材料科學(xué)基礎(chǔ)I__第九章-2__(回復(fù)與再結(jié)晶)

1、第九章第九章- -2 回復(fù)與再結(jié)回復(fù)與再結(jié)晶晶 冷變形金屬在被加熱時會發(fā)生冷變形金屬在被加熱時會發(fā)生回復(fù)回復(fù)、再結(jié)晶再結(jié)晶和和晶粒長大晶粒長大等過等過程。了解這些過程的發(fā)生和規(guī)律，對于控制和改善變形材料的程。了解這些過程的發(fā)生和規(guī)律，對于控制和改善變形材料的晶粒組織（晶粒尺寸及其分布，晶粒形狀，再結(jié)晶程度等）和晶粒組織（晶粒尺寸及其分布，晶粒形狀，再結(jié)晶程度等）和性能具有重大意義。性能具有重大意義。 金屬經(jīng)冷變形后組織和性能都發(fā)生了變化：金屬經(jīng)冷變形后組織和性能都發(fā)生了變化：力學(xué)性能力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度增高，塑性、韌性下降；（：強(qiáng)度、硬度增高，塑性、韌性下降；（應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化）物理性能物理性

2、能：電阻率、磁矯頑力等升高，導(dǎo)磁率下降；：電阻率、磁矯頑力等升高，導(dǎo)磁率下降；化學(xué)性能化學(xué)性能：耐蝕性下降。：耐蝕性下降。經(jīng)常需要將冷變形金屬加熱退火，以使其性能恢復(fù)到變形前。經(jīng)常需要將冷變形金屬加熱退火，以使其性能恢復(fù)到變形前。 冷變形金屬與合金隨冷變形金屬與合金隨著被加熱溫度升高，著被加熱溫度升高，依依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大晶粒長大。 右圖為冷變形黃銅隨右圖為冷變形黃銅隨溫度身高組織與性能的溫度身高組織與性能的變化情況?？梢苑譃槿兓闆r?？梢苑譃槿齻€階段：回復(fù)、再結(jié)晶個階段：回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。其中，再和晶粒長大。其中，再結(jié)晶階段性能變化最大：結(jié)晶階段性能變

3、化最大：強(qiáng)度迅速下降，塑性迅強(qiáng)度迅速下降，塑性迅速升高。速升高。 冷變形金屬在加熱過程中性能隨溫度升高而變化，在再結(jié)晶冷變形金屬在加熱過程中性能隨溫度升高而變化，在再結(jié)晶階段發(fā)生突變。階段發(fā)生突變。一、回復(fù)過程的特征一、回復(fù)過程的特征1、回復(fù)過程中組織不發(fā)生變化；、回復(fù)過程中組織不發(fā)生變化；2、宏觀一類應(yīng)力全部消除，微觀二類應(yīng)力部分消除；、宏觀一類應(yīng)力全部消除，微觀二類應(yīng)力部分消除；3、力學(xué)性能變化很小，電阻率顯著降低，密度增加；、力學(xué)性能變化很小，電阻率顯著降低，密度增加；4、變形儲存的能量部分釋放。、變形儲存的能量部分釋放。二、回復(fù)過程機(jī)制二、回復(fù)過程機(jī)制低溫回復(fù)低溫回復(fù)(0.10.3)T

4、m低溫回復(fù)階段主要是低溫回復(fù)階段主要是空位濃度明顯降低空位濃度明顯降低。原因：。原因：1、空位遷移到金屬表面或晶界而消失；、空位遷移到金屬表面或晶界而消失；2、空位與間隙原子結(jié)合而消失；、空位與間隙原子結(jié)合而消失；3、空位與位錯交互作用而消失；、空位與位錯交互作用而消失；4、空位聚集成片，晶體崩塌而轉(zhuǎn)變成位錯環(huán)。、空位聚集成片，晶體崩塌而轉(zhuǎn)變成位錯環(huán)。中溫回復(fù)中溫回復(fù) 此階段由于位錯運(yùn)動會導(dǎo)致異號位錯合并而相互抵消，位錯此階段由于位錯運(yùn)動會導(dǎo)致異號位錯合并而相互抵消，位錯密度有所降低，但降幅不大。所以力學(xué)性能只有很少恢復(fù)。密度有所降低，但降幅不大。所以力學(xué)性能只有很少恢復(fù)。高溫回復(fù)高溫回復(fù) 高

5、溫回復(fù)的主要機(jī)制為高溫回復(fù)的主要機(jī)制為多邊化多邊化。 由于同號刃位錯的塞積而導(dǎo)致晶體點陣彎曲，在退火過程中由于同號刃位錯的塞積而導(dǎo)致晶體點陣彎曲，在退火過程中通過刃型位錯的攀移和滑移，使同號刃型位錯沿垂直于滑移面通過刃型位錯的攀移和滑移，使同號刃型位錯沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亞晶界。此過程稱為的方向排列成小角度的亞晶界。此過程稱為多邊（形）化多邊（形）化。(0.30.5)Tm(0.5)Tm 多晶體多晶體金屬塑性變形時，金屬塑性變形時，滑移通常是在許多互相交滑移通常是在許多互相交截的滑移面上進(jìn)行，產(chǎn)生截的滑移面上進(jìn)行，產(chǎn)生由纏結(jié)位錯構(gòu)成的胞狀組由纏結(jié)位錯構(gòu)成的胞狀組織。因此，多邊化后不

