動態(tài)再結晶及其機制

1、 動態(tài)再結晶及其機制 引言 工程上常將再結晶溫度以上的加工成為“熱加工”，而把再結晶溫度以下而又不加熱的加工稱為“冷加工”。至于“溫加工”則介于二者之間，其變形溫度低于再結晶溫度，卻高于室溫。高溫進行的鍛造，軋制等壓力加工屬熱加工。熱加工過程中，在金屬內部同時進行著加工硬化與回復再結晶軟化兩個相反的過程。 在金屬冷形變后的加熱過程中發(fā)生的，稱為靜態(tài)回復和靜態(tài)再結晶。若提高金屬變形的溫度,使金屬在較高的溫度下形變時，金屬在熱變形的同時也發(fā)生回復和再結晶，這種與金屬熱變形同時發(fā)生的回復和再結晶稱為動態(tài)回復和動態(tài)再結晶。一、動態(tài)再結晶定義在熱加工過程中，塑性變形使金屬產生形變強化的同時發(fā)生的再結晶的

2、現(xiàn)象。這是在通常的熱加工時發(fā)生的過程。在發(fā)生回復和再結晶時，由形變造成的加工硬化與由動態(tài)回復，動態(tài)再結晶造成的軟化同時發(fā)生。 第一階段加工硬化階段：應力隨應變上升很快，金屬出現(xiàn)加工硬化（0<<c）。 第二階段動態(tài)再結晶開始階段：應變達到臨界值c，動態(tài)再結晶開始，其軟化作用隨應變增加而上升的幅度逐漸降低，當>max時，動態(tài)再結晶的軟化作用超過加工硬化，應力隨應變增加而下降（c <s）。 第三階段穩(wěn)定流變階段：隨真應變的增加，加工硬化和動態(tài)再結晶引起的軟化趨于平衡，流變應力趨于恒定。但當以低速率進行時，曲線出現(xiàn)波動，其原因主要是位錯密度變化慢引起。（s） 二、動態(tài)再結晶的應

3、力應變曲線 值得注意的是：溫度為常數(shù)時，隨應變速率增加，動態(tài)再結晶應力應變曲線向上向右移動， 對應的應變增大：而應變速率一定時，溫度升高，曲線會向下向左移動，最大應力對應的應變減小.3、 動態(tài)再結晶的機制3.1概述 在低應變速率下，動態(tài)再結晶通過原晶界的弓出機制形核。與其對應的穩(wěn)定態(tài)階段的曲線呈波浪形變化，這是由于位錯增殖速度小，在發(fā)生動態(tài)再結晶軟化后，繼續(xù)進行再結晶的驅動力減小，再結晶軟化作用減弱，以致不能與新的加工硬化平衡，從而重新發(fā)生硬化，曲線重新上升。等到位錯再度積累到一定程度，使再結晶又占上風時，曲線又重新下降。這種反復變化的過程將不斷進行下去，變化周期大致不變，但振幅逐漸衰減。因此

4、這種情況下，動態(tài)再結品與加工硬化交替進行：使曲線呈波浪式。層錯能偏低的材料如銅及其合金，奧氏體鋼等易出現(xiàn)動態(tài)再結晶。故動態(tài)再結晶是低的層錯能金屬材料熱交形的主要軟化機制。在高應變速率下，則通過亞晶聚集長大方式進行。隨變形量增加位錯密度不斷增高，使動態(tài)再結晶加快，軟化作用逐漸增強，當軟化作用開始大于加工硬化作用時曲線開始下降。當變形造成的硬化與再結晶造成的軟化達到動態(tài)平衡時，曲線進入穩(wěn)定階段。3.2兩種經(jīng)典的動態(tài)再結晶機制 應變誘發(fā)晶界遷移機制(也叫晶界弓出機制) 。應變誘發(fā)晶界遷移機制是大角度晶界兩側存在著位錯密度差的結果。如圖1所示,由于大角度晶界兩側亞晶含有不同的位錯密度,致使兩側亞晶所含

