材料科學(xué)課件：第八章 材料的變形與斷裂（三）

1、 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-151第八章第八章 材料的變形與斷裂（三）材料的變形與斷裂（三） 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶概論冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶概論冷變形金屬冷變形金屬, ,內(nèi)能高內(nèi)能高, ,亞穩(wěn)狀態(tài)亞穩(wěn)狀態(tài)室溫下室溫下: :原子難以擴(kuò)散原子難以擴(kuò)散, ,形變組織保持形變組織保持, ,保持加工硬化保持加工硬化、殘余內(nèi)應(yīng)力等。、殘余內(nèi)應(yīng)力等。加熱加熱: :原子擴(kuò)散增強(qiáng)原子擴(kuò)散增強(qiáng), ,亞穩(wěn)亞穩(wěn)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài). .冷變形金屬加熱冷變形金屬加熱: :相繼發(fā)生相繼發(fā)

2、生回復(fù)回復(fù), ,再結(jié)晶再結(jié)晶, ,晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大. .加熱后性能變化加熱后性能變化：消除加工硬化，強(qiáng)度、硬度降低消除加工硬化，強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌性提高，塑性、韌性提高1.冷變形金屬特點(diǎn)：冷變形金屬特點(diǎn)： 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2.2.形變金屬及合金在退火過程中的變化形變金屬及合金在退火過程中的變化冷變形金屬冷變形金屬: :隨加熱隨加熱T,T,或加熱到或加熱到T0.5TT0.5T熔熔后保溫后保溫, ,組織變化如圖組織變化如圖: : 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 * *形變金屬及合金在退火過

3、程中的變化形變金屬及合金在退火過程中的變化( (顯微組織的變化顯微組織的變化) )再結(jié)晶后組織恢復(fù)到變形前的程度，性能也恢復(fù)到變形前的程度再結(jié)晶后組織恢復(fù)到變形前的程度，性能也恢復(fù)到變形前的程度晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大: :新晶粒逐漸相互合并長(zhǎng)大新晶粒逐漸相互合并長(zhǎng)大. . 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 ( (儲(chǔ)存能與內(nèi)應(yīng)力變化儲(chǔ)存能與內(nèi)應(yīng)力變化) )隨隨T,T,儲(chǔ)存能逐漸釋放儲(chǔ)存能逐漸釋放. .再結(jié)晶后再結(jié)晶后, ,形變儲(chǔ)存能全部釋放形變儲(chǔ)存能全部釋放. .再結(jié)晶再結(jié)晶: :內(nèi)應(yīng)力全部消除內(nèi)應(yīng)力全部消除. .* *形變金屬及合金在退火過程中的變化形變金屬

4、及合金在退火過程中的變化按照德國學(xué)者馬赫勞赫提出的分類方法，內(nèi)按照德國學(xué)者馬赫勞赫提出的分類方法，內(nèi)應(yīng)力分為三類：應(yīng)力分為三類： 第第類內(nèi)應(yīng)力是存在于材料的較大區(qū)域類內(nèi)應(yīng)力是存在于材料的較大區(qū)域（很多晶粒）內(nèi)，并在整個(gè)物體各個(gè)截面保（很多晶粒）內(nèi)，并在整個(gè)物體各個(gè)截面保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)一個(gè)物體的第持平衡的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)一個(gè)物體的第類內(nèi)應(yīng)類內(nèi)應(yīng)力平衡和內(nèi)力矩平衡被破壞時(shí)，物體會(huì)產(chǎn)生力平衡和內(nèi)力矩平衡被破壞時(shí)，物體會(huì)產(chǎn)生宏觀的尺寸變化。宏觀的尺寸變化。 第第類內(nèi)應(yīng)力是存在于較小范圍（一個(gè)類內(nèi)應(yīng)力是存在于較小范圍（一個(gè)晶?；蚓Я?nèi)部的區(qū)域）的內(nèi)應(yīng)力。晶粒或晶粒內(nèi)部的區(qū)域）的內(nèi)應(yīng)力。 第第III類內(nèi)應(yīng)力

5、是存在于極小范圍（幾個(gè)類內(nèi)應(yīng)力是存在于極小范圍（幾個(gè)原子間距）的內(nèi)應(yīng)力。原子間距）的內(nèi)應(yīng)力。 在工程上通常所說的殘余應(yīng)力就是第在工程上通常所說的殘余應(yīng)力就是第類內(nèi)應(yīng)力類內(nèi)應(yīng)力。到目前為止，第。到目前為止，第類內(nèi)應(yīng)力的測(cè)類內(nèi)應(yīng)力的測(cè)量技術(shù)最為完善，它們對(duì)材料性能和構(gòu)件質(zhì)量技術(shù)最為完善，它們對(duì)材料性能和構(gòu)件質(zhì)量的影響也研究得最為透徹。量的影響也研究得最為透徹。 除了這樣的分類方法以外，工程界也習(xí)除了這樣的分類方法以外，工程界也習(xí)慣于按產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝過程來歸類和命慣于按產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝過程來歸類和命名，例如鑄造應(yīng)力、焊接應(yīng)力、熱處理應(yīng)力、名，例如鑄造應(yīng)力、焊接應(yīng)力、熱處理應(yīng)力、磨削應(yīng)力、噴丸應(yīng)