6、僅織。因此，多邊化后不僅所形成的亞晶粒小得多，所形成的亞晶粒小得多，而且許多亞晶界是由位錯而且許多亞晶界是由位錯網(wǎng)組成的。網(wǎng)組成的。右圖：右圖：a) 纏結(jié)位錯纏結(jié)位錯b) 位錯線伸直位錯線伸直c) 位錯網(wǎng)絡(luò)位錯網(wǎng)絡(luò)d) 大的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)大的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)三、回復(fù)退火的應(yīng)用三、回復(fù)退火的應(yīng)用 回復(fù)退火主要用作去除殘余應(yīng)力，使冷變形的金屬件在基本回復(fù)退火主要用作去除殘余應(yīng)力，使冷變形的金屬件在基本保持應(yīng)變硬化狀態(tài)的條件下，降低其內(nèi)應(yīng)力，以免變形或開裂，保持應(yīng)變硬化狀態(tài)的條件下，降低其內(nèi)應(yīng)力，以免變形或開裂，并改善工件的耐蝕性。并改善工件的耐蝕性。 例如例如，冷拉鋼絲卷制彈簧，在卷成彈簧后要在，冷拉鋼絲卷制彈

7、簧，在卷成彈簧后要在250300進(jìn)行退進(jìn)行退火，以降低內(nèi)應(yīng)力并使其定型?；?，以降低內(nèi)應(yīng)力并使其定型。對鑄件、焊件的去應(yīng)力退火，也是通過回復(fù)作用來實現(xiàn)的。對鑄件、焊件的去應(yīng)力退火，也是通過回復(fù)作用來實現(xiàn)的。一、再結(jié)晶過程的特征一、再結(jié)晶過程的特征 再結(jié)晶是一種形核和長大的過程。再結(jié)晶是一種形核和長大的過程?？吭拥臄U(kuò)散進(jìn)行靠原子的擴(kuò)散進(jìn)行。 冷變形金屬加熱時組織與性能最顯著的變化就是在再結(jié)晶階冷變形金屬加熱時組織與性能最顯著的變化就是在再結(jié)晶階段發(fā)生的。段發(fā)生的。特點特點：1、組織發(fā)生變化，由冷變形的伸長晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒；、組織發(fā)生變化，由冷變形的伸長晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒；2、力學(xué)性能發(fā)生急

8、劇變化，強(qiáng)度、硬度急劇下降，塑性迅速升、力學(xué)性能發(fā)生急劇變化，強(qiáng)度、硬度急劇下降，塑性迅速升 高，高，應(yīng)變硬化全部消除應(yīng)變硬化全部消除，恢復(fù)到變形前的狀態(tài)；，恢復(fù)到變形前的狀態(tài)；3、變形儲能在再結(jié)晶過程中全部釋放。三類應(yīng)力（點陣畸變）、變形儲能在再結(jié)晶過程中全部釋放。三類應(yīng)力（點陣畸變） 消除，位錯密度明顯降低。消除，位錯密度明顯降低。二、再結(jié)晶的形核二、再結(jié)晶的形核 由于再結(jié)晶形核的區(qū)域不同，形核方式有：亞晶粒合并形核，由于再結(jié)晶形核的區(qū)域不同，形核方式有：亞晶粒合并形核，亞晶粒長大形核，凸出形核。亞晶粒長大形核，凸出形核。1、亞晶粒合并形核、亞晶粒合并形核 相鄰兩亞晶粒之間的晶界是由位錯構(gòu)

9、成的。在再結(jié)晶溫度，位相鄰兩亞晶粒之間的晶界是由位錯構(gòu)成的。在再結(jié)晶溫度，位錯發(fā)生攀移和滑移并入到鄰近的晶界中。這樣兩個亞晶粒就合并錯發(fā)生攀移和滑移并入到鄰近的晶界中。這樣兩個亞晶粒就合并成為一個晶粒了。驅(qū)動力來自晶界能，晶界減少，形核自發(fā)進(jìn)行。成為一個晶粒了。驅(qū)動力來自晶界能，晶界減少，形核自發(fā)進(jìn)行。 這種形核方式一般出現(xiàn)在冷變形量很大的金屬中。通過再結(jié)這種形核方式一般出現(xiàn)在冷變形量很大的金屬中。通過再結(jié)晶前多邊化形成較小的亞晶，晶前多邊化形成較小的亞晶，亞晶界曲率不大亞晶界曲率不大，不易遷移，但，不易遷移，但某些亞晶界中的位錯可通過攀移和滑移而遷移走，使亞晶界消某些亞晶界中的位錯可通過攀移

10、和滑移而遷移走，使亞晶界消失，亞晶合并。失，亞晶合并。2、亞晶粒長大形核、亞晶粒長大形核 當(dāng)變形量很大時，較大的無應(yīng)變亞晶（多邊化時產(chǎn)生）為基礎(chǔ)當(dāng)變形量很大時，較大的無應(yīng)變亞晶（多邊化時產(chǎn)生）為基礎(chǔ)直接長大，吞食周圍的亞晶，亞晶界向周圍遷移。直接長大，吞食周圍的亞晶，亞晶界向周圍遷移。 由于變形大，位錯密度高，由于變形大，位錯密度高，亞晶界曲率大亞晶界曲率大，易于遷移。亞晶界，易于遷移。亞晶界遷移過程中清除并吸收其掃過亞晶的位錯，使遷移亞晶界的位錯遷移過程中清除并吸收其掃過亞晶的位錯，使遷移亞晶界的位錯增多，變成大角度晶界。當(dāng)尺寸超過臨界晶核時就成了再結(jié)晶的增多，變成大角度晶界。當(dāng)尺寸超過臨界

