金属的回复与再结晶

r
0
m
0
σ0 ：充分退火材料的强度 σm：塑性变形后材料的屈服强度 σr：经历一定回复退火材料的强度
9
回复的动力学规律：
回复时间越长回复越充分，但逐渐趋于极限值；
回复温度越高，回复软化程度越大，达到极限程 度的时间越短。
回复动力学方程
C
t为退火加热时间 Q为激活能；R为气体常数；T为绝对温度； C为常数
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（2）再结晶的综合动力学曲线
➢提高温度，可以缩短孕育期，加快 再结晶的速度
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(3)再结晶的动力学方程
两个动力学方程可用来描述转变量φR (Xv) 与恒温转变时间(t)的关系：
Johnson - Mehl 方程： 假定均匀形核、球形、N和G不随时间改变，有
R
1 exp
NG3t 4
➢回复
➢ 指经过冷变形的金属在退火加热的过程中， 于再结晶过程开始之前、仍保留着变形态 组织特点的阶段。
➢回复的驱动力是储存能 ➢回复阶段储能部分释放。 ➢不同温度，回复机制有差异。
6
7.2 回复
➢ 1.回复机理
a．低温回复 点缺陷的迁移——点缺陷密度降低
b．中温回复 位错在滑移面上运动——位错密度有所降低，缠结
33
➢说说你知道的细化晶粒的方式
➢利用液固相变 ➢利用塑性变形与再结晶 ➢利用固态相变
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7.4 晶粒长大
➢ 晶粒长大 指再结晶结束后，细小的等轴晶通过晶粒相 互吞并导致的长大的过程。
➢ 长大驱动力：长大可以降低界面能
➢ 正常长大：连续长大 ➢ 异常长大（二次再结晶）：极少数晶粒长大
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1.正常长大
➢ 随着变形进行，硬化速 度降低，软化，逐渐实 现在一个稳定应力下变 形。
➢ 变形金属内发生再结晶， 变形抗力小
50
➢热变形结束后，还可发生进一步的（静 态）再结晶，消除储存能
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3. 热加工对组织与性能的影响
➢改善铸态组织缺陷（焊合气孔、疏松） ➢改善夹杂物与脆性相的形态、大小与分
布 ➢部分消除偏பைடு நூலகம் ➢细化铸态组织，提高致密度.
退火温度较低时，产生回复。储存能部分 释放，材料中的宏观残余应力基本消除，力学性 能及显微组织均保持变形后的特点。
退火温度较高时，产生再结晶。储存能完全 释放，材料重新软化，晶粒为细小的等轴晶。
再结晶完成后继续加热保温，晶粒会长大以 降低晶界能。
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7.5 金属的热变形——T>T再
➢热变形加工的特点：硬化与软化同时存 在，变形抗力小。
➢基本途径
➢炼钢时钢水中加入特殊设计的合金成分
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铸造改变组织与性能
➢基本原理——细晶强化 ➢基本途径
➢变质处理或孕育处理 ➢快冷 ➢振动搅拌
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➢举例:
➢冷却速度对A356 铝合金铸件组织的影响分 析
随着冷却速度的提高,凝固组织中的共晶含量增多,而且 初生相组织的形态也由粗大的树枝晶逐步向蔷薇状枝晶 演变
➢形成热加工流线、带状组织 ➢注意控制热加工变形度与晶粒尺寸
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热加工流线
➢夹杂物、偏析、第二相等沿变形方向伸 长，在浸蚀后的宏观磨面上出现.
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➢热加工流线的利用
➢纵向（沿纤维方向），塑性、韧性增加 横向（垂直纤维方向），塑性、韧性降低 但抗剪切能力显著增强。
➢纵向具有最大的抗拉强度，横向具有最大 的抗剪切强度.