6、力等等，而且一般指的都磨削應(yīng)力、噴丸應(yīng)力等等，而且一般指的都是第是第類內(nèi)應(yīng)力。類內(nèi)應(yīng)力。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 ( (性能變化性能變化) )晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大: :力學(xué)性能降低力學(xué)性能降低. .* *形變金屬及合金在退火過程中的變化形變金屬及合金在退火過程中的變化 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 7冷變形金屬在加熱時(shí)先后經(jīng)歷了冷變形金屬在加熱時(shí)先后經(jīng)歷了回復(fù)回復(fù)、再結(jié)晶再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段三個(gè)階段在再結(jié)晶階段在再結(jié)晶階段從組織上看是以產(chǎn)生無畸變的新晶核，然后在變形金屬基體內(nèi)長(zhǎng)大，形從組織

7、上看是以產(chǎn)生無畸變的新晶核，然后在變形金屬基體內(nèi)長(zhǎng)大，形成大角度晶界的新晶粒為標(biāo)志的；成大角度晶界的新晶粒為標(biāo)志的；從性能上看是以力學(xué)性能（如強(qiáng)度、硬度）和物理性能（如電阻、儲(chǔ)存從性能上看是以力學(xué)性能（如強(qiáng)度、硬度）和物理性能（如電阻、儲(chǔ)存變形能的釋放）產(chǎn)生急劇的變化為標(biāo)志的變形能的釋放）產(chǎn)生急劇的變化為標(biāo)志的在再結(jié)晶過程在再結(jié)晶過程未進(jìn)行之前未進(jìn)行之前，一個(gè)相當(dāng)寬的溫度范圍都屬于回復(fù)階段，一個(gè)相當(dāng)寬的溫度范圍都屬于回復(fù)階段十、十、 冷變形金屬的回復(fù)階段冷變形金屬的回復(fù)階段冷變形金屬在內(nèi)部?jī)?chǔ)存了較高的彈性畸變能，有高的位錯(cuò)密度（退火態(tài)金冷變形金屬在內(nèi)部?jī)?chǔ)存了較高的彈性畸變能，有高的位錯(cuò)密度（退

8、火態(tài)金屬的位錯(cuò)密度約為屬的位錯(cuò)密度約為108/cm2，強(qiáng)烈冷變形后可達(dá)，強(qiáng)烈冷變形后可達(dá)1012/cm2），且位錯(cuò)纏結(jié)成），且位錯(cuò)纏結(jié)成胞不規(guī)則分布，也伴有大量的空位胞不規(guī)則分布，也伴有大量的空位彈性畸變能的減小彈性畸變能的減小是回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，而晶粒長(zhǎng)大則是力圖使界面是回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，而晶粒長(zhǎng)大則是力圖使界面能減小的結(jié)果。能減小的結(jié)果。概念概念:冷變形金屬在加熱溫度不高時(shí)冷變形金屬在加熱溫度不高時(shí),僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)遷移而引僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)遷移而引起亞結(jié)構(gòu)和某些性能變化起亞結(jié)構(gòu)和某些性能變化.晶粒外形無明顯變化晶粒外形無明顯變化. 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)

9、第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 81 1、回復(fù)階段性能與組織的變化、回復(fù)階段性能與組織的變化在回復(fù)階段，可觀察到以下現(xiàn)象：在回復(fù)階段，可觀察到以下現(xiàn)象：（1 1）宏觀內(nèi)應(yīng)力經(jīng)過低溫加熱（一般在）宏觀內(nèi)應(yīng)力經(jīng)過低溫加熱（一般在200200250250）后，大部分去除，而）后，大部分去除，而微觀應(yīng)力仍然殘存；微觀應(yīng)力仍然殘存；（2 2）電阻率電阻率 / / 降低降低。CuCu、AgAg、AlAl線材預(yù)先在線材預(yù)先在90K90K下變形，在室溫下變形，在室溫（293K293K）下導(dǎo)電性能可逐漸恢復(fù)，相對(duì)原始變形態(tài)來說，電阻率下降）下導(dǎo)電性能可逐漸恢復(fù)，相對(duì)原始變形態(tài)來說，電阻率下降3

10、030，而與此同時(shí)硬度和流變應(yīng)力卻覺察不出有什么變化；而與此同時(shí)硬度和流變應(yīng)力卻覺察不出有什么變化；（3 3）硬度和流變應(yīng)力的變化隨金屬不同而異）硬度和流變應(yīng)力的變化隨金屬不同而異 密排六方金屬密排六方金屬ZnZn、CdCd在室溫下就可絕大部分地去除冷變形產(chǎn)生的加工硬在室溫下就可絕大部分地去除冷變形產(chǎn)生的加工硬化；化； CuCu、 黃銅直到加熱至黃銅直到加熱至350350，其硬度沒有明顯變化；，其硬度沒有明顯變化； FeFe在在350350以上就看到部分加工硬化的去除。以上就看到部分加工硬化的去除。（4）顯微組織至少在光學(xué)顯微鏡下）顯微組織至少在光學(xué)顯微鏡下看不出任何變化，看不出任何變化，在高