11、晶核時就成了再結(jié)晶的核心。核心。3、凸出形核、凸出形核 當(dāng)冷變形量較當(dāng)冷變形量較小時，再結(jié)晶在小時，再結(jié)晶在原晶界處形核。原晶界處形核。 對于多晶體，不同晶粒的變形對于多晶體，不同晶粒的變形程度不同，變形大的位錯密度高，程度不同，變形大的位錯密度高，畸變能高；變形小的位錯密度低，畸變能高；變形小的位錯密度低，畸變能低。低畸變區(qū)向高畸變區(qū)畸變能低。低畸變區(qū)向高畸變區(qū)伸展，以降低總的畸變能。伸展，以降低總的畸變能。三、再結(jié)晶核心的長大三、再結(jié)晶核心的長大 再結(jié)晶核心形成后，在變形基體中長大。實質(zhì)是具有臨界曲再結(jié)晶核心形成后，在變形基體中長大。實質(zhì)是具有臨界曲率半徑的大角度晶界向變形基體遷移，直至再

12、結(jié)晶晶粒相遇，率半徑的大角度晶界向變形基體遷移，直至再結(jié)晶晶粒相遇，變形基體全部消失。變形基體全部消失。 溫度越高，擴(kuò)散越快，再結(jié)晶速度越快，時間越長，再結(jié)晶溫度越高，擴(kuò)散越快，再結(jié)晶速度越快，時間越長，再結(jié)晶晶粒越粗大。晶粒越粗大。四、再結(jié)晶溫度四、再結(jié)晶溫度 冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的溫度，稱為冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的溫度，稱為再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度。可以采?？梢圆捎貌煌姆椒▉頊y定，用不同的方法來測定，常用方法常用方法有：有：1、金相法、金相法 以顯微鏡觀察到第一個新晶?；蚓Ы缫蛲钩鲂魏硕霈F(xiàn)鋸齒狀以顯微鏡觀察到第一個新晶?；蚓Ы缫蛲钩鲂魏硕霈F(xiàn)鋸齒狀邊緣的退火溫度定為再結(jié)晶溫度。適用于

13、變形量邊緣的退火溫度定為再結(jié)晶溫度。適用于變形量70%)的冷變形金屬，經(jīng)過的冷變形金屬，經(jīng)過1小時完全再結(jié)晶退火的最低溫度定為再結(jié)晶溫度。小時完全再結(jié)晶退火的最低溫度定為再結(jié)晶溫度?？梢?，可見，再結(jié)晶溫度是靠實驗測出來的再結(jié)晶溫度是靠實驗測出來的。對于對于純金屬純金屬的再結(jié)晶溫度，可用經(jīng)驗公式計算：的再結(jié)晶溫度，可用經(jīng)驗公式計算： Tr=(0.350.4)Tm公式使用條件：工業(yè)純金屬，大變形量，退火時間公式使用條件：工業(yè)純金屬，大變形量，退火時間0.51小時。小時。五、影響再結(jié)晶的因素五、影響再結(jié)晶的因素1、溫度、溫度 加熱溫度越高，再結(jié)晶速度越快，產(chǎn)生一定體積分?jǐn)?shù)的再結(jié)加熱溫度越高，再結(jié)晶速

14、度越快，產(chǎn)生一定體積分?jǐn)?shù)的再結(jié)晶組織需要的時間越短。晶組織需要的時間越短。2、變形程度、變形程度 變形程度越大，儲能越多，變形程度越大，儲能越多，再結(jié)晶驅(qū)動力越大，因此變形再結(jié)晶驅(qū)動力越大，因此變形程度越大，再結(jié)晶速度越快。程度越大，再結(jié)晶速度越快。3、材料的純度、材料的純度 微量的溶質(zhì)原子對再結(jié)晶影微量的溶質(zhì)原子對再結(jié)晶影響巨大。響巨大。 溶質(zhì)或雜質(zhì)原子偏聚在位錯和晶界處，對位錯的運(yùn)動和晶界溶質(zhì)或雜質(zhì)原子偏聚在位錯和晶界處，對位錯的運(yùn)動和晶界的遷移起阻礙作用，因此不利于再結(jié)晶，使再結(jié)晶溫度升高。的遷移起阻礙作用，因此不利于再結(jié)晶，使再結(jié)晶溫度升高。例如例如，純銅，純銅50%再結(jié)晶的溫度為再結(jié)

15、晶的溫度為140C，加入，加入0.01%Ag后升高到后升高到205C，若加入，若加入0.01%Cd（鎘）后升高到（鎘）后升高到305C。4、原始晶粒尺寸、原始晶粒尺寸 其他條件相同時，原始晶粒越細(xì)，冷變形抗力越大，變形后其他條件相同時，原始晶粒越細(xì)，冷變形抗力越大，變形后儲存能越多，再結(jié)晶溫度越低。儲存能越多，再結(jié)晶溫度越低。 同樣變形度，原始晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，可供再結(jié)晶同樣變形度，原始晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，可供再結(jié)晶形核的地方越多，形核率高，再結(jié)晶速度快。形核的地方越多，形核率高，再結(jié)晶速度快。5、第二相粒子、第二相粒子 根據(jù)粒子尺寸和間距的大小，可分為二種情況：根據(jù)粒子尺寸和間

