第六章回復(fù)、再結(jié)晶與金屬熱加工

1、81注復(fù)再結(jié)胃詁從検大圖4.11回復(fù)再結(jié)晶回復(fù)Utt第八章 回復(fù)、再結(jié)晶與金屬熱加工經(jīng)過(guò)冷變形后的金屬材料吸收了部分變形功，其內(nèi)能增高，結(jié)構(gòu)缺陷增多，處 于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)恢復(fù)原始狀態(tài)的趨勢(shì)。室溫下，原子擴(kuò)散能力底，這種亞 穩(wěn)定狀態(tài)可以一直保持下去，一旦受熱，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，就將發(fā)生組織結(jié)構(gòu)與 性能的變化?；貜?fù)、再結(jié)晶與晶粒長(zhǎng)大是冷變形金屬加熱過(guò)程中經(jīng)歷的基本過(guò)程。1形變金屬及合金在退火過(guò)程中的變化1.1顯微組織變化金屬經(jīng)過(guò)塑性變形，會(huì)發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，而且內(nèi)部產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。為了去除內(nèi)應(yīng)力，或者為了消 除加工硬化現(xiàn)象以便繼續(xù)變形，需要對(duì)冷變形金屬進(jìn)行加熱處理。由于變形金屬內(nèi)部存在嚴(yán)重的

2、晶格畸 變，原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，本身就有向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的傾向。加熱時(shí)，原子的活動(dòng)擴(kuò)散能力提高了，促使其向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并使金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生 變化。這種變化可分為回復(fù)(recovery )、再結(jié)晶(recrystallization )和晶粒長(zhǎng)大( grain growth )這三 個(gè)階段，如圖 4.11所示。1.2儲(chǔ)存能釋放與性能變化冷變形時(shí)，外力所作的功尚有一小部分儲(chǔ)存在形變 金屬內(nèi)部，這部分能量叫儲(chǔ)存能，加熱過(guò)程中，原子活 動(dòng)能力增強(qiáng)，偏離平衡位置大，能量高的原子將向低能 的平衡位置遷移，將儲(chǔ)存能逐步釋放出來(lái)，使內(nèi)應(yīng)力松 馳，純金屬儲(chǔ)存能釋放少，合金儲(chǔ)存能釋放多，儲(chǔ)存能 的釋放使金

3、屬的對(duì)結(jié)構(gòu)敏感的性質(zhì)發(fā)生不同程度的變 化。右圖給岀幾種性能的變化與儲(chǔ)存能的關(guān)系2.回復(fù)回復(fù)是指冷變形金屬在加熱溫度較低時(shí)，金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移, 使晶格畸變逐漸減小，內(nèi)應(yīng)力逐漸降低的過(guò)程。這時(shí)因?yàn)樵踊顒?dòng)能力不大，所以 金屬的晶粒大小和形狀尚無(wú)明顯的變化，因而其強(qiáng)度、硬度和塑性等機(jī)械性能變化 不大，而只會(huì)使內(nèi)應(yīng)力及電阻率等理化性能顯著降低。工業(yè)上，對(duì)冷變形后金屬要 保持其因加工硬化而提高的強(qiáng)度、硬度，又需消除殘余內(nèi)應(yīng)力的，則可在低溫回復(fù) 階段加熱保溫，以基本去除其內(nèi)應(yīng)力，這種熱處理稱為去應(yīng)力退火。例如，用冷拉83鋼絲繞制彈簧，繞成后應(yīng)在280300 C消除應(yīng)力退火使其定形。2.1回復(fù)

4、機(jī)理低溫回復(fù)主要涉及點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)。空位或間隙原子移動(dòng)到晶界或位錯(cuò)處消失， 空位與間隙原子的相遇復(fù)合，空位集結(jié)形成空位對(duì)或空位片，使點(diǎn)缺陷密度大大下 降。中溫回復(fù)時(shí)隨溫度升高原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，位錯(cuò)可以在滑移面上猾移或交 滑移，使異號(hào)位錯(cuò)相通相消，位錯(cuò)密度下降，位錯(cuò)纏結(jié)內(nèi)部重新排列組合，使亞晶 規(guī)整化。高溫回復(fù)，原子活動(dòng)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，位錯(cuò)除滑移外，還可攀移。主要機(jī)制是 多邊化。冷變形使平行的同號(hào)位錯(cuò)在滑移面上塞積，致使晶格彎曲，所增殖的位錯(cuò) 雜亂分布。高溫回復(fù)過(guò)程中，這些刃位錯(cuò)便通過(guò)攀移和滑移，由原來(lái)能量較高的水平塞積。 2.2再結(jié)晶再結(jié)冷變形金屬的加熱溫度高于回復(fù)階段以后，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，由