11、溫回復(fù)時(shí)，在在高溫回復(fù)時(shí)，在電鏡下看到晶粒內(nèi)的胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚щ婄R下看到晶粒內(nèi)的胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚?材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 9在回復(fù)階段，對(duì)那些能察覺到有部分加工硬化去除的金屬，可研究溫度與時(shí)在回復(fù)階段，對(duì)那些能察覺到有部分加工硬化去除的金屬，可研究溫度與時(shí)間對(duì)硬化去除的影響間對(duì)硬化去除的影響如如Fe在在0經(jīng)過經(jīng)過5預(yù)變形，然后在不同溫度下每隔一定時(shí)間測(cè)量其殘留應(yīng)變預(yù)變形，然后在不同溫度下每隔一定時(shí)間測(cè)量其殘留應(yīng)變硬化（見右圖），其中硬化（見右圖），其中1R為殘留應(yīng)變硬化分?jǐn)?shù)，為殘留應(yīng)變硬化分?jǐn)?shù)，R為回復(fù)部分為回復(fù)部分有：有：1R

12、0 m 式中式中 為回復(fù)退火后的流變應(yīng)力；為回復(fù)退火后的流變應(yīng)力； 0為完全退火后加工硬化能全部消除的流變應(yīng)力；為完全退火后加工硬化能全部消除的流變應(yīng)力； m為退火前即冷變形態(tài)的流變應(yīng)力為退火前即冷變形態(tài)的流變應(yīng)力。2、回復(fù)動(dòng)力學(xué)、回復(fù)動(dòng)力學(xué)圖中顯示，回復(fù)起始階段硬化去除程度較快，然后逐漸減圖中顯示，回復(fù)起始階段硬化去除程度較快，然后逐漸減慢；慢；預(yù)形變量越大，起始的回復(fù)速率也越大預(yù)形變量越大，起始的回復(fù)速率也越大減小晶粒尺寸也會(huì)使回復(fù)加快減小晶粒尺寸也會(huì)使回復(fù)加快在每一恒定溫度下，回復(fù)的時(shí)間關(guān)系為：在每一恒定溫度下，回復(fù)的時(shí)間關(guān)系為：1Rbalnt材料在一定變材料在一定變形溫度、應(yīng)變和形溫度

13、、應(yīng)變和應(yīng)變速率下的屈應(yīng)變速率下的屈服極限稱為其流服極限稱為其流變應(yīng)力。變應(yīng)力。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 10但但1R 按照一般的反應(yīng)速率公式，可寫成：按照一般的反應(yīng)速率公式，可寫成： 1RAeQ/RT，式中的，式中的Q為激活為激活能，對(duì)不同的反應(yīng)過程能，對(duì)不同的反應(yīng)過程Q有其特定的涵義有其特定的涵義在不同溫度下，如以回復(fù)到相同程度作比較，即在固定在不同溫度下，如以回復(fù)到相同程度作比較，即在固定1R情況下，各回復(fù)時(shí)情況下，各回復(fù)時(shí)間自然不同，合并以上兩式，可得：間自然不同，合并以上兩式，可得：lnt常數(shù)常數(shù)+RQT1若以若以lnt 對(duì)對(duì)1/

14、T 作圖為一直線，則從其斜率可求出激活能作圖為一直線，則從其斜率可求出激活能Q，回復(fù)程度不同，有不同的激活能回復(fù)程度不同，有不同的激活能例如例如: R0.1，Q100kJ/ mol； R0.6，Q200kJ/ mol實(shí)際上，冷變形程度、回復(fù)程度、回復(fù)溫度、雜質(zhì)原子及金屬的種類等實(shí)際上，冷變形程度、回復(fù)程度、回復(fù)溫度、雜質(zhì)原子及金屬的種類等許多因素都會(huì)影響回復(fù)的物理過程。許多因素都會(huì)影響回復(fù)的物理過程。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 113、 回復(fù)機(jī)制回復(fù)機(jī)制回復(fù)過程中金屬內(nèi)部發(fā)生的變化：回復(fù)過程中金屬內(nèi)部發(fā)生的變化：（2）溫度較高時(shí)）溫度較高時(shí) 會(huì)

15、發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和重新分布?；泼嫔衔诲e(cuò)相遇時(shí)，異號(hào)位錯(cuò)會(huì)消失；會(huì)發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和重新分布?；泼嫔衔诲e(cuò)相遇時(shí)，異號(hào)位錯(cuò)會(huì)消失；如兩個(gè)刃型位錯(cuò)會(huì)形成空位或間隙原子，位錯(cuò)密度也略有降低。如兩個(gè)刃型位錯(cuò)會(huì)形成空位或間隙原子，位錯(cuò)密度也略有降低。（1）低溫時(shí)）低溫時(shí) 回復(fù)主要與點(diǎn)缺陷的遷移有關(guān)。原因主要是：點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)所需要熱激回復(fù)主要與點(diǎn)缺陷的遷移有關(guān)。原因主要是：點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)所需要熱激活能較低，因而可以在室溫或活能較低，因而可以在室溫或0oC以下進(jìn)行。此階段，單個(gè)點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)到界以下進(jìn)行。此階段，單個(gè)點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)到界面面 處消失，單個(gè)空位可結(jié)合成空位對(duì)。處消失，單個(gè)空位可結(jié)合成空位對(duì)。機(jī)理機(jī)理位錯(cuò)多邊化位錯(cuò)多