➢ 软化机制：
➢动态回复：高层错能金属与合金：Al及其 合金，纯铁，Ni等，
➢动态再结晶：低层错能金属：Cu及其合金， 奥氏体不锈钢等，
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1.动态回复——高层错能金属
➢ 随着变形进行，硬化速度 降低，直到实现在一个稳 定应力下变形。
➢ 变形金属内有异号位错的 互毁和位错的重新分布。
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2.动态再结晶——低层错能金属
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热加工流线的合理利用
➢流线沿零件轮廓分布不中断 ➢最大拉应力方向沿流线 ➢最大剪应力方向垂直于流线
55
√
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带状组织
➢ 多相合金中的各相热加工时沿变形方向交替 呈带状分布
➢ 引起各向异性 ➢ 可由正火处理或控制变形在奥氏体单相区完
成来消除
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4.超塑性变形
➢ 主要条件
➢一定的变形温度 ➢低的应变速率 ➢极细小的等轴晶粒 ➢较高的应变速率敏感性指数-m
微量杂质元素含量 越高，晶界迁移越慢
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➢（3）第二相（分散相）质点
阻碍晶界移动，降低晶粒长大速度
φ：分散相粒子所占的体积分数。 r：粒子的半径
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➢举例： Fe-3%Si合金含有MnS粒子时，若其半 径为0.05mm，体积分数为0.01，在 850℃以下退火过程中，当基体晶粒平 均直径为6 mm时，其正常长大即行停止， 试分析其原因
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3.晶粒异常长大——二次再结晶
指当正常晶粒长大过程被分散相微粒、织构 或表面热蚀沟等因素强烈阻碍时，局部位置此 类因素的缺少或消失而造成的突发性的晶粒快 速长大的现象。
驱动力：晶界能的降低。
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45
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小结：
冷变形在金属材料内部产生了储存能，退 火过程中原子活动能力增强，储存能逐渐释放。 材料内部发生回复、再结晶与晶粒长大。
3

21
➢ Avrami方程： 形核率随时间呈指数衰减的恒温形核问题。
R 1 exp Bt K
➢ 式中，B和K均为常数，可通过实验确定
lg ln 1 lg B K lg t
1R
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再结晶激活能
再结晶速率与等温温度之间有Arrinius关系：
AeQ/ RT
41
第二相颗粒所占体积分数一定时， 颗粒愈细，其数量愈多，则晶界迁移所 受到的阻力也愈大，晶粒正常长大速度 越小。
即分散相粒子的尺寸越小，再结晶的 极限平均晶粒尺寸越小。
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➢ （4）晶粒间位向差
➢ 位向差决定晶界能的高低 ➢ 大角度晶界晶界能高，晶界迁移快，
小角度晶界晶界能低，晶界迁移慢
故：
➢位向差大者，晶界迁移快，晶粒易长大 ➢位向差小者，晶界迁移慢，晶粒难长大 ➢有织构的组织晶粒难以长大
➢ 冷塑性变形产生加工硬化、变形抗力大； 热塑性变形同时存在加工硬化与回复、再结 晶造成的软化，变形抗力小
➢ 无论室温变形还是高温变形，单相固溶体组 织都表现出比多相合金更好的变形能力
➢ 合金中存在的晶界、溶质原子、位错、第二 相粒子都具有抵抗外力造成变形的能力
➢ 冷、热塑性变形均会对组织与性能产生影响
位错重新排列 c．高温回复
位错滑移、攀移——多边化及多边形亚晶形成，亚 晶粒尺寸增大
概括： 回复过程中点缺陷数量降低；位错密度下降不多，
但位错的分布有变化，处于应变能低的状况。
7
8
2.回复动力学
回复进行的程度可以用 剩余加工硬化分数1-R 表示：
1 R ( ) /( )
➢形变金属有回到变形前组织与性能状态 的趋势
3
7.1 形变金属及合金在退火过程中的变化
➢ 回复、再结晶、晶粒长大是形变金属退火时 经历的基本过程
➢1. 显微组织变化
4
2. 储存能释放与性能变化
➢ 经过回复与再结晶， 材料的储存能释放完 毕，材料的组织与性 能能够逐渐恢复变形 前的状态。
5
7.2 回复
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稀土、钒、钛变质处理对高硅铸钢晶粒 细化的影响
经稀土、钒、钛变质处理后,高硅铸钢中形成大量的高熔点 化合物,可以强烈地促进非均质形核,细化高硅铸钢的奥氏体 晶粒;同时变质剂的加入可以明显提高钢液的过冷度,促进形 核、细化奥氏体晶粒。
➢ 临界变形度：在能引起再结晶的最小变形度附近 变形后，再结晶后的晶粒特别粗大，称为“临界变 形度”。
31
（2）退火温度的影响
提高退火温度： 临界变形度减小 再结晶后晶粒粗大
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再结晶全图：表示变形 程度、退火温度、再结 晶后的晶粒大小之间关 系的立体图。
此外，原始晶粒大 小、杂质、形变温度等 也会对再结晶后的晶粒 尺寸产生影响。
展为大角度晶界，能迅速迁移。 ➢晶界迁移时扫清前方位错，留下无畸变的
晶体成为再结晶核心。
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➢亚晶蚕食机制——低层错能金属
➢变形时没有交滑移，位错密度相对高。 ➢相邻亚晶界位向差大，加热时易迁移发展
为大角度晶界。能迅速迁移，扫清前方位 错，留下无畸变的晶体成为再结晶核心。
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再结晶形核结束后，会进一步长大。 长大驱动力为新晶粒与旧晶粒之间的应变 能差。 晶界背向其曲率中心方向移动，直到消耗 完所有的畸变晶粒形成无畸变的等轴新晶 粒再结晶完成