16、距的大小，可分為二種情況：1）粒子較粗大，間距較遠(yuǎn)粒子較粗大，間距較遠(yuǎn)促進(jìn)再結(jié)晶促進(jìn)再結(jié)晶 原因：粒子對位錯運(yùn)動、亞晶界遷移的阻礙作用??；另一方原因：粒子對位錯運(yùn)動、亞晶界遷移的阻礙作用??；另一方面，加速再結(jié)晶形核。面，加速再結(jié)晶形核。2）粒子細(xì)小，間距小粒子細(xì)小，間距小阻礙再結(jié)晶阻礙再結(jié)晶 原因：粒子阻礙位錯運(yùn)動和亞晶界遷移，使亞晶粒生長減慢原因：粒子阻礙位錯運(yùn)動和亞晶界遷移，使亞晶粒生長減慢或停止，就阻礙了再結(jié)晶的形核與長大?；蛲Ｖ?，就阻礙了再結(jié)晶的形核與長大。例如例如，鋼中加入少量的，鋼中加入少量的V, Ti, Nb, Zr, Al時，可生成彌散分布的時，可生成彌散分布的化合物，其尺寸、

17、間距都很小，都會提高鋼的再結(jié)晶溫度。所化合物，其尺寸、間距都很小，都會提高鋼的再結(jié)晶溫度。所以，含有這些元素的鋼一般都有較高的使用溫度。以，含有這些元素的鋼一般都有較高的使用溫度。六、再結(jié)晶后晶粒大小六、再結(jié)晶后晶粒大小 再結(jié)晶后的晶粒呈等軸狀，再結(jié)晶后的晶粒呈等軸狀，其大小受多種因素的影響其大小受多種因素的影響，主要，主要有有變形度變形度、退火溫度退火溫度、退火時間退火時間、雜質(zhì)及合金成分雜質(zhì)及合金成分等。等。 上面討論的影響再結(jié)晶的因素，凡是促進(jìn)再結(jié)晶的都會使再上面討論的影響再結(jié)晶的因素，凡是促進(jìn)再結(jié)晶的都會使再結(jié)晶晶粒尺寸變得更大。下面再對變形度的影響討論一下。結(jié)晶晶粒尺寸變得更大。下面

18、再對變形度的影響討論一下。 超過超過臨界變形度臨界變形度后，隨變形量增加，儲存能增加，使再結(jié)晶驅(qū)后，隨變形量增加，儲存能增加，使再結(jié)晶驅(qū)動力增加，形核率和長大速率同時提高，但由于形核率增加更快，動力增加，形核率和長大速率同時提高，但由于形核率增加更快，所以再結(jié)晶后晶粒細(xì)化。所以再結(jié)晶后晶粒細(xì)化。 對于有些金屬或合金，當(dāng)變形量相當(dāng)大時，再結(jié)晶晶粒又會重對于有些金屬或合金，當(dāng)變形量相當(dāng)大時，再結(jié)晶晶粒又會重新粗化。這就是二次再結(jié)晶（異常長大）造成的。新粗化。這就是二次再結(jié)晶（異常長大）造成的。 退火溫度對臨界變形度影響很大退火溫度對臨界變形度影響很大，溫度越高，臨界變形度越小。，溫度越高，臨界變形

19、度越小。臨界變形度越小，再結(jié)晶后的晶粒越粗大。臨界變形度越小，再結(jié)晶后的晶粒越粗大。 變形度對再結(jié)晶后晶粒大小的影響見下圖。變形量很小時，金變形度對再結(jié)晶后晶粒大小的影響見下圖。變形量很小時，金屬中儲存變形能很少，不足以發(fā)生再結(jié)晶，故退火后晶粒尺寸不屬中儲存變形能很少，不足以發(fā)生再結(jié)晶，故退火后晶粒尺寸不變。能夠發(fā)生再結(jié)晶的最小變形度通常在變。能夠發(fā)生再結(jié)晶的最小變形度通常在28%范圍內(nèi)。但此時范圍內(nèi)。但此時再結(jié)晶驅(qū)動力小，形核率低，由于再結(jié)晶后的晶粒數(shù)量少，所以再結(jié)晶驅(qū)動力小，形核率低，由于再結(jié)晶后的晶粒數(shù)量少，所以晶粒特別粗大。此變形度稱為晶粒特別粗大。此變形度稱為臨界變形度臨界變形度。注

20、意：圖中縱坐標(biāo)，向上表示晶粒數(shù)少，尺寸大。注意：圖中縱坐標(biāo)，向上表示晶粒數(shù)少，尺寸大。 冷變形金屬完成再結(jié)晶后，繼續(xù)加熱時會發(fā)生晶粒長大。冷變形金屬完成再結(jié)晶后，繼續(xù)加熱時會發(fā)生晶粒長大。晶粒長大又可分為晶粒長大又可分為正常長大正常長大和和異常長大異常長大（二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶）。）。一、晶粒的正常長大一、晶粒的正常長大 再結(jié)晶剛完成時得到的是細(xì)小的、無畸變和內(nèi)應(yīng)力的等軸晶再結(jié)晶剛完成時得到的是細(xì)小的、無畸變和內(nèi)應(yīng)力的等軸晶粒。溫度繼續(xù)升高或延長保溫時間，晶粒仍可以繼續(xù)長大，若粒。溫度繼續(xù)升高或延長保溫時間，晶粒仍可以繼續(xù)長大，若是是均勻地連續(xù)生長均勻地連續(xù)生長，就稱為，就稱為正常長大正常長大