16、邊化:冷變形金屬冷變形金屬在回復(fù)退火過程中在回復(fù)退火過程中,通過位錯(cuò)的通過位錯(cuò)的滑移和攀移滑移和攀移,使同號(hào)韌型位錯(cuò)垂使同號(hào)韌型位錯(cuò)垂直于滑移面方向直于滑移面方向,排列形成小角排列形成小角度晶界度晶界,這一過程稱為多邊化這一過程稱為多邊化. 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 12（3）在高溫回復(fù)（）在高溫回復(fù)（ 0.3Tm） 刃型位錯(cuò)可獲得足夠的能量產(chǎn)生攀移，其產(chǎn)生兩個(gè)重要的后果：刃型位錯(cuò)可獲得足夠的能量產(chǎn)生攀移，其產(chǎn)生兩個(gè)重要的后果：使滑移面上不規(guī)則的位錯(cuò)重新分布，刃型位錯(cuò)垂直排列成墻，其可顯著降低位使滑移面上不規(guī)則的位錯(cuò)重新分布，刃型位錯(cuò)垂直排列成

17、墻，其可顯著降低位錯(cuò)的彈性畸變能，對(duì)應(yīng)于此溫度范圍內(nèi)，有較大的應(yīng)變能釋放；錯(cuò)的彈性畸變能，對(duì)應(yīng)于此溫度范圍內(nèi)，有較大的應(yīng)變能釋放； 在晶粒內(nèi)部被這種位錯(cuò)墻分割成許多小的完善的晶體，這些小晶體稱為在晶粒內(nèi)部被這種位錯(cuò)墻分割成許多小的完善的晶體，這些小晶體稱為亞晶亞晶 亞晶之間為小角度界面，它并不是一個(gè)純傾側(cè)亞晶界亞晶之間為小角度界面，它并不是一個(gè)純傾側(cè)亞晶界位錯(cuò)的攀移總是與吸收或放出大量空位有關(guān)，而晶體內(nèi)原子（置換式）的擴(kuò)散位錯(cuò)的攀移總是與吸收或放出大量空位有關(guān)，而晶體內(nèi)原子（置換式）的擴(kuò)散是通過空位機(jī)制進(jìn)行的。原子自擴(kuò)散（對(duì)純金屬）的激活能空位形成能是通過空位機(jī)制進(jìn)行的。原子自擴(kuò)散（對(duì)純金屬）

18、的激活能空位形成能空位遷移能空位遷移能 即位錯(cuò)的攀移和擴(kuò)散過程，在溫度較高時(shí)，兩者是不可分割的，且互為因果即位錯(cuò)的攀移和擴(kuò)散過程，在溫度較高時(shí)，兩者是不可分割的，且互為因果（4）位錯(cuò)反應(yīng)形成亞晶）位錯(cuò)反應(yīng)形成亞晶 亞晶除了可通過位錯(cuò)攀移直接形成外，還可通過位錯(cuò)在重新分布后，相互作用發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)而形成。例如冷變形鐵在高溫回復(fù)時(shí)，有兩組11112位錯(cuò)位錯(cuò)反應(yīng)生成反應(yīng)生成 100位錯(cuò)，即位錯(cuò)，即10012- -11111112 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1513十一、冷變形金屬的再結(jié)晶十一、冷變形金屬的再結(jié)晶 在加熱溫度更高時(shí)發(fā)生再結(jié)晶

19、，而在此之前變形金屬的力學(xué)性能和物在加熱溫度更高時(shí)發(fā)生再結(jié)晶，而在此之前變形金屬的力學(xué)性能和物 理性能都是逐漸變化的，但只要加熱到理性能都是逐漸變化的，但只要加熱到某一確定值某一確定值（或者說是一個(gè)很窄（或者說是一個(gè)很窄 的溫度范圍），就可看到力學(xué)性能和物理性能急劇變化，加工硬化可以的溫度范圍），就可看到力學(xué)性能和物理性能急劇變化，加工硬化可以 完全消除，完全消除，性能可恢復(fù)到未變形前的退火狀態(tài)性能可恢復(fù)到未變形前的退火狀態(tài)。 顯微組織也發(fā)生明顯變化，由拉長(zhǎng)的變形晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒顯微組織也發(fā)生明顯變化，由拉長(zhǎng)的變形晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒再結(jié)晶現(xiàn)象再結(jié)晶現(xiàn)象 再結(jié)晶的實(shí)際意義再結(jié)晶的實(shí)際意義冷

20、變形而產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化，導(dǎo)致加工工藝（如拉拔線冷變形而產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化，導(dǎo)致加工工藝（如拉拔線材）不能繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，中間必須進(jìn)行再結(jié)晶退火材）不能繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，中間必須進(jìn)行再結(jié)晶退火 同時(shí)也是改變金屬組織結(jié)構(gòu)與性能的一種方法，特別是對(duì)同時(shí)也是改變金屬組織結(jié)構(gòu)與性能的一種方法，特別是對(duì) 那些在固態(tài)下沒有相變的金屬材料，在適當(dāng)?shù)膱?chǎng)合下可以應(yīng)用。那些在固態(tài)下沒有相變的金屬材料，在適當(dāng)?shù)膱?chǎng)合下可以應(yīng)用。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1514概念概念:冷變形金屬加熱到一定溫度后冷變形金屬加熱到一定溫度后(T0.4T熔熔),在原來變形組在原來變

