材料科學(xué)基礎(chǔ)下中文四章

1第4章

回復(fù)和再結(jié)晶-I——回復(fù)與再結(jié)晶作業(yè):10-1~9

10-2中長(zhǎng)為3cm,p54810-3,1mm=直線長(zhǎng)度來源:材料科學(xué)與工程,第四期

DonaldR.Askeland–PradeepP.Phulé原報(bào)告筆記問題1.10-2，（2）嚴(yán)格意義上兩種狀態(tài)畸變能的倍數(shù)無法求，除非忽略了位錯(cuò)芯的能量?？梢愿那蟛钪?。2第四章回復(fù)和再結(jié)晶（6-8課時(shí)）§1.引言§2.回復(fù)§3.再結(jié)晶§4.晶粒長(zhǎng)大及其他變化§5.金屬的熱加工§6.總結(jié)深入的理解是設(shè)計(jì)加工過程中改變材料微觀結(jié)構(gòu)以優(yōu)化并得到理想性能的關(guān)鍵步驟.3§1.引言1.冷加工后材料的變化微觀結(jié)構(gòu)晶粒形狀.tw/~chengsu/manufacturing/ch1.ppt變形前變形后4微觀結(jié)構(gòu)晶體學(xué)取向(織構(gòu))缺陷密度增加(晶界，位錯(cuò)和空位)低碳鋼冷加工后的纖維狀晶粒結(jié)構(gòu):10%加工變形,(b)30%加工變形,(c)60%加工變形,(d)90%加工變形1.冷加工后材料的變化DonaldR.Askeland,P.Phule20035(a)在293K拉伸變形3.1%的純Ni.25000x(b)在293K拉伸變形2.7%的Ni-5.5wt.%Al合金.37500x通常情況下合金會(huì)降低金屬的層錯(cuò)能純Ni和Ni合金中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)J.O.Stiegler6微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力(點(diǎn)陣常數(shù)偏離平衡態(tài)時(shí)的值)

長(zhǎng)周期: >>晶粒尺寸

類型I ~晶粒尺寸

類型II

短周期: 原位扭曲

類型III (空位，位錯(cuò),>80%儲(chǔ)能)能量:拉伸形變的大部分能量和各種缺陷相關(guān)性能:機(jī)械物理化學(xué)形變硬化(,)電學(xué),磁學(xué)抗腐蝕1.冷加工后材料的變化7冷加工的特點(diǎn)?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.銅的強(qiáng)度對(duì)比：(a)冷加工(b)與Zn合金化.注意冷加工后的銅具有更高的強(qiáng)度，且冷加工對(duì)其電導(dǎo)率影響很小DonaldR.Askeland,P.Phule200382.引起內(nèi)應(yīng)力和缺陷的其它因素：相變機(jī)加工（磨)不均勻冷卻(鑄造,焊接)輻照克根達(dá)耳效應(yīng)

(由體積變化引起的內(nèi)應(yīng)力)§1.引言9熱力學(xué)的:釋放的儲(chǔ)能趨于平衡態(tài)（由非穩(wěn)態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)態(tài)）微觀結(jié)構(gòu):缺陷減少:點(diǎn)缺陷密度(主要是空位)線缺陷(位錯(cuò))面缺陷(晶界)性能:機(jī)械的電學(xué)的化學(xué)的3.退火過程中由（熱）驅(qū)動(dòng)力引起的變化回復(fù)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大1011

只對(duì)鋼(四把火),對(duì)其它金屬是不一樣的退火

(A爐冷),軟化 正火

(A空冷),細(xì)化淬火

(A速冷),得到馬氏體回火

(M',爐冷或緩冷),粗化§1.引言12儲(chǔ)存的內(nèi)能

E=W-

Q (~2~5%)

熱力學(xué)條件13熱差分析:功率差

P(需要加熱被加工和退火工件)余永寧，金屬學(xué)原理2000能量的儲(chǔ)存和釋放取決于：層錯(cuò)能實(shí)際應(yīng)變雜質(zhì)(SFE,偏聚,顆粒,等.)14驅(qū)動(dòng)力:單位體積能量變化 界面遷移的驅(qū)動(dòng)力:

單位面積界面遷移單位距離的能量變化

G/Vm

E/Vm, (

V

0,

H

U,T

S<<

H)熱力學(xué)條件15結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)力典型的融化（金屬）潛熱10kJ/mol典型的固態(tài)相變潛熱=1kJ/molDG=DHmDT/Tm,AshbyAndJones，199816

需要加強(qiáng)原子擴(kuò)散，使原子能夠重排成更平衡的狀態(tài).

這個(gè)過程遵守Arrhenius定律

rate=A’e-Q/RT

或

1/t=Ae-Q/RT

Eq.(10-26)

Q=激活能 和許多反應(yīng)類似動(dòng)力學(xué)條件17退火的三個(gè)階段(通過A&P)回復(fù)-低溫?zé)崽幚硗嘶疬^程，目的是消除變形過程中的殘余應(yīng)力，同時(shí)不降低材料在冷加工過程中獲得的高強(qiáng)度.再結(jié)晶-中溫?zé)崽幚硗嘶疬^程，目的是消除冷加工過程中加工硬化的影響.晶粒長(zhǎng)大

-通過擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的晶界遷移運(yùn)動(dòng)，目的是減少晶界面積.18回復(fù)