5、的應變儲能不同,在應變儲能差這一驅動力的作用下,大角度晶界會向位錯密度高的一側遷移,繼而形成無應變的再結晶晶粒; 亞晶粗化機制。如圖2 所示,位相差不大的兩相鄰亞晶為了降低表面能而轉動相互合并。在這個過程中,為了形成新的晶界并消除兩亞晶合并后的公共亞晶界,需要兩亞晶小角度晶界上位錯的滑移和攀移來實現(xiàn),亞晶轉動合并后,由于轉動的作用會增大其與相鄰亞晶之間的位向差,就這樣形成大角度晶界,形成了新的再結晶晶粒。3.3 新的動態(tài)再結晶機制的研究及進展 許多學者對高應變速率條件下材料的動態(tài)再結晶機制進行了研究。McQueen等人認為,在應變速率很高的條件下,再結晶核心可以從位向差很大的胞狀組織(或亞組織

6、)直接發(fā)展而來,而不必從預先已經(jīng)存在的大角度晶界中形成,這是與傳統(tǒng)再結晶機制不同的地方,預示著其他動態(tài)再結晶機制的存在。Chen等人認為動態(tài)再結晶的激活能跟應力密切相關,擴散過程不是決定動態(tài)再結晶的唯一因素。然而,傳統(tǒng)動態(tài)再結晶機制實質上是一種擴散控制機制(如圖2) ,再結晶過程的完成都必須依靠空位遷移等擴散過程來實現(xiàn)。這種擴散控制機制太慢,不能在高速動態(tài)變形的過程中形成大角度亞晶界完成再結晶過程,因此,這種大角度的亞晶界可能是通過其他途徑形成的。 后來許多學者認為,大應變速率下晶粒的機械轉動可能是這種再結晶機制的關鍵。由此提出以下機制: 晶粒機械破碎及晶界遷移、亞晶粗化的混合機制。在大變形條

7、件下,晶粒被拉長。如果再受到?jīng)_擊載荷的作用,被拉長的亞晶會逐漸破碎成微小的再結晶核心。這種再結晶核心一旦形成,晶界遷移機制便開始起作用。最后形成穩(wěn)定的再結晶晶粒。圖3 說明了這種再結晶整個過程。這種再結晶模型的缺點是它只是一種粗略的、定性的過程說明,沒有考慮到宏觀大變形速率的影響; 機械輔助亞晶(轉動) 粗化再結晶模型。Flaqtier等人提出了適于低溫、大塑性變形條件的機械輔助亞晶粗化再結晶機制。認為在低溫時,變形是滑移系活化的結果。當材料達到臨界分解剪切應力時,為了使亞晶中的內能最低,在不同的亞晶中,選擇活化的滑移系也不相同。為了使亞晶界上的能量最低,位向差不大的相鄰亞晶會轉動合并,產生亞

8、晶粗化而完成再結晶過程。這種再結晶機制的缺點是未考慮到宏觀大應變速率條件的影響; 漸進式亞晶位向差再結晶( PriSM) 。亞晶的機械轉動及隨后由擴散控制的位錯攀移和湮沒是這種機制的實質。在剪切變形開始階段,在剪切方向上開始形成被拉長的胞狀組織。為了滯留應變,原始晶粒開始破碎成亞結構,而在這些亞晶區(qū)域之間存在著較小的位向差。當變形繼續(xù)進行時,為了進一步滯留應變,這些被拉長的胞狀組織開始變窄、變細,分為更為等軸的胞狀結構,并隨著應變速率或應變的增加,亞晶尺寸也會減小。當亞晶到一定的臨界尺寸時,亞晶尺寸不再減小。到了這一階段,繼續(xù)變形已不能再減小亞晶尺寸,只有靠亞晶的轉動來滯留應變。這樣,在晶粒內

9、部形成了相互間有著較大位向差的等軸化區(qū)域。在亞晶轉動的過程中,由于亞晶墻上存在著大量的位錯,防止了在亞晶轉動時相鄰亞晶間空洞的出現(xiàn)。在變形完成之后的冷卻過程中,位錯通過攀移,亞晶界上的異號位錯相互抵消,形成大角度晶界,再結晶過程完成。整個過程如圖4 所示。在此過程中,應變速率和溫度的影響主要表現(xiàn)在他們對材料的流變應力的影響上;應變速率越高,材料的流變應力越大;而溫度和應變速率的影響恰好相反。四、動態(tài)再結晶與靜態(tài)再結晶相比的特點1 動態(tài)再結晶要達到臨界變形量和在較高的變形溫度下才能發(fā)生；2 與靜態(tài)再結晶相似，動態(tài)再結晶易在晶界及亞晶界形核；3 動態(tài)再結晶轉變?yōu)殪o態(tài)再結晶時無需孕育期；4 動態(tài)再結

