材料科學(xué)基礎(chǔ)

1、回復(fù)與再結(jié)晶第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化 一一 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶 回復(fù)：冷變形金屬在低溫加熱時(shí)，其顯微組織無(wú)可見(jiàn)變化，但回復(fù)：冷變形金屬在低溫加熱時(shí)，其顯微組織無(wú)可見(jiàn)變化，但其物理、力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前的過(guò)程。其物理、力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前的過(guò)程。 再結(jié)晶：冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，在變形組織內(nèi)部新再結(jié)晶：冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，在變形組織內(nèi)部新的無(wú)畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強(qiáng)化效應(yīng)完全消的無(wú)畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強(qiáng)化效應(yīng)完全消除的過(guò)程。除的過(guò)程。第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化 二二 顯微組織變化（示

2、意圖）顯微組織變化（示意圖） 回復(fù)階段：顯微組織仍為纖維狀，無(wú)可見(jiàn)變化；回復(fù)階段：顯微組織仍為纖維狀，無(wú)可見(jiàn)變化； 再結(jié)晶階段：變形晶粒通過(guò)形核長(zhǎng)大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臒o(wú)畸變?cè)俳Y(jié)晶階段：變形晶粒通過(guò)形核長(zhǎng)大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臒o(wú)畸變的等軸晶粒。的等軸晶粒。 晶粒長(zhǎng)大階段：晶界移動(dòng)、晶粒粗化，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的形狀和晶粒長(zhǎng)大階段：晶界移動(dòng)、晶粒粗化，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的形狀和尺寸。尺寸。第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化 二二 顯微組織變化（示意圖）顯微組織變化（示意圖） smith w f. foundations of materials science and engineering. mcgraw

3、.hill.3/e第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化 三三 性能變化性能變化 1 1 力學(xué)性能力學(xué)性能 回復(fù)階段：強(qiáng)度、硬度略回復(fù)階段：強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高。有下降，塑性略有提高。 再結(jié)晶階段：強(qiáng)度、硬度再結(jié)晶階段：強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。明顯下降，塑性明顯提高。 晶粒長(zhǎng)大階段：強(qiáng)度、硬晶粒長(zhǎng)大階段：強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降度繼續(xù)下降, ,塑性繼續(xù)提高，塑性繼續(xù)提高，粗化嚴(yán)重時(shí)下降。粗化嚴(yán)重時(shí)下降。 第一節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化 2 2 物理性能物理性能 密度密度: :在回復(fù)階段變化在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急劇升不大，在再結(jié)晶階段急劇升高；高； 電

4、阻：電阻在回復(fù)階段電阻：電阻在回復(fù)階段可明顯下降?？擅黠@下降。3. 內(nèi)應(yīng)力變化內(nèi)應(yīng)力變化 回復(fù)階段：大部分或全部消除第回復(fù)階段：大部分或全部消除第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力，部分消除第二、三一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力，部分消除第二、三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力；類(lèi)內(nèi)應(yīng)力； 再結(jié)晶階段：內(nèi)應(yīng)力可完全消除。再結(jié)晶階段：內(nèi)應(yīng)力可完全消除。第二節(jié) 回復(fù) 一一 回復(fù)回復(fù)回復(fù)是冷變形材料在退火時(shí)發(fā)生組織和性能變化的早期階回復(fù)是冷變形材料在退火時(shí)發(fā)生組織和性能變化的早期階段，它實(shí)質(zhì)上是一種通過(guò)加熱使晶體內(nèi)部的點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)段，它實(shí)質(zhì)上是一種通過(guò)加熱使晶體內(nèi)部的點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而改變?nèi)毕莘植己蜏p少缺陷數(shù)量的過(guò)程。發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而改變?nèi)毕莘植己蜏p少缺陷數(shù)量

