的变化
– 回复：显微组织几乎无任何变化，仍保持 冷变形后的纤维状组织；
– 再结晶：变形晶粒通过形核、长大，转变 成新的无畸变等轴晶粒；
– 晶粒长大：再结晶后的等轴晶粒长大，直 至稳定。
应力差;
: 单位界面能;
r
r : 曲率半径.
界面能 增加或曲率半径r减小都可使驱动力p增大;
p 使原子向界面凸侧扩散,界面向凹侧(曲率中心侧)
移动直至变为平直(p=0).
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§7.4 再结晶后的晶粒长大
– 晶粒的稳定形状
晶界趋于平直; 晶界夹角趋于120℃;
其他热激活过程相同.
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§7.2 回 复
3. 去应力退火
– 去应力退火即回复退火, 加热温度<T再; – 目的：在保持加工硬化效果前提下尽量降
低应力，防止工件变形、开裂，提 高耐蚀性; – 实际生产中可用来消除冷变形工件的内应 力.
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第七章 回复与再结晶
k —常数
G/N减小(形核率高,长大速率低),晶粒细化; 影响再结晶的因素亦影响再结晶晶粒大小;
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§7.3 再结晶
– 影响因素: a. 预先变形程度
临界变形度: 2% ~ 8%, 再结晶晶粒特别粗大;
变形度< 2%, 不发生再结晶;超 过8%, 变形度增加,晶粒细化;
提高，粗化严重时下降。
– 物理性能的变化
密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧 升高—位错密度降低所致；
电阻：电阻在回复阶段可明显下降—点缺陷下降。
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§7.1 冷变形金属在加热时的变化
–内应力的变化
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；
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§7.2 回 复
2) 中温回复: 中温(0.3 ~ 0.5Tm)加热时的回复
原子活动能力增强, 位错亦被激活—位错滑移: 位错滑移导致位错重新组合; 位错缠结重新排列; 异号位错相遇抵消; 亚晶粒长大; 结果: 位错密度降低.
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– 变化条件：冷变形金属的加热温度增加或 在高于0.5Tm温度保温。
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§7.1 冷变形金属在加热时的变化
2. 性能的变化
– 力学性能的变化
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
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§7.2 回 复
3) 高温回复: 高温(≥0.5Tm)加热时的回复
高温下位错充分激活—位错攀移+滑移: 位错攀移＋滑移同号位错垂直排列(亚晶界)
多边化(亚晶粒)弹性畸变能降低(驱动力).
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原因: 变形度很小驱动力不
足;2% ~ 8%范围,变形不均
匀形核率N小,晶粒粗大;变形 度超过临界值, N,G都增大, 但vN>vG, G/N减小,d减小. 生产中应避免临界变形量.
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§7.3 再结晶
4. 影响再结晶的因素
c. 原始晶粒尺寸 晶粒越小, 变形抗力越大, 驱动力越大,Tk降低; 晶粒越小, 晶界越多，越有利于形核.
d. 分散相粒子（表7-3） 间距和直径都较大时,提高畸变能,并可作为形核核心,促 进再结晶;
直径和间距很小时,提高畸变能,但阻碍晶界迁移,阻碍 再结晶.
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§7.2 回 复
回复导致的性能变化： 电阻率下降显著 内应力降低 硬度和强度下降不多
回复机制： 空位的减少和位错应变能的降低 晶体弹性应变能的基本消除 位错密度下降不大
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再Biblioteka Baidu晶阶段：内应力可完全消除。
–储存能的变化
储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分 (~10％)变形功;
存在形式：弹性应变能(3 ~ 12％)，位错(80 ~ 90％),
点缺陷； 储存能的释放：加热时原子活动能力提高，迁移至
平衡位置，储存能得以释放。
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§7.2 回 复
e. 微量溶质元素—阻碍位错和晶界的运动,不利于再结晶.
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§7.3 再结晶
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§7.3 再结晶
5. 再结晶晶粒大小的控制
– 再结晶晶粒大小决定金属的力学性能;
– 再结晶晶粒的平均直径:
d
k
G N
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4
式中: G —长大速率; N —形核速率;
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§7.3 再结晶
4. 影响再结晶的因素
a. 退火温度—加热温度越高,再结晶速度越快. b. 变形程度
变形程度越大,再结晶驱动力越大,故开始再结晶 温度越低,等温退火时再结晶速度越快;
变形量增大到一定程度后Tk趋于稳定; 变形量低于一定值再结晶不能进行.
退火温度越高,临 界变形度越小,晶 粒粗大.
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§7.4 再结晶后的晶粒长大
晶粒长大的驱动力—界面能的降低
晶粒长大方式
–正常长大
再结晶后的晶粒均匀连续地长大,大多数晶粒的 长大速度相差不大.
–异常长大—二次再结晶
再结晶后少数晶粒突发性地不均匀长大,晶粒长 大速度相差较大.