21、。1、晶粒長大的驅(qū)動力、晶粒長大的驅(qū)動力 晶粒長大的驅(qū)動力晶粒長大的驅(qū)動力從整體上看從整體上看是是晶粒長大前后總的界面能差晶粒長大前后總的界面能差。即晶粒長大后總界面積減小，總界面能降低，因而晶粒長大是即晶粒長大后總界面積減小，總界面能降低，因而晶粒長大是自發(fā)過程。自發(fā)過程。 從微觀上看從微觀上看，晶粒長大是靠晶界的遷移實現(xiàn)的。然而，此時晶，晶粒長大是靠晶界的遷移實現(xiàn)的。然而，此時晶界兩邊的晶體已沒有能量差別，界兩邊的晶體已沒有能量差別，晶界會向哪邊遷移晶界會向哪邊遷移？驅(qū)使晶界遷驅(qū)使晶界遷移的驅(qū)動力從何而來移的驅(qū)動力從何而來？ 假設(shè)半徑為假設(shè)半徑為R的球形的球形B晶粒存在于晶粒存在于A晶粒晶

22、粒中：中：界面面積為界面面積為4R2，總界面能為：總界面能為：E= 4R2。半徑半徑R變化引起界面能的變化就是作用于變化引起界面能的變化就是作用于晶界的力晶界的力F，指向曲率中心；，指向曲率中心；單位面積上的驅(qū)動力為單位面積上的驅(qū)動力為p:BAREFddRRdRRdRFp24/)4(4222 可見，晶界遷移的驅(qū)動力可見，晶界遷移的驅(qū)動力p隨隨增大而增大，隨曲率半徑增大而增大，隨曲率半徑R增增大而減小。因此，彎曲的晶界將向曲率中心遷移。上圖中晶粒大而減小。因此，彎曲的晶界將向曲率中心遷移。上圖中晶粒B逐漸縮小，直至消失，晶粒逐漸縮小，直至消失，晶粒A則在長大。則在長大。2、晶粒的穩(wěn)定形貌、晶粒的

23、穩(wěn)定形貌 當(dāng)當(dāng)3個晶粒相交于一點，兩兩相交于個晶粒相交于一點，兩兩相交于一直線時，其二維形狀如圖所示。由一直線時，其二維形狀如圖所示。由作用于作用于O點點的張力平衡可得到：的張力平衡可得到： 1-2+ 2-3cos 2+ 3-1cos 1=0或或 1-2/sin 3= 2-3/sin 1= 3-1/sin 2 由于比界面能由于比界面能通常為常數(shù)，所以通常為常數(shù)，所以 1= 2= 3=120。 實際二維晶粒：較大的晶粒往往是實際二維晶粒：較大的晶粒往往是六邊以上，如六邊以上，如晶粒晶粒I；較小的晶粒往往；較小的晶粒往往小于六邊。小于六邊。 三維晶粒的穩(wěn)定（平衡）形貌為十三維晶粒的穩(wěn)定（平衡）形貌

24、為十四面體，夾角為四面體，夾角為120。3、影響晶粒長大的因素、影響晶粒長大的因素 晶粒長大是通過晶界遷移實現(xiàn)的，所以影響晶界遷移的因素晶粒長大是通過晶界遷移實現(xiàn)的，所以影響晶界遷移的因素都會影響晶粒長大。都會影響晶粒長大。 溫度溫度 晶界遷移是熱激活過程，溫度越高，晶粒長大速度越快。一晶界遷移是熱激活過程，溫度越高，晶粒長大速度越快。一定溫度下，晶粒長到極限尺寸就停止，若提高溫度，晶粒將繼定溫度下，晶粒長到極限尺寸就停止，若提高溫度，晶粒將繼續(xù)長大。對于一定的金屬，一定的溫度對應(yīng)著一定的晶粒尺寸。續(xù)長大。對于一定的金屬，一定的溫度對應(yīng)著一定的晶粒尺寸。因此，控制溫度，就可以獲得需要的晶粒度，

25、從而獲得需要的因此，控制溫度，就可以獲得需要的晶粒度，從而獲得需要的性能。性能。 時間時間 正常晶粒長大時，一定溫度下，平均晶粒直徑正常晶粒長大時，一定溫度下，平均晶粒直徑Dt與保溫時間與保溫時間的平方根成正比：的平方根成正比： Dt=Ct1/2 第二相粒子第二相粒子 第二相粒子會阻礙晶界遷移、晶粒長大。第二相粒子的尺寸第二相粒子會阻礙晶界遷移、晶粒長大。第二相粒子的尺寸越小，體積分?jǐn)?shù)越大，阻礙作用越強(qiáng)，晶粒尺寸就會越小。越小，體積分?jǐn)?shù)越大，阻礙作用越強(qiáng)，晶粒尺寸就會越小。 雜質(zhì)及合金元素雜質(zhì)及合金元素 雜質(zhì)及合金元素溶入基體能夠阻礙晶界遷移，特別是在晶界雜質(zhì)及合金元素溶入基體能夠阻礙晶界遷移