5、于原子活動(dòng) 能力增大，金屬的顯微組織發(fā)生明顯的變化，由破碎拉長(zhǎng)或壓扁的晶粒變?yōu)榫鶆蚣?xì) 小的等軸晶粒。這一過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)新晶粒重新形核和長(zhǎng)大的過(guò)程，故稱為 晶”再結(jié)晶以后，只是晶粒外形發(fā)生了變化，而晶格類型并未變，仍與原始晶粒相 同。再結(jié)晶的晶核一般是在變形晶粒的晶界或滑移帶及晶格畸變嚴(yán)重的地方形成， 晶核形成后，依靠原子的擴(kuò)散移動(dòng)，向附近周圍長(zhǎng)大，直至各晶核長(zhǎng)大到相互接觸， 形成新的等軸晶粒為止。通過(guò)再結(jié)晶，金屬的顯微組織發(fā)生了徹底的改變，故其強(qiáng) 度和硬度顯著降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象得以消除，變形金屬的 所有機(jī)械和物理性能全部恢復(fù)到冷變形以前的狀態(tài)。因此，再結(jié)晶在工業(yè)上主要用

6、 于金屬在冷變形之后或在變形過(guò)程中，使其硬度降低，塑性升高，以便于進(jìn)一步加 工，這樣的熱處理稱為再結(jié)晶退火。2.3形核機(jī)制(1) 小變形量的弓岀形核機(jī)制當(dāng)形量較小的，由于變形不均勻，相鄰晶粒的位錯(cuò)密度相差可以很大，此時(shí)晶界中 的一小段會(huì)向位錯(cuò)密度高的一側(cè)突然弓出(2) 亞晶合并機(jī)制變形量較大的高層錯(cuò)能金屬再結(jié)晶核心通過(guò)亞晶合并來(lái)產(chǎn)生的。(3) 亞晶蠶食機(jī)制變形量很大的低層錯(cuò)能金屬擴(kuò)展位錯(cuò)寬度大，不易束集，交滑移困難，位錯(cuò)密度很高，在位錯(cuò)密度很大的小區(qū)域，通過(guò)位移的攀移和重新分布，形成位錯(cuò)密度很低的 亞晶，這個(gè)亞晶便向周圍位錯(cuò)密度高的區(qū)域生長(zhǎng)。相應(yīng)的，亞晶界的位錯(cuò)密度逐漸 增大，亞晶與周圍形高基

7、體取向差逐漸變大，最終由小角度晶界演變成大角度晶界， 大角度晶界一旦形成，可突然弓岀，遷移，蠶食途中所遇位錯(cuò)，留下無(wú)畸高晶體， 成為再結(jié)晶核心。2.4再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)對(duì)恒溫再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)人們作過(guò)大量研究。下圖為純鐵經(jīng)98%冷軋，在不同溫度下 等溫再結(jié)晶.已經(jīng)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)xv與等溫時(shí)間t的關(guān)系曲線。具有典型的形核，長(zhǎng)大過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征。等溫溫度越高，孕育期越短，再結(jié)晶速度越快。等溫 的每個(gè)溫度下，再結(jié)晶速度開(kāi)始很小，隨XV的增加而逐漸增大，并在大約50%處達(dá)到最大，然后又逐漸減小。nvs4D»HI 439w-cfl.ifiie« M .1 E «#873.晶粒長(zhǎng)大再結(jié)

8、晶完成以后，若再繼續(xù)升高加熱溫度或過(guò)分地延長(zhǎng)加熱時(shí)間，金屬的晶粒便會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大。因?yàn)橥ㄟ^(guò)晶粒長(zhǎng)大可減少晶界的面積，使表面能降低，所以晶粒長(zhǎng)大是一個(gè)降低能量的自發(fā)過(guò)程。只要溫度足夠高，使原子具有足夠的活動(dòng)能力，晶 粒便會(huì)迅速長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大實(shí)際上是一個(gè)晶界遷移的過(guò)程，即通過(guò)一個(gè)晶粒的邊界 向另一晶粒的遷移，把另一晶粒中的晶格位向逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榕c這個(gè)晶粒相同的晶格位向，于是另一晶粒便逐步地被這一晶粒吞并”合并成一個(gè)大晶粒。如圖4.12所示通常在再結(jié)晶后獲得細(xì)小均勻的等軸晶粒的情況下，晶粒長(zhǎng)大的速度并不很大, 但如果原來(lái)的變形不均勻，經(jīng)過(guò)再結(jié)晶后得到的是大小不均勻的晶粒，那么，由于大小晶粒之間的能量相差懸殊