5、的過(guò)程。第二節(jié) 回復(fù) 二二 回復(fù)機(jī)理回復(fù)機(jī)理 1 1 低溫回復(fù)（低溫回復(fù)（0.10.10.3tm0.3tm） 移至晶界、位錯(cuò)處移至晶界、位錯(cuò)處點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng) 空位間隙原子空位間隙原子 消失消失 缺陷密度降低缺陷密度降低 空位聚集（空位群、對(duì)）空位聚集（空位群、對(duì)）第二節(jié) 回復(fù) 二二 回復(fù)機(jī)理回復(fù)機(jī)理 2 2 中溫回復(fù)中溫回復(fù) （0.30.30.5tm0.5tm） 異號(hào)位錯(cuò)相遇而抵銷(xiāo)異號(hào)位錯(cuò)相遇而抵銷(xiāo)位錯(cuò)滑移位錯(cuò)滑移 位錯(cuò)密度降低位錯(cuò)密度降低 位錯(cuò)纏結(jié)重新排列位錯(cuò)纏結(jié)重新排列第二節(jié) 回復(fù) 二二 回復(fù)機(jī)理回復(fù)機(jī)理 3 3 高溫回復(fù)（高溫回復(fù)（0.5tm0.5tm）位錯(cuò)攀移位錯(cuò)攀移（滑移）（滑

6、移） 位錯(cuò)垂直排列（亞晶界）位錯(cuò)垂直排列（亞晶界） 多邊化（亞晶粒）多邊化（亞晶粒） 彈性畸變能降低。彈性畸變能降低。第二節(jié) 回復(fù) 二二 回復(fù)機(jī)理回復(fù)機(jī)理 smith w f. foundations of materials science and engineering. mcgraw.hill.3/e第二節(jié) 回復(fù) 三三 回復(fù)退火的應(yīng)用回復(fù)退火的應(yīng)用 1 1回復(fù)機(jī)制與性能的關(guān)系回復(fù)機(jī)制與性能的關(guān)系 內(nèi)應(yīng)力降低內(nèi)應(yīng)力降低: :彈性應(yīng)變基本消除彈性應(yīng)變基本消除; ; 硬度、強(qiáng)度下降不多：位錯(cuò)密度降低不明顯，亞晶較細(xì)；硬度、強(qiáng)度下降不多：位錯(cuò)密度降低不明顯，亞晶較細(xì)； 電阻率明顯下降：空位減少，

7、位錯(cuò)應(yīng)變能降低。電阻率明顯下降：空位減少，位錯(cuò)應(yīng)變能降低。 2 2去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火 降低應(yīng)力（保持加工硬化效果），防止工件變形、開(kāi)降低應(yīng)力（保持加工硬化效果），防止工件變形、開(kāi)裂，提高耐蝕性。裂，提高耐蝕性。第三節(jié) 再結(jié)晶 一一 再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大 1 1 形核形核 亞晶長(zhǎng)大形核機(jī)制亞晶長(zhǎng)大形核機(jī)制 （變形量較大時(shí)）（變形量較大時(shí)） 亞晶合并形核亞晶合并形核 亞晶界移動(dòng)亞晶界移動(dòng)( (長(zhǎng)大長(zhǎng)大) )形核形核( (吞并其它亞晶或變形部分吞并其它亞晶或變形部分) ) 凸出形核（變形量較大時(shí)）凸出形核（變形量較大時(shí)） 晶核伸向小位錯(cuò)胞晶粒晶核伸向小位錯(cuò)胞晶粒( (畸變能較高區(qū)域

8、畸變能較高區(qū)域) )內(nèi)內(nèi). .第三節(jié) 再結(jié)晶 一一 再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大1 1 形核形核 第三節(jié) 再結(jié)晶 一一 再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大 晶界凸出形核（變形量較小時(shí)晶界凸出形核（變形量較小時(shí),20%,70%）的金屬或合）的金屬或合 金，在金，在1h內(nèi)能夠完成再結(jié)晶的（再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)內(nèi)能夠完成再結(jié)晶的（再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)95%） 最低溫度。最低溫度。 高純金屬：高純金屬：t再再(0.250.35)tm。2 經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式 工業(yè)純金屬：工業(yè)純金屬：t再再(0.350.45)tm。 合金：合金：t再再(0.40.9)tm。 注：再結(jié)晶退火溫度一般比上述溫度高注：再結(jié)晶退火溫