21、形組織中重新產(chǎn)生了無畸變的新晶?？椫兄匦庐a(chǎn)生了無畸變的新晶粒,性能恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)（冷性能恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)（冷變形前的狀態(tài)）變形前的狀態(tài)）,這一過程稱為這一過程稱為再結(jié)晶再結(jié)晶.再結(jié)晶是一個(gè)先再結(jié)晶是一個(gè)先產(chǎn)生無畸變的晶核產(chǎn)生無畸變的晶核，然后再在變形的金屬基體中長(zhǎng)大的過，然后再在變形的金屬基體中長(zhǎng)大的過程，但是再結(jié)晶轉(zhuǎn)變沒有程，但是再結(jié)晶轉(zhuǎn)變沒有晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的改變。（的改變。（本質(zhì)上再結(jié)晶不本質(zhì)上再結(jié)晶不屬于相變）屬于相變）在畸變的晶體中形成無畸變的晶在畸變的晶體中形成無畸變的晶核，晶核不斷的長(zhǎng)大，再結(jié)晶完核，晶核不斷的長(zhǎng)大，再結(jié)晶完成后，獲得等軸晶粒。成后，獲得

22、等軸晶粒。再結(jié)晶是形核和晶核長(zhǎng)大的過程再結(jié)晶是形核和晶核長(zhǎng)大的過程 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-15151、 再結(jié)晶的形核再結(jié)晶的形核 再結(jié)晶的轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力是晶體的再結(jié)晶的轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力是晶體的彈性畸變能彈性畸變能，從而晶核必然，從而晶核必然是產(chǎn)生在是產(chǎn)生在高畸變區(qū)域高畸變區(qū)域, 若晶核本身無畸變，且畸變能的降低足若晶核本身無畸變，且畸變能的降低足以彌補(bǔ)新晶核形成時(shí)所增加的界面能，這使系統(tǒng)的能量降低，以彌補(bǔ)新晶核形成時(shí)所增加的界面能，這使系統(tǒng)的能量降低，晶核就會(huì)進(jìn)一步增大。晶核就會(huì)進(jìn)一步增大。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材

23、料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1516再結(jié)晶核心實(shí)際上是再結(jié)晶核心實(shí)際上是“現(xiàn)成的現(xiàn)成的”，它已存在，它已存在畸變能較大的區(qū)域，不需要原子逐個(gè)積累到超畸變能較大的區(qū)域，不需要原子逐個(gè)積累到超過某一臨界尺寸。過某一臨界尺寸。實(shí)際觀察到的再結(jié)晶核心首先產(chǎn)生在實(shí)際觀察到的再結(jié)晶核心首先產(chǎn)生在大角度大角度界面界面上，如晶界、相界面、孿晶或滑移帶界面上，如晶界、相界面、孿晶或滑移帶界面上，也可能產(chǎn)生在晶粒內(nèi)某些特定的位向差上，也可能產(chǎn)生在晶粒內(nèi)某些特定的位向差較較大的亞晶大的亞晶上（右圖）上（右圖）對(duì)于再結(jié)晶核心產(chǎn)生在大角度的晶界上，照對(duì)于再結(jié)晶核心產(chǎn)生在大角度的晶界上，照Beck所提出

24、的模型，也是變形的兩個(gè)相鄰晶粒所提出的模型，也是變形的兩個(gè)相鄰晶粒內(nèi)，其位錯(cuò)胞的尺寸相差懸殊（內(nèi)，其位錯(cuò)胞的尺寸相差懸殊（圖圖838），），晶核產(chǎn)生于晶核產(chǎn)生于位錯(cuò)胞尺寸大位錯(cuò)胞尺寸大的晶粒一側(cè)，長(zhǎng)入到的晶粒一側(cè)，長(zhǎng)入到有有小位錯(cuò)胞小位錯(cuò)胞晶粒內(nèi)，即伸向晶粒內(nèi)，即伸向畸變能較高畸變能較高的區(qū)域的區(qū)域以減小畸變能以減小畸變能. 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大1.形核機(jī)制形核機(jī)制(1)晶界弓出晶界弓出小變形量小變形量時(shí)時(shí),各晶粒各晶粒形變形核形變形核不均勻不均勻,變形小的晶粒向變形度大的亞晶粒一側(cè)弓出變形小的晶粒向變

25、形度大的亞晶粒一側(cè)弓出形成無形成無畸變晶核畸變晶核(2)亞晶合并亞晶合并變形大時(shí)變形大時(shí):多邊形化的亞晶合并為再結(jié)晶晶核多邊形化的亞晶合并為再結(jié)晶晶核.(3)亞晶蠶食亞晶蠶食變形大時(shí)，低密度位錯(cuò)的亞晶蠶食途變形大時(shí)，低密度位錯(cuò)的亞晶蠶食途中遇到的位錯(cuò)。中遇到的位錯(cuò)。2.長(zhǎng)大長(zhǎng)大再結(jié)晶晶核形成后再結(jié)晶晶核形成后,自發(fā)長(zhǎng)大自發(fā)長(zhǎng)大,形成無畸變的新等軸形成無畸變的新等軸晶粒晶粒. 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-15182、 再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué) 在一定變形量下，將變形金屬在不同溫度下退火，測(cè)定發(fā)生再結(jié)晶在一定變形量下，將變形金屬在不同溫