9、，便很容易發(fā)生大晶粒吞并小晶粒而愈長(zhǎng)愈大的現(xiàn)象， 從而得到異常粗大的晶粒，使金屬的機(jī)械性能顯著降低。為了區(qū)別于通常的晶粒正 常長(zhǎng)大，常把晶粒的這種不均勻急劇長(zhǎng)大的現(xiàn)象稱為“二次再結(jié)晶”。3.1晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力，從整體上看，是晶粒長(zhǎng)大前后總的界面能差。從個(gè)別晶粒長(zhǎng) 大的微觀過(guò)程來(lái)說(shuō)，晶界具有不同的曲率則是造成晶界遷移的直接原因。3.2影響晶粒長(zhǎng)大的因素(1) 溫度溫度越高晶粒長(zhǎng)大速度越快。一定溫度下，晶粒長(zhǎng)到極限尺寸后就不再 長(zhǎng)大，但提高溫度后晶粒將繼續(xù)長(zhǎng)大。(2) 雜質(zhì)與合金元素雜質(zhì)及合金元素滲入基體后能阻礙晶界運(yùn)動(dòng)。第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分布的第二相粒子阻礙晶界的移動(dòng)，可使晶粒長(zhǎng)大受

10、到抑制。晶粒的異常長(zhǎng)大異常晶粒長(zhǎng)大又稱不連續(xù)晶粒長(zhǎng)大或二次再結(jié)晶，是一種特殊的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。發(fā)生異常長(zhǎng)大的條件是，正常晶粒長(zhǎng)大過(guò)程被分散相粒子，織構(gòu)或表面熱蝕溝等強(qiáng) 烈阻礙，能夠長(zhǎng)大的晶粒數(shù)目較少，致使晶粒大小相差懸殊。晶粒尺寸差別越大， 大晶粒吞食小晶粒的條件越有利，大晶粒的長(zhǎng)大速度也會(huì)越來(lái)越快，最后形成晶粒 大小極不均勻的組織。二次再結(jié)晶形成非常粗大的晶粒及非常不均勻的組織，從而降低了材料的強(qiáng)度 與塑性。因此在制定冷變形材料再結(jié)晶退火工藝時(shí)應(yīng)注意避免發(fā)生二次再結(jié)晶。3.3再結(jié)晶溫度和再結(jié)晶晶粒大小的影響因素331再結(jié)晶溫度及其影響因素再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過(guò)程，而是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。工

11、程上規(guī)定，大 變形量(70%以上)的冷變形金屬經(jīng)一小時(shí)保溫，能完成再結(jié)晶(>95%轉(zhuǎn)變量)的最低溫度，稱為該金屬的再結(jié)晶溫度。每種金屬的再結(jié)晶溫度都各不相同，即便是 同一種金屬，其再結(jié)晶溫度也不是固定的，而是受到諸多因素影響：(1)冷變形程度：冷變形程度越大，金屬畸變能越高，向低能量狀態(tài)變化的傾向 也越大，因此再結(jié)晶溫度越低，如圖4.13所示。當(dāng)變形達(dá)到一定程度之后，再結(jié)晶溫度將趨近某一最低極限值，稱為最低再結(jié)晶溫度”。實(shí)驗(yàn)證明，工業(yè)純金屬的熔點(diǎn)與最低再結(jié)晶溫度之間有如下關(guān)系T 再 (0.35 0.40)T熔式中溫度按熱力學(xué)溫度(絕對(duì)溫度)計(jì)。變形量：%：圖4.13金屬的再結(jié)晶溫度與變形