10、晶所需的時間隨溫度升高而縮短。 5、 動態(tài)再結晶組織結構 動態(tài)再結晶在應變速率較低時通晶界弓出形核，這是由于晶界局部被纏結位錯構成的亞晶界釘扎，同時弓出段兩側存在著較大的應變能差；在應變速率較高時以亞晶合并長大方式形核，這是由于位錯纏結形成較多的1再結晶后晶粒尺寸21靜態(tài)再結晶2動態(tài)再結晶亞晶粒，使晶界被釘扎點間的距離縮小，可弓出段長度 太小，以致弓出形核難以實現(xiàn)。 其長大是通過新形成的大角度晶界及隨后移動的方式進行。流變應力 特點：反復形核、有限長大，晶粒較細。動態(tài)再結晶的晶粒為等軸晶粒組織，晶粒較為細小，大小不均勻，晶界呈鋸齒狀，等軸的等軸晶內存在被纏結位錯所分割成的亞晶粒，其尺寸取決于應

11、變速率和變形溫度。由于具有較高的位錯密度和位錯纏結存在，這種組織比靜態(tài)再結晶組織具有較高的強度和硬度。 應用：采用低的變形終止溫度、大的最終變形量、快的冷卻速度可獲得細小晶粒。 6、 動態(tài)再結晶模型的建立過程6.1臨界應變模型 當應變量達到發(fā)生動態(tài)再結晶的臨界應變時,動態(tài)再結晶才能發(fā)生。因此,對整個動態(tài)再結晶模型來說,臨界應變模型的確定至關重要,建立臨界應變模型關鍵是峰值應變模型的確定。因此,峰值應變模型是應變速率和溫度的函數(shù),隨著變形溫度的升高,應變速率的降低,應力也隨之下降。峰值應變隨著溫度的降低應變速率的升高而顯著增加,臨界應變數(shù)學模型采用如下公式: 式中,c 為動態(tài)再結晶發(fā)生的臨界應變

12、;p 為峰值應變; Q1 為材料熱變形激活能; Û 為應變速率, R 為氣體常數(shù); T為絕對溫度; a1、a2、m1 為材料常數(shù)(由實驗確定) 。6.2動態(tài)再結晶體積分數(shù)模型 為避免傳統(tǒng)觀測金相試樣組織時人為因素的干擾,本文按下式確定動態(tài)再結晶量: 式中, Xd rex 動態(tài)再結晶體積分數(shù);wh 加工硬化- 動態(tài)回復階段的應力;s 加工硬化- 動態(tài)回復達到平衡時的飽和應力;ss 加工硬化- 動態(tài)再結晶達到平衡時的穩(wěn)態(tài)應力;加工硬化- 動態(tài)再結晶階段的應力。6.3動態(tài)再結晶晶粒模型 為建立動態(tài)再結晶晶粒模型,分別取不同的變形溫度、應變速率、應變量進行壓縮,變形后立即淬火制成金相試樣,測定動態(tài)再結晶終了的晶粒尺寸。在穩(wěn)定變形階段,獨立于原始晶粒尺寸d0 的動態(tài)再結晶晶粒尺寸可描述為: 式中, dd rex為動態(tài)再結晶晶粒尺寸; Q4 為激活能;Û 為應變速率,為應變, h4、m4、a4 為材料常數(shù), 由實驗數(shù)據(jù)回歸得到。7、 未來的發(fā)展趨勢 金屬成形過程中的動態(tài)再結晶是一種重要的冶金現(xiàn)象,它在很大程度上決定了最終的微觀組織和力學性能,因此,動態(tài)再結晶的研究應朝以下幾點發(fā)展。 加強