26、度下退火，測(cè)定發(fā)生再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化；的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化； 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1519下圖表明再結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)與回復(fù)不同下圖表明再結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)與回復(fù)不同: :(1)(1)在每一固定溫度下，轉(zhuǎn)變曲線形成如在每一固定溫度下，轉(zhuǎn)變曲線形成如S S，發(fā)生再結(jié)晶需要一孕育期，退火溫度越高，發(fā)生再結(jié)晶需要一孕育期，退火溫度越高，孕育期越短孕育期越短(2) (2) 開始再結(jié)晶時(shí)，轉(zhuǎn)變速率很低，隨著開始再結(jié)晶時(shí)，轉(zhuǎn)變速率很低，隨著轉(zhuǎn)變量增加，轉(zhuǎn)變速率逐漸增大，到轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變量增加，轉(zhuǎn)變速率逐漸增大，到轉(zhuǎn)變量為量為5050時(shí)，速率最

27、快（中間范圍是一直時(shí)，速率最快（中間范圍是一直線）轉(zhuǎn)變量再增加，速率又減慢。線）轉(zhuǎn)變量再增加，速率又減慢。(3) 退火溫度越高，轉(zhuǎn)變曲線漸向左退火溫度越高，轉(zhuǎn)變曲線漸向左移移, 即轉(zhuǎn)變加速即轉(zhuǎn)變加速;(4) 如在恒定溫度下，變形量不同，如在恒定溫度下，變形量不同，也會(huì)有不同的再結(jié)晶速率（也會(huì)有不同的再結(jié)晶速率（圖圖840）變形量越大，再結(jié)晶速率越大變形量越大，再結(jié)晶速率越大返回返回 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1520當(dāng)再結(jié)晶是三維的，當(dāng)再結(jié)晶是三維的，K在在34之間；再結(jié)晶是二維的（如薄板），之間；再結(jié)晶是二維的（如薄板），K在在

28、23之間；再結(jié)晶是一維的（如線材），之間；再結(jié)晶是一維的（如線材），K在在12之間之間如對(duì)前式取對(duì)數(shù)，則有：如對(duì)前式取對(duì)數(shù)，則有：lgln 1x1=Klgt lgBlgln 1x1作作lgt圖圖，得直線的斜率得直線的斜率 K，在一定溫度范圍，在一定溫度范圍內(nèi)內(nèi) K 值幾乎不隨溫度而變值幾乎不隨溫度而變阿弗拉米提出的再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程阿弗拉米提出的再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程 1exp(Bt K) 式中，式中， 在在t時(shí)間已經(jīng)再結(jié)晶的時(shí)間已經(jīng)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù), B和和K為常數(shù)為常數(shù) 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1521 再結(jié)晶速率再結(jié)晶速率

29、V再溫度再溫度T的關(guān)系符合阿羅尼烏斯的關(guān)系符合阿羅尼烏斯(Arrhenius）公式:V再 = Aexp(-Q/RT). 式中 Q 再結(jié)晶激活能；R 氣體常數(shù) 再結(jié)晶速率與產(chǎn)生某一體積分?jǐn)?shù)的再結(jié)晶所需要的時(shí)間成反比，即再結(jié)晶速率與產(chǎn)生某一體積分?jǐn)?shù)的再結(jié)晶所需要的時(shí)間成反比，即故故在兩個(gè)不同溫度在兩個(gè)不同溫度T1、T2進(jìn)行等溫退火，若要產(chǎn)生同樣程度的再結(jié)進(jìn)行等溫退火，若要產(chǎn)生同樣程度的再結(jié)晶所需的時(shí)間分別為晶所需的時(shí)間分別為t1、t2，則，則 此式在生產(chǎn)上此式在生產(chǎn)上極為有用。極為有用。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-15223 、影響再

30、結(jié)晶的因素、影響再結(jié)晶的因素臨界變形度：臨界變形度：在在給定溫度給定溫度下發(fā)生再結(jié)晶需要一個(gè)最小變形量，下發(fā)生再結(jié)晶需要一個(gè)最小變形量，即通常為即通常為臨界變形度臨界變形度，低于此變形度，不能再結(jié)晶；，低于此變形度，不能再結(jié)晶；退火溫度：退火溫度：變形度越小，開始再結(jié)晶的溫度越高，這也意變形度越小，開始再結(jié)晶的溫度越高，這也意味著臨界變形度隨退火溫度的升高而減??；味著臨界變形度隨退火溫度的升高而減??； 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1523再結(jié)晶后晶粒大小主要決定于再結(jié)晶后晶粒大小主要決定于變形程度變形程度，變形量越大變形量越大，再結(jié)