12、量的關(guān)系保溫時(shí)間：加熱時(shí)保溫時(shí)間越長(zhǎng)，原子的擴(kuò)散移動(dòng)越能充分進(jìn)行，再結(jié)晶溫度就 越低。原始晶粒度：原始晶粒越粗大，變形阻力越小，變形后內(nèi)能集聚較少，所以再結(jié)晶溫度較高。(4)金屬純度及成分：金屬中加入的合金元素或所含的雜質(zhì)元素，常會(huì)阻礙原子的擴(kuò) 散與晶界的遷移，推遲再結(jié)晶的進(jìn)行，因此金屬的純度低，可以明顯提高再結(jié)晶溫 度?？紤]到以上各因素的影響，為了縮短退火周期，在工業(yè)上選擇再結(jié)晶退火溫度，一般比最低再結(jié)晶溫度高100200 C。表4.1為幾種工業(yè)上常用的金屬及合金的再結(jié)晶溫度。表4 1兒卅金皿及音僉的再站門(mén)訟度材料H料卑站晶迴度('Ci制(.99.599%)120200320的苗鋁2

13、90(99.999%)£ (99.0%)290探 < 99.99%370謙(99.4%)eoo3.4再結(jié)晶后晶粒大小的因素變形金屬在再結(jié)晶退火后得到的晶粒大小，不僅 影響到金屬的強(qiáng)度和塑性，還影響到金屬的韌性，因 此控制再結(jié)晶后的晶粒大小是非常重要的。影響再結(jié) 晶后晶粒大小的因素主要有以下幾種：(1)退火加熱溫度：再結(jié)晶退火時(shí)加熱溫度越高， 金屬的晶粒尺寸越大，如圖4.14所示。當(dāng)加熱溫度一定時(shí)，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)使晶粒長(zhǎng)大，但其影響不如溫度的影響大。(2)冷變形程度：金屬的冷變形程度是影響再結(jié)晶晶粒大小的另一重要因素圖4.15表明再結(jié)晶后的晶粒大小與冷變形程度的關(guān)系。當(dāng)金屬的冷變形

14、量在2%10%的范圍內(nèi)時(shí)，再結(jié)晶后的晶粒會(huì)異常粗 大。通常把再結(jié)晶時(shí)晶粒異常粗大所對(duì)應(yīng)的冷變形量稱為臨界變形量”。當(dāng)變形量超過(guò)臨界變形量后，隨了獲得優(yōu)良的組織和性能，在制定壓力加工工藝時(shí),著變形量的增加， 再結(jié)晶的晶粒逐漸變細(xì)。因此，為必須避免在臨界變形量附近進(jìn)行冷變形 為了綜合考慮加熱溫度和冷變形程度對(duì)再結(jié)晶晶粒大小的影響，常將三者的關(guān)系繪在一張立體圖中，稱為金屬的再結(jié)晶圖，作為制定 熱加工工藝的參考。如圖4.16所示。400(XXJCi. P m-變刑%圖4.16 純鐵的再結(jié)晶圖3.5金屬的熱加工如前所述，冷塑性變形引起的加工硬化，可以通過(guò)加熱發(fā)生再結(jié)晶來(lái)加以消除。 如果金屬在再結(jié)晶溫度以

15、上進(jìn)行壓力加工，那么塑性變形所引起的加工硬化就可以 立即被再結(jié)晶過(guò)程所消除。在再結(jié)晶溫度以上的加工稱為熱加工，在再結(jié)晶溫度以 下的加工稱為冷加工。在熱加工過(guò)程中，金屬內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行著加工硬化和再結(jié)晶軟化這兩個(gè)相反的過(guò) 程，不過(guò)此時(shí)的再結(jié)晶是在加工的同時(shí)發(fā)生的，稱為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，它與上一章介紹 的冷加工后退火時(shí)發(fā)生的再結(jié)晶是不盡相同的。有時(shí)在熱加工過(guò)程中硬化和軟化這 兩個(gè)因素不能剛好全部抵消。熱加工雖然不致引起加工硬化，但也會(huì)使金屬的組織 和性能發(fā)生很大的變化，如：(1) 通過(guò)熱加工，可以使鑄態(tài)金屬中的氣孔焊合，從而使其致密度得以提高。(2) 通過(guò)熱加工，可以使鑄態(tài)金屬中的粗大枝晶和柱狀晶粒破碎，從而使其晶粒細(xì)化，機(jī)械性能得以提高。(3) 通過(guò)熱加工，可以使鑄態(tài)金屬中的枝晶偏析和非金屬夾雜的分