26、，特別是在晶界的偏聚，阻礙作用更加顯著。的偏聚，阻礙作用更加顯著。 相鄰晶粒的位向差相鄰晶粒的位向差 相鄰晶粒間的位向差與界面能有關(guān)，小角度晶界的界面能低，相鄰晶粒間的位向差與界面能有關(guān)，小角度晶界的界面能低，晶界遷移的驅(qū)動力小，晶界遷移速度低。界面能高低大角度晶晶界遷移的驅(qū)動力小，晶界遷移速度低。界面能高低大角度晶界較容易移動。界較容易移動。二、晶粒的異常長大二、晶粒的異常長大 異常長大又稱為不連續(xù)長大，或二次再結(jié)晶，是一種特殊的異常長大又稱為不連續(xù)長大，或二次再結(jié)晶，是一種特殊的晶粒長大現(xiàn)象晶粒長大現(xiàn)象少數(shù)晶粒迅速長大，大晶粒吞食小晶粒。少數(shù)晶粒迅速長大，大晶粒吞食小晶粒。發(fā)生異常長大的條

27、件：發(fā)生異常長大的條件：1、存在再結(jié)晶織構(gòu)、存在再結(jié)晶織構(gòu) 金屬冷變形時出現(xiàn)變形織構(gòu)，金屬冷變形時出現(xiàn)變形織構(gòu)，一次再結(jié)晶后往往存在具有織構(gòu)一次再結(jié)晶后往往存在具有織構(gòu)的再結(jié)晶組織，即的再結(jié)晶組織，即再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)。再結(jié)晶織構(gòu)與其周圍的再結(jié)晶晶再結(jié)晶織構(gòu)與其周圍的再結(jié)晶晶粒取向接近，基本不存在大角度粒取向接近，基本不存在大角度晶界，故晶界遷移率低。如果僅晶界，故晶界遷移率低。如果僅有少量的遷移率高的大角度晶界有少量的遷移率高的大角度晶界存在，就會發(fā)生二次再結(jié)晶。存在，就會發(fā)生二次再結(jié)晶。2、第二相粒子分布不均勻、第二相粒子分布不均勻 若局部區(qū)域第二相粒子較少，或加熱溫度升高使粒子溶解，若

28、局部區(qū)域第二相粒子較少，或加熱溫度升高使粒子溶解，則此處的晶粒便會繼續(xù)長大，發(fā)生二次再結(jié)晶。則此處的晶粒便會繼續(xù)長大，發(fā)生二次再結(jié)晶。3、熱蝕溝數(shù)量多、熱蝕溝數(shù)量多 對于金屬薄板加熱條件下，對于金屬薄板加熱條件下，在晶界與板表面相交處，由于在晶界與板表面相交處，由于表面張力的作用，會出現(xiàn)向板表面張力的作用，會出現(xiàn)向板內(nèi)凹陷的溝槽，稱為內(nèi)凹陷的溝槽，稱為熱蝕溝熱蝕溝。晶界若從熱蝕溝中移出，勢必晶界若從熱蝕溝中移出，勢必會增加晶界面積，導(dǎo)致晶界遷會增加晶界面積，導(dǎo)致晶界遷移阻力增大，顯然，板越薄，移阻力增大，顯然，板越薄，被熱蝕溝釘扎的晶界越多。當(dāng)被熱蝕溝釘扎的晶界越多。當(dāng)僅有少數(shù)晶界可遷移時，便

29、會僅有少數(shù)晶界可遷移時，便會發(fā)生二次再結(jié)晶。發(fā)生二次再結(jié)晶。 二次再結(jié)晶形成非常粗大的晶粒及非常不均勻的組織，將大二次再結(jié)晶形成非常粗大的晶粒及非常不均勻的組織，將大幅度降低材料的強(qiáng)度和塑性。因此，應(yīng)注意避免發(fā)生二次再結(jié)幅度降低材料的強(qiáng)度和塑性。因此，應(yīng)注意避免發(fā)生二次再結(jié)晶。晶。三、再結(jié)晶圖三、再結(jié)晶圖 把再結(jié)晶退火后的晶粒大小、冷變形程度及退火溫度間的關(guān)把再結(jié)晶退火后的晶粒大小、冷變形程度及退火溫度間的關(guān)系繪制成三維圖形，稱為系繪制成三維圖形，稱為再結(jié)晶圖再結(jié)晶圖。四、退火孿晶四、退火孿晶 一些面心立方結(jié)構(gòu)的金屬或合金，如銅、銅合金、奧氏體不一些面心立方結(jié)構(gòu)的金屬或合金，如銅、銅合金、奧氏