31、晶后，再結(jié)晶后的晶粒越小的晶粒越小 而溫度的影響，對(duì)剛完成再結(jié)晶來說，其影響很弱，隨溫度升高，而溫度的影響，對(duì)剛完成再結(jié)晶來說，其影響很弱，隨溫度升高，同時(shí)增加同時(shí)增加 了形核率和生長(zhǎng)速率，其比值沒有變化，因而晶粒大小的了形核率和生長(zhǎng)速率，其比值沒有變化，因而晶粒大小的變化也很小變化也很小溫度只是加速了再結(jié)晶過程，溫度只是加速了再結(jié)晶過程，若若再結(jié)晶過程已完成再結(jié)晶過程已完成，隨后還有一，隨后還有一個(gè)晶粒長(zhǎng)大階段，很明顯溫度越個(gè)晶粒長(zhǎng)大階段，很明顯溫度越高晶粒越粗大高晶粒越粗大(見右圖見右圖) 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1524微

32、量雜質(zhì)元素就可明顯的微量雜質(zhì)元素就可明顯的升高升高再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度或或推遲再結(jié)晶過程推遲再結(jié)晶過程的的進(jìn)行進(jìn)行微量元素是如何影響再結(jié)晶的，微量元素是如何影響再結(jié)晶的，是影響再結(jié)晶的形核，還是阻止是影響再結(jié)晶的形核，還是阻止其長(zhǎng)大，或者是兩者兼而有之？其長(zhǎng)大，或者是兩者兼而有之？在區(qū)域精煉的鉛中加入極微量的在區(qū)域精煉的鉛中加入極微量的Sn、Ag、和、和Au，發(fā)現(xiàn)在，發(fā)現(xiàn)在106個(gè)原個(gè)原子中只要有子中只要有1個(gè)個(gè)Au或或Ag原子界面原子界面遷移的速度就可降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)遷移的速度就可降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)（圖圖842），而生長(zhǎng)的激活能），而生長(zhǎng)的激活能從純鉛時(shí)的從純鉛時(shí)的20.9kJ/ mol增大到增大

33、到126kJ/ mol。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1525第二相的影響：定性地說，第二相的影響：定性地說， 第二相尺寸較大第二相尺寸較大（1 m），間距較寬時(shí)，再結(jié)晶核心能在其），間距較寬時(shí)，再結(jié)晶核心能在其表面產(chǎn)生表面產(chǎn)生 在鋼中?？煽吹皆俳Y(jié)晶核心在夾雜物在鋼中常可看到再結(jié)晶核心在夾雜物MnO或第二相粒狀或第二相粒狀Fe3C表面上產(chǎn)生表面上產(chǎn)生 當(dāng)?shù)诙喑叽绾苄∏逸^密集時(shí)當(dāng)?shù)诙喑叽绾苄∏逸^密集時(shí) ，則會(huì)阻礙再結(jié)晶的進(jìn)行，則會(huì)阻礙再結(jié)晶的進(jìn)行 在鋼中常加入在鋼中常加入Nb、V或或Al，形成，形成NbC、V4C3、AlN，這些化

34、，這些化合物的尺寸很小，一般都在合物的尺寸很小，一般都在100nm以下，可以抑制形核。以下，可以抑制形核。原始晶粒越細(xì)，或者退火時(shí)間增長(zhǎng)，都會(huì)降低再結(jié)晶溫度。原始晶粒越細(xì)，或者退火時(shí)間增長(zhǎng)，都會(huì)降低再結(jié)晶溫度?？偟膩碚f，變形金屬再結(jié)晶溫度不是恒定的，而受許多因素的影響，總的來說，變形金屬再結(jié)晶溫度不是恒定的，而受許多因素的影響，粗略估計(jì)，金屬再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)有以下關(guān)系：粗略估計(jì)，金屬再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)有以下關(guān)系：T再再0.4T熔熔（熱（熱力學(xué)溫度）力學(xué)溫度）表表84列出了各種金屬的再結(jié)晶溫度列出了各種金屬的再結(jié)晶溫度 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂

35、 2022-4-1526例如：例如：Al 的估算再結(jié)晶溫度為的估算再結(jié)晶溫度為 （660273）0.4273100（） Ag的估算再結(jié)晶溫度為的估算再結(jié)晶溫度為 （962273） 0.4273221 （） Fe的估算再結(jié)晶溫度為的估算再結(jié)晶溫度為 （1538273） 0.4273451 （） 可見估算溫度是比較接近實(shí)際再結(jié)晶溫度的可見估算溫度是比較接近實(shí)際再結(jié)晶溫度的 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-15274、 再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶完成后晶粒長(zhǎng)大有兩種類型：再結(jié)晶完成后晶粒長(zhǎng)大有兩種類型：是隨溫度升高或時(shí)間的增長(zhǎng)