9、度一般比上述溫度高100200。第三節(jié) 再結(jié)晶 三三 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度 3 影響因素影響因素 變形量越大，驅(qū)動(dòng)力越大，再結(jié)晶溫度越低；變形量越大，驅(qū)動(dòng)力越大，再結(jié)晶溫度越低； 純度越高，再結(jié)晶溫度越低；純度越高，再結(jié)晶溫度越低； 加熱速度太低或太高，再結(jié)晶溫度提高。加熱速度太低或太高，再結(jié)晶溫度提高。第三節(jié) 再結(jié)晶 四四 影響再結(jié)晶的因素影響再結(jié)晶的因素1 1 退火溫度。溫度越高，再結(jié)晶速度越大。退火溫度。溫度越高，再結(jié)晶速度越大。2 2 變形量。變形量越大，再結(jié)晶溫度越低；隨變形量增大，再結(jié)晶溫變形量。變形量越大，再結(jié)晶溫度越低；隨變形量增大，再結(jié)晶溫 度趨于穩(wěn)定；變形量低于一定值，再結(jié)

10、晶不能進(jìn)行。度趨于穩(wěn)定；變形量低于一定值，再結(jié)晶不能進(jìn)行。3 3 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驅(qū)動(dòng)力越大；晶界越多，有利于形核。原始晶粒尺寸。晶粒越小，驅(qū)動(dòng)力越大；晶界越多，有利于形核。4 4 微量溶質(zhì)元素。阻礙位錯(cuò)和晶界的運(yùn)動(dòng)，不利于再結(jié)晶。微量溶質(zhì)元素。阻礙位錯(cuò)和晶界的運(yùn)動(dòng)，不利于再結(jié)晶。5 5 第二相粒子。間距和直徑都較大時(shí)，提高畸變能，并可作為形核核第二相粒子。間距和直徑都較大時(shí)，提高畸變能，并可作為形核核 心，促進(jìn)再結(jié)晶；直徑和間距很小時(shí)，提高畸變能，但阻礙晶界遷心，促進(jìn)再結(jié)晶；直徑和間距很小時(shí)，提高畸變能，但阻礙晶界遷 移，阻礙再結(jié)晶。移，阻礙再結(jié)晶。第三節(jié) 再結(jié)晶 五五 再結(jié)晶的應(yīng)用

11、再結(jié)晶的應(yīng)用 恢復(fù)變形能力恢復(fù)變形能力 改善顯微組織改善顯微組織 再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火 消除各向異性消除各向異性 提高組織穩(wěn)定性提高組織穩(wěn)定性 再結(jié)晶溫度：再結(jié)晶溫度：t再再100200。 第四節(jié) 晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大 驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng) 力：力：界面能差界面能差. . 長(zhǎng)大方式：長(zhǎng)大方式： 正常長(zhǎng)大；正常長(zhǎng)大； 異常長(zhǎng)大（二次再結(jié)晶）異常長(zhǎng)大（二次再結(jié)晶）. .第四節(jié) 晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大一一 晶粒的正常長(zhǎng)大晶粒的正常長(zhǎng)大 1 1 正常長(zhǎng)大：再結(jié)晶后的晶粒均勻連續(xù)的長(zhǎng)大。正常長(zhǎng)大：再結(jié)晶后的晶粒均勻連續(xù)的長(zhǎng)大。 2 2 驅(qū)動(dòng)力：界面能差。界面能越大，曲率半徑越小，驅(qū)驅(qū)動(dòng)力：界面能差。界面能越大，曲率半徑越小