30、體不銹鋼等，經(jīng)再結(jié)晶退火后，其晶粒中出現(xiàn)孿晶組織，稱為銹鋼等，經(jīng)再結(jié)晶退火后，其晶粒中出現(xiàn)孿晶組織，稱為退火退火孿晶孿晶。 一般認(rèn)為退火孿晶一般認(rèn)為退火孿晶是在晶粒生長過程中是在晶粒生長過程中形成的。當(dāng)晶粒通過形成的。當(dāng)晶粒通過晶界移動而生長時，晶界移動而生長時，(111)晶面發(fā)生堆垛層晶面發(fā)生堆垛層錯而產(chǎn)生孿晶。錯而產(chǎn)生孿晶。 金屬與合金在金屬與合金在再結(jié)晶溫度以上再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形，稱為進(jìn)行的塑性變形，稱為熱變形熱變形或熱加工或熱加工。 熱變形時，（動態(tài)）回復(fù)和（動態(tài)）再結(jié)晶過程同時進(jìn)行，熱變形時，（動態(tài)）回復(fù)和（動態(tài)）再結(jié)晶過程同時進(jìn)行，由塑性變形產(chǎn)生的應(yīng)變硬化同時被消除。由塑

31、性變形產(chǎn)生的應(yīng)變硬化同時被消除。一、動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶一、動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶 根據(jù)熱變形過程中組織變化的不同，可將金屬與合金分為二根據(jù)熱變形過程中組織變化的不同，可將金屬與合金分為二類。類。第一類：第一類：鋁、鋁合金、工業(yè)純鐵，鐵素體鋼以及鋁、鋁合金、工業(yè)純鐵，鐵素體鋼以及Zn、Mg、Sn等等 這類材料共同特點是位錯的交滑移和位錯攀移比較容易進(jìn)行。這類材料共同特點是位錯的交滑移和位錯攀移比較容易進(jìn)行。因此，一般認(rèn)為動態(tài)回復(fù)是這類材料熱加工過程中的唯一軟化因此，一般認(rèn)為動態(tài)回復(fù)是這類材料熱加工過程中的唯一軟化機(jī)制。即使在遠(yuǎn)高于靜態(tài)再結(jié)晶溫度進(jìn)行變形，通常也不會產(chǎn)機(jī)制。即使在遠(yuǎn)高于靜態(tài)再結(jié)晶溫

32、度進(jìn)行變形，通常也不會產(chǎn)生動態(tài)再結(jié)晶。生動態(tài)再結(jié)晶。宏觀組織宏觀組織：晶粒變成沿變形方向伸長，并形成纖維組織；：晶粒變成沿變形方向伸長，并形成纖維組織；微觀組織微觀組織：晶內(nèi)出現(xiàn)動態(tài)回復(fù)所形成的等軸亞晶粒。：晶內(nèi)出現(xiàn)動態(tài)回復(fù)所形成的等軸亞晶粒。 這類材料在動態(tài)回復(fù)過程所形成的多邊化亞結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，熱這類材料在動態(tài)回復(fù)過程所形成的多邊化亞結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，熱變形后迅速冷卻使其保持下來。如果熱變形后在高溫下停留時間變形后迅速冷卻使其保持下來。如果熱變形后在高溫下停留時間過長（如過長（如Al,400C,0.5小時），則會發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。小時），則會發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。 動態(tài)回復(fù)組織要比再結(jié)晶組織的強(qiáng)度高得多

33、動態(tài)回復(fù)組織要比再結(jié)晶組織的強(qiáng)度高得多。1、第一類合金在熱變形中的應(yīng)力應(yīng)變曲線、第一類合金在熱變形中的應(yīng)力應(yīng)變曲線曲線有三個階段：曲線有三個階段：第一階段第一階段：微應(yīng)變階段，應(yīng)變量約：微應(yīng)變階段，應(yīng)變量約0.10.2%，曲線急劇上升。，曲線急劇上升。第二階段第二階段：最小流變應(yīng)力：最小流變應(yīng)力T之后，有應(yīng)變硬化，但硬化率逐漸之后，有應(yīng)變硬化，但硬化率逐漸降低。降低。第三階段第三階段：穩(wěn)態(tài)流：穩(wěn)態(tài)流變階段，應(yīng)力變階段，應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變曲線為水平線。此曲線為水平線。此階段，應(yīng)變硬化與階段，應(yīng)變硬化與動態(tài)軟化大到平衡，動態(tài)軟化大到平衡，應(yīng)力不再隨應(yīng)變增應(yīng)力不再隨應(yīng)變增大，保持恒定應(yīng)力大，保持恒定應(yīng)力

34、下變形。下變形。第二類：第二類：銅、銅合金，鎳及鎳合金，金、銀及其合金，奧氏體鋼，銅、銅合金，鎳及鎳合金，金、銀及其合金，奧氏體鋼，以及高純度鐵等。以及高純度鐵等。 這類材料中，大部分具有面心立方結(jié)構(gòu)，低的層錯能。共同這類材料中，大部分具有面心立方結(jié)構(gòu)，低的層錯能。共同特點是位錯的交滑移和位錯攀移困難得多。由于難以通過位錯特點是位錯的交滑移和位錯攀移困難得多。由于難以通過位錯交滑移和位錯攀移進(jìn)行動態(tài)回復(fù)，在一定的應(yīng)力和溫度條件下，交滑移和位錯攀移進(jìn)行動態(tài)回復(fù)，在一定的應(yīng)力和溫度條件下，變形過程中就會積累到足夠高的局部位錯密度的差別，導(dǎo)致發(fā)變形過程中就會積累到足夠高的局部位錯密度的差別，導(dǎo)致發(fā)生