36、而均勻地連續(xù)長(zhǎng)大是隨溫度升高或時(shí)間的增長(zhǎng)而均勻地連續(xù)長(zhǎng)大正常長(zhǎng)大正常長(zhǎng)大是不連續(xù)不均勻地長(zhǎng)大是不連續(xù)不均勻地長(zhǎng)大反常長(zhǎng)大反常長(zhǎng)大二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶（1）晶粒的正常長(zhǎng)大）晶粒的正常長(zhǎng)大再結(jié)晶完成后，晶粒長(zhǎng)大是一自發(fā)的過程，再結(jié)晶完成后，晶粒長(zhǎng)大是一自發(fā)的過程，這是因?yàn)榻饘倏偸橇η笫蛊浣缑孀杂赡茏钚∵@是因?yàn)榻饘倏偸橇η笫蛊浣缑孀杂赡茏钚∵@是就整個(gè)系統(tǒng)來說的，晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)這是就整個(gè)系統(tǒng)來說的，晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力是力是降低其總界面能降低其總界面能就個(gè)別晶粒長(zhǎng)大的微觀過程來說，就個(gè)別晶粒長(zhǎng)大的微觀過程來說，晶粒界晶粒界面的不同曲率面的不同曲率是造成晶界遷移的直接原因是造成晶界遷移的直接原因晶粒長(zhǎng)大時(shí)，

37、晶界總是向著曲率中心的方晶粒長(zhǎng)大時(shí)，晶界總是向著曲率中心的方向移動(dòng)（右圖），因?yàn)榻缑鎻澢?，必然有向移?dòng)（右圖），因?yàn)榻缑鎻澢?，必然有一表面張力一表面張? /指向曲率中心，而力求使指向曲率中心，而力求使界面向曲率中心移動(dòng)界面向曲率中心移動(dòng) 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1528再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大是界面向曲率中心移動(dòng)，而再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大是界面向曲率中心移動(dòng)，而再結(jié)晶核心再結(jié)晶核心的的長(zhǎng)大界面是背向曲率中心移動(dòng)（見長(zhǎng)大界面是背向曲率中心移動(dòng)（見圖圖838），因?yàn)楹笳唛L(zhǎng)大），因?yàn)楹笳唛L(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力是減小畸變能的驅(qū)動(dòng)力是減小畸變能減小表面能是

38、晶粒長(zhǎng)大的熱力學(xué)條件，滿足這個(gè)條件只說明減小表面能是晶粒長(zhǎng)大的熱力學(xué)條件，滿足這個(gè)條件只說明晶粒有長(zhǎng)大的可能，但長(zhǎng)大與否還需滿足動(dòng)力學(xué)體件晶粒有長(zhǎng)大的可能，但長(zhǎng)大與否還需滿足動(dòng)力學(xué)體件晶晶界的活動(dòng)性界的活動(dòng)性 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1529 溫度是影響晶界活動(dòng)性的最主要因素，晶界的活動(dòng)性溫度是影響晶界活動(dòng)性的最主要因素，晶界的活動(dòng)性B與晶界的擴(kuò)散系數(shù)與晶界的擴(kuò)散系數(shù)Db有以下關(guān)系：有以下關(guān)系：BDb/ RT， 而而 DbD0eQb/ RT 生產(chǎn)上為了阻止金屬在高溫下晶粒的長(zhǎng)大，生產(chǎn)上為了阻止金屬在高溫下晶粒的長(zhǎng)大，常加入一些合

39、金元素，形成顆粒很小的第二相常加入一些合金元素，形成顆粒很小的第二相釘扎住晶界，阻礙晶界的移動(dòng)。（見右圖）釘扎住晶界，阻礙晶界的移動(dòng)。（見右圖）其中，晶粒的最大尺寸其中，晶粒的最大尺寸D與第二相顆粒半徑與第二相顆粒半徑，第二相體積分?jǐn)?shù)第二相體積分?jǐn)?shù) 有以下關(guān)系：有以下關(guān)系：D43 此式說明，第二相顆粒半徑越大，或第二相體積分?jǐn)?shù)越大，晶粒的最大此式說明，第二相顆粒半徑越大，或第二相體積分?jǐn)?shù)越大，晶粒的最大尺寸就會(huì)越小。尺寸就會(huì)越小。 溫度：越高，速度越快溫度：越高，速度越快由此關(guān)系可以看出晶界移動(dòng)速度因溫度升高而急由此關(guān)系可以看出晶界移動(dòng)速度因溫度升高而急劇增大劇增大 第二相：尺寸越大或體積分?jǐn)?shù)

40、越第二相：尺寸越大或體積分?jǐn)?shù)越大，晶粒尺寸越小大，晶粒尺寸越小 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-4-1530（2）二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶一般情況下，再結(jié)晶完成后，晶粒長(zhǎng)大隨溫度的增加是連一般情況下，再結(jié)晶完成后，晶粒長(zhǎng)大隨溫度的增加是連續(xù)變化的續(xù)變化的但在一定條件下，對(duì)某些金屬會(huì)出現(xiàn)當(dāng)溫度升高到某一數(shù)但在一定條件下，對(duì)某些金屬會(huì)出現(xiàn)當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值時(shí)，晶粒會(huì)突然值時(shí)，晶粒會(huì)突然反常地長(zhǎng)大反常地長(zhǎng)大，溫度再升高，溫度再升高，晶粒又趨于晶粒又趨于減小減小二次再結(jié)晶現(xiàn)象二次再結(jié)晶現(xiàn)象二次再結(jié)晶不是靠重新產(chǎn)生的晶核，而是在一次再結(jié)晶晶二次再結(jié)晶不是靠重新產(chǎn)生的晶核，而是在一次再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的過程中，某些局