12、，驅(qū) 動(dòng)力越大。動(dòng)力越大。 ( (長(zhǎng)大方向是指向曲率中心長(zhǎng)大方向是指向曲率中心, ,而再結(jié)晶晶核的長(zhǎng)大方向相反而再結(jié)晶晶核的長(zhǎng)大方向相反.).) 第四節(jié) 晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大一一 晶粒的正常長(zhǎng)大晶粒的正常長(zhǎng)大 晶界趨于平直晶界趨于平直; ; 3 3 晶粒的穩(wěn)定形狀晶粒的穩(wěn)定形狀 晶界夾角趨于晶界夾角趨于120;120; 二維坐標(biāo)中晶粒邊數(shù)趨于二維坐標(biāo)中晶粒邊數(shù)趨于6.6.第四節(jié) 晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大一一 晶粒的正常長(zhǎng)大晶粒的正常長(zhǎng)大4 4 影響晶粒長(zhǎng)大的因素影響晶粒長(zhǎng)大的因素(1)(1)溫度。溫度越高，晶界易遷移，晶粒易粗化。溫度。溫度越高，晶界易遷移，晶粒易粗化。(2)(2)分散相粒子。阻礙晶界遷移

13、，降低晶粒長(zhǎng)大速率。一分散相粒子。阻礙晶界遷移，降低晶粒長(zhǎng)大速率。一 般有晶粒穩(wěn)定尺寸般有晶粒穩(wěn)定尺寸d和第二相質(zhì)點(diǎn)半徑和第二相質(zhì)點(diǎn)半徑r、體積分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù) 的的 關(guān)系：關(guān)系：d=4r/3 (3)(3)雜質(zhì)與合金元素。雜質(zhì)與合金元素?！皻鈭F(tuán)作氣團(tuán)作”釘扎晶界釘扎晶界, ,不利于晶界移動(dòng)。不利于晶界移動(dòng)。 (4)(4)晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界，晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界， 因而前者的移動(dòng)速率低于后者。因而前者的移動(dòng)速率低于后者。第四節(jié) 晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大二二 晶粒的異常長(zhǎng)大晶粒的異常長(zhǎng)大1 1 異常長(zhǎng)大異常長(zhǎng)大: :少數(shù)再結(jié)晶晶粒的急劇長(zhǎng)大現(xiàn)象。少數(shù)再結(jié)晶晶

14、粒的急劇長(zhǎng)大現(xiàn)象。( (二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶）2 2 基本條件基本條件: :正常晶粒長(zhǎng)大過(guò)程被正常晶粒長(zhǎng)大過(guò)程被( (第二分散相微粒、織構(gòu)）第二分散相微粒、織構(gòu)） 強(qiáng)烈阻礙。強(qiáng)烈阻礙。3 3 驅(qū)動(dòng)力：界面能變化。（不是重新形核）驅(qū)動(dòng)力：界面能變化。（不是重新形核）第四節(jié) 晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大二二 晶粒的異常長(zhǎng)大晶粒的異常長(zhǎng)大 釘扎晶界的第二相溶于基體釘扎晶界的第二相溶于基體. .4 4 機(jī)制機(jī)制 再結(jié)晶織構(gòu)中位向一致晶粒的合并再結(jié)晶織構(gòu)中位向一致晶粒的合并. . 大晶粒吞并小晶粒大晶粒吞并小晶粒. . 各向異性各向異性 織構(gòu)明顯織構(gòu)明顯 優(yōu)化磁導(dǎo)率優(yōu)化磁導(dǎo)率 5 對(duì)組織和性能的影響對(duì)組織和性能的影響 晶粒大小不均晶粒大小不均 性能不均性能不均 降低強(qiáng)度和塑韌性降低強(qiáng)度和塑韌性 晶粒粗大晶粒粗大 提高表面粗糙度提高表面粗糙度第四節(jié) 晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大三三 再結(jié)晶退火的組織再結(jié)晶退火的組織1 1 再結(jié)晶圖。退火溫度、變形量與晶粒大小的關(guān)系圖。再結(jié)晶圖。退火溫度、變形量與晶粒大小的關(guān)系圖。2 2 再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu): :再結(jié)晶退火后形成的織構(gòu)。退火可將形變織再結(jié)晶退火后形成的織構(gòu)。退火可將形變織 構(gòu)消除，也可形成新織構(gòu)。構(gòu)消除