35、動態(tài)再結(jié)晶。生動態(tài)再結(jié)晶。 因此，這類金屬與合金在熱變形過程中發(fā)生的軟化主要來自因此，這類金屬與合金在熱變形過程中發(fā)生的軟化主要來自動態(tài)再結(jié)晶。動態(tài)再結(jié)晶。 和冷變形金屬的再結(jié)晶一樣，動態(tài)再結(jié)晶也是通過形成新的和冷變形金屬的再結(jié)晶一樣，動態(tài)再結(jié)晶也是通過形成新的大角度晶界及其隨后移動的方式來進(jìn)行的。但是，持續(xù)的變形大角度晶界及其隨后移動的方式來進(jìn)行的。但是，持續(xù)的變形卻使動態(tài)再結(jié)晶所形成的晶粒中出現(xiàn)纏結(jié)位錯的亞結(jié)構(gòu)。靜態(tài)卻使動態(tài)再結(jié)晶所形成的晶粒中出現(xiàn)纏結(jié)位錯的亞結(jié)構(gòu)。靜態(tài)再結(jié)晶晶粒中則沒有纏結(jié)位錯。再結(jié)晶晶粒中則沒有纏結(jié)位錯。2、第二類合金在熱變形中的應(yīng)力應(yīng)變曲線、第二類合金在熱變形中的應(yīng)力

36、應(yīng)變曲線 熱變形過程中發(fā)生再結(jié)晶熱變形過程中發(fā)生再結(jié)晶的的應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線形狀取決于形狀取決于應(yīng)變速率。應(yīng)變速率。 在高應(yīng)變速率下在高應(yīng)變速率下，曲線，曲線上有一個峰值，可分為三個上有一個峰值，可分為三個階段：階段： I為應(yīng)變硬化加工階段，此為應(yīng)變硬化加工階段，此時變形低于臨界變形度，所時變形低于臨界變形度，所以不發(fā)生再結(jié)晶。以不發(fā)生再結(jié)晶。 II為開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶階段，當(dāng)應(yīng)力大到為開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶階段，當(dāng)應(yīng)力大到max之前，硬化效應(yīng)之前，硬化效應(yīng)大于軟化效應(yīng)，應(yīng)力大到大于軟化效應(yīng)，應(yīng)力大到max之后，再結(jié)晶加快，軟化效應(yīng)為主，之后，再結(jié)晶加快，軟化效應(yīng)為主，曲線開始下降。曲線開

37、始下降。 III為穩(wěn)定流變階段，應(yīng)變硬化和再結(jié)晶軟化達(dá)到平衡，出現(xiàn)穩(wěn)為穩(wěn)定流變階段，應(yīng)變硬化和再結(jié)晶軟化達(dá)到平衡，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變，應(yīng)力態(tài)流變，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈水平狀。應(yīng)變曲線呈水平狀。 在低應(yīng)變速率時在低應(yīng)變速率時，應(yīng)力，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)較多的峰值。應(yīng)變曲線上出現(xiàn)較多的峰值。 I為應(yīng)變硬化加工階段，曲線斜率（即應(yīng)變硬化率）隨應(yīng)變速率為應(yīng)變硬化加工階段，曲線斜率（即應(yīng)變硬化率）隨應(yīng)變速率降低而減小。降低而減小。 II為開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶階段，但由于應(yīng)變速率低，應(yīng)變硬化與為開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶階段，但由于應(yīng)變速率低，應(yīng)變硬化與動態(tài)再結(jié)晶軟化達(dá)不到平衡，因而不出現(xiàn)穩(wěn)定流變階段。在第一動態(tài)再結(jié)晶軟化達(dá)

38、不到平衡，因而不出現(xiàn)穩(wěn)定流變階段。在第一個峰值之后，重新出現(xiàn)以硬化為主的和以軟化為主的第二個峰值。個峰值之后，重新出現(xiàn)以硬化為主的和以軟化為主的第二個峰值。以至重復(fù)到熱變形結(jié)束。以至重復(fù)到熱變形結(jié)束。亞動態(tài)再結(jié)晶亞動態(tài)再結(jié)晶 在動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行過程中，在動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行過程中，若中斷熱變形，材料仍處于若中斷熱變形，材料仍處于高溫，動態(tài)再結(jié)晶過程仍可高溫，動態(tài)再結(jié)晶過程仍可以繼續(xù)。稱為亞動態(tài)再結(jié)晶。以繼續(xù)。稱為亞動態(tài)再結(jié)晶。 中斷熱變形后中斷熱變形后，靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶都會，靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶都會使材料軟化。哪一項的貢獻(xiàn)大，則取決于變形程度。使材料軟化。哪一項的貢獻(xiàn)大，則取決于變形程度。 變形量小時，只有靜態(tài)回復(fù)起作用；變形量小時，只有靜態(tài)回復(fù)起作用； 變形量大時，靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶都起作用；變形量大時，靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶都起作用； 變形量非常大時，僅靜態(tài)回復(fù)和亞動態(tài)再結(jié)晶起作用。變形量非常大時，僅靜態(tài)回復(fù)和亞動態(tài)再結(jié)晶起作用。二、熱變形金屬與合金的組織和性能二、熱變形金屬與合金的組織和性能1、改善鑄造組織缺陷、改善鑄造組織缺陷鑄造組織往往含有縮松、氣孔等缺陷，熱變形時被壓合消除。鑄造組織往往含有縮松、氣孔等缺陷，熱變形時被壓合消除。鑄態(tài)組織鑄態(tài)組織(晶粒晶粒)粗大，通過