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2.再结晶的应用
➢应用：
➢消除加工硬化 ➢再结晶退火（中间退火）
➢举例
现有一6mm铝丝需最终加工至0.5mm铝
材，但为保证产品质量，此丝材冷加工量 不能超过85%，如何制定其合理加工工艺？
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3.再结晶动力学
➢ (1)等温再结晶曲线
典型的形核长大过程，S形曲线。 转变需要孕育期，转变速度在转变进行到50%时最快。
金属材料及热处理
第三篇 金属的塑性 变形与再结晶
第七章 回复与再结晶·
➢本章主要内容
➢变形金属退火时的组织与性能变化 ➢回复的过程、机理与应用 ➢再结晶的过程、机理与应用 ➢影响再结晶的因素 ➢晶粒长大的控制与应用 ➢热塑性加工的组织与性能
2
第七章 回复与再结晶
➢形变金属处于一种不稳定的状态：
➢吸收了一部分变形功 ➢晶体缺陷数量高 ➢存在残余应力 ➢加工硬化状态
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改变金属材料组织和性能的措施 阶段小结
➢已学过：
➢通过合金化改变组织与性能 ➢通过铸造改变组织与性能 ➢通过压力加工改变组织与性能 还要学习：第九章 ➢通过热处理改变组织与性能
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合金化改变材料的组织与性能
➢是原材料生产单位的任务（钢厂） ➢基本原理
➢固溶强化——合金化形成固溶体 ➢第二相弥散强化—— 合金化形成第二相
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3. 回复退火的应用
去应力退火 效果：保留加工硬化，降低应力。
回复退火的温度、退火的时间可参考动力学曲 线制定
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7.3 再结晶
➢再结晶：
➢指经过冷变形的金属退火过程中，于变形 的基体中重新生成无畸变的等轴状的新晶 粒的过程。
➢再结晶的驱动力是储存能 ➢再结晶阶段剩余储能全部释放 ➢加工硬化消除 ➢是形核与长大的过程，不改变晶体结构
课后习题 P144 1.3.4.5.8.10 P159 1.3.4.8.
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金属塑性成形加工的特点及应用
➢特点
➢与铸造比：力学性能高，内部缺陷被压合， 晶粒显著细化
➢与切削加工相比：材料的利用率和生产率高
➢缺点：
➢形状不能太复杂 ➢坯料塑性要好
➢应用：
➢汽车、拖拉机、宇航、电器、桥梁、建筑等
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金属与合金的冷热变形加工比较
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（4）原始晶粒尺寸
原始组织细小，变形产生的储存能更大，降 低再结晶温度。
变形后的晶粒越细小，再结晶速度越快。
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（5）分散相（第二相）粒子
➢ 可促进或阻碍基体金属的再结晶，取决于粒子的 尺寸及间距。
➢ 细小弥散的第二相粒子一般阻碍亚晶界的迁移， 故阻碍再结晶。
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5.再结晶后的晶粒大小
➢ 受到变形度、退火温度、成分等的影响 ➢ （1）变形度影响
可以证明，等温退火温度与完成再结晶的 时间t之间有如下关系：
可由此关系式确定再结晶的激活能
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4.影响再结晶的因素
➢（1）温度
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（2）变形程度
增加冷塑性变形的 程度可以降低再结晶温 度。
存在一最低的再结 晶温度
≈0.4Tm.
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(3)微量溶质原子
➢溶质原子会阻碍位错运动和晶界的迁移， 提高再结晶温度。
➢晶界移动的驱动力
p b
R
直到晶界平直
➢晶界移动的方向
➢指向曲率中心， ➢大者长大，小者消失
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2.影响晶粒长大的因素
——通过影响晶界迁移而作用 ➢（1）温度
温度越高，长大越快 一定温度下有一个极限尺寸
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➢（2）杂质与合金元素
杂质元素与微量溶 质原子与晶界产生交互 作用，阻碍晶界迁移。
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1.再结晶的形核
➢核心问题： 晶体内必须要能够形 成位错密度低的微区
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(1).晶界弓出形核——塑性变形量<20%
➢晶界两侧位错密度差异较大 ➢晶界向位错密度高侧弓出后，可使储存
能下降
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（2）亚晶形核——变形量大、均匀
➢亚晶合并机制——高层错能金属
➢变形时有交滑移，位错密度相对低。 ➢亚晶通过各种作用合并，长大。亚晶界发
➢例: ➢利用钛合金的超塑成型工艺制造Ｂ－１喷气式飞
机的舱门、尾舱、骨架，原工艺需１００个零件， 经各种方法连接组装而成。如用超塑性合金，可 一次成型做成，使尾舱架的重量减轻３３％，成 本降低５５％。
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重要知识点与能力要求
➢ 掌握变形金属及合金在退火过程中的组织与性能变化 ➢ 回复的概念、应用 ➢ 再结晶的概念、组织性能、应用 ➢ 掌握影响加热时晶粒长大的因素 ➢ 掌握热加工对组织与性能的影响 ➢ 能判断变形金属与合金组织与性能变化的原因