晶粒形狀不變

類型I和II應(yīng)力松弛

Es

釋放部分能量 一些性能發(fā)生變化§1.引言再結(jié)晶在缺陷處生長(zhǎng)出新的晶粒

Es釋放全部能量

性能復(fù)原晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大，晶粒數(shù)目減少19冷加工對(duì)Cu-35%Zn合金性能的影響和退火溫度對(duì)冷加工變形75%的Cu-35%Zn合金性能的影響DonaldR.Askeland,P.Phule2003(a)退火后位錯(cuò)密度降低;(b)塑性加工增加位錯(cuò)密度;(c)初步回復(fù)---位錯(cuò)移動(dòng)到低能位置;(d)進(jìn)一步退火過程中形成新的晶核，晶粒長(zhǎng)大;(e)充分再結(jié)晶的金屬完全由無變形的晶粒組成由R-R-G引起的缺陷密度和性能的變化AshbyAndJones，199820回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大對(duì)機(jī)械性能和晶粒尺寸的影響簡(jiǎn)圖。注意再結(jié)晶過程中形成新的細(xì)小晶粒?；貜?fù)再結(jié)晶

由R-R-G引起的各種性能的變化21經(jīng)70%壓縮形變的99.85%Ni以6℃/min速度加熱時(shí)電阻率、密度的變化量熱計(jì)

(測(cè)定熱量的方法)余永寧，金屬學(xué)原理，2000加工過程中需要的激活能=>需要釋放的儲(chǔ)能回復(fù)再結(jié)晶22冷變形金屬加熱時(shí)的變化強(qiáng)度,硬度晶粒大小延伸率電阻率內(nèi)應(yīng)力回復(fù)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大性能,晶粒大小P純度增加再結(jié)晶溫度回復(fù)圖.10-123§2回復(fù)機(jī)制低T 0.1~0.3Tm(K)

消除點(diǎn)缺陷

空位的遷移和消失 到達(dá)位錯(cuò)，晶界，表面中T 0.3~0.5Tm

原位反應(yīng)，重排，消除位錯(cuò)形成胞狀結(jié)構(gòu)

在胞壁上位錯(cuò)纏結(jié)取決于層錯(cuò)能高T >0.5Tm

亞晶的形成和粗化24§2回復(fù)余永寧，金屬學(xué)原理，200025冷加工黃銅經(jīng)加熱后的硬度及內(nèi)應(yīng)力的變化圖.10-8P519§2回復(fù)26HumphreysandHatherly(1995)回復(fù)時(shí)位錯(cuò)的重排變形10%的Al在250°C退火2min27§2回復(fù)LiJCM,1962亞晶通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大28用透射電子顯微鏡觀察Al-Ni合金薄膜在580?C退火的原位變化位錯(cuò)密度的變化§2回復(fù)FJHUMPHREYS,HMCHAN，199629

冷加工變形60%再退火Fe-0.8Cu中的亞晶Reed-HillandAbbaschian,1994冷軋變形50%再在300

C退火5min的aluminum-alumina合金中的亞晶長(zhǎng)大A.R.Jones198030第4章.回復(fù)和再結(jié)晶§1.引言§2.回復(fù)§3.再結(jié)晶§4.晶粒長(zhǎng)大和其它變化“09級(jí)實(shí)驗(yàn)照片”，下載找自己的照片31位錯(cuò)攀移（或滑移）——

位錯(cuò)垂直排列（亞晶界）——

多邊化（亞晶粒）——

彈性畸變能降低多邊形化過程中刃位錯(cuò)的重排(a)晶體彎曲后活躍的滑移面上的剩余位錯(cuò).(b)多邊形化后位錯(cuò)的重排.弧形多邊形

多邊形化圖.10-232位錯(cuò)最終沿滑移面排列，半原子面垂直于滑移面Fe-3.25wt.%Si單晶彎曲和退火時(shí)的多邊形化過程.650C700C850C925C來自:Shewmon,金屬中的相變,20061小時(shí)33取決于變形量,一個(gè)接著一個(gè)由DEs驅(qū)動(dòng)的回復(fù)和再結(jié)晶過程，他們是競(jìng)爭(zhēng)過程由于回復(fù)，再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力降低原則上,剩余的DEre

需要足夠大以驅(qū)動(dòng)再結(jié)晶過程>DEcr

原位回復(fù)為再結(jié)晶提供了形核位置

由于晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分（影響層錯(cuò)）不同，回復(fù)程度不同DEDEreDEcr開始時(shí)間兩種形式的回復(fù)P517，圖.10-6,t=時(shí)間342.動(dòng)力學(xué)特點(diǎn):熱激活過程遵守Arrhenius定律對(duì)于回復(fù)后的性能p

x=未回復(fù)部分的分?jǐn)?shù)

§2回復(fù)Po:變形前的性能Pm:變形后的性能P:回復(fù)后性能圖.10-7Zn,Tm=419.58C(692.73K)

352.動(dòng)力學(xué)

短程變形速率: dx/dt=–kx

（t↑,x↓;x↓,|dx/dt|↓,）

lnx–c =–kt, lnx–c=–A0exp(-Q/RT)t,

§2回復(fù)回復(fù)分?jǐn)?shù)x取決于溫度材料性能(層錯(cuò)能)

時(shí)間362.動(dòng)力學(xué)lnx–c=–A0exp(-Q/RT)t,

當(dāng)1-xis固定,t1-x

隨著T變化:lnt1-x=Q/RT+B

或§2回復(fù)圖.