礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶

礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶2024/3/12礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶章目錄：4.1冷變形金屬在加熱時(shí)的變化4.2回復(fù)4.3再結(jié)晶4.4再結(jié)晶后的晶粒長大4.5再結(jié)晶退火及其組織4.6金屬的熱變形4.7超塑性加工礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶經(jīng)冷變形的金屬具有如下特點(diǎn)：機(jī)械性能和理化性能發(fā)生明顯變化。強(qiáng)度、硬度升高，塑性韌性下降。組織結(jié)構(gòu)有明顯變化。晶粒變形，缺陷增加，位錯(cuò)胞形成。處于自由能較高的不穩(wěn)定狀態(tài)。冷加工時(shí)，外力所作之功，除消耗于成型中摩擦阻力以及工件變形時(shí)的發(fā)熱外，尚有一小部分（約占總功2～10％）存儲(chǔ)在變形晶體中，這種儲(chǔ)存能主要以位錯(cuò)的形式存在，使晶體內(nèi)能增加。可以推想，如果金屬中原子獲得足夠的活動(dòng)性，便會(huì)自發(fā)地向能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)變化。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶4.1冷變形金屬在加熱時(shí)的變化一、組織的變化經(jīng)冷變形的金屬逐漸增加溫度，顯微組織會(huì)發(fā)生三個(gè)階段的變化。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶三階段的微觀特征：0～T1：纖維組織不變，但亞結(jié)構(gòu)有所變化?！貜?fù)T1～T2：新的等軸晶形成，直至形變晶粒完全耗盡（纖維組織消失）?！俳Y(jié)晶T2～T3：新晶粒繼續(xù)長大?！ЯｉL大若將冷變形金屬快速加熱到0.5Tm以上恒溫，隨加熱時(shí)間t延長，也會(huì)出現(xiàn)上述三個(gè)階段的變化。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶二、儲(chǔ)存能的變化掃描示差量熱計(jì)分別檢測已變形和未變形的兩塊試樣，加熱到相同溫度所消耗的功率P，得差值。

ΔP＝P未－P變作ΔP—T℃曲線如圖，能量釋放峰對(duì)應(yīng)于新晶粒的出現(xiàn)—再結(jié)晶，在此之前為回復(fù)。T℃ΔP0ABT再T再A—純金屬，B—合金＝T℃P變P未礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶三、性能的變化經(jīng)冷變形的金屬緩慢加熱，測其性能的變化，如圖所示。性能急變區(qū)對(duì)應(yīng)于新晶粒的出現(xiàn)，再結(jié)晶之前為回復(fù)，之后為晶粒長大。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶總之：由以上變化說明，冷變形金屬在加熱時(shí)要經(jīng)歷三個(gè)階段：回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。回復(fù)：新的無畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)與性能的變化。再結(jié)晶：出現(xiàn)無畸變的等軸晶逐步取代變形晶粒的過程。晶粒長大：指再結(jié)晶結(jié)束之后，晶粒的繼續(xù)長大。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶4.2回復(fù)回復(fù)過程中，光學(xué)纖維組織未見變化，因而對(duì)回復(fù)的研究只能從性能變化入手，通過回復(fù)動(dòng)力學(xué)的研究，并輔以薄膜透射電鏡觀察，從而推斷其微觀過程。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶一、回復(fù)動(dòng)力學(xué)基本思路：冷變形金屬在回復(fù)過程中性能的變化（如：加工硬化↘電阻率↘

、致密度↗等），與晶體缺陷的密度下降有關(guān)。而晶體缺陷密度的下降，取決于回復(fù)溫度和時(shí)間，建立以上關(guān)系可得回復(fù)動(dòng)力學(xué)方程。如：加工硬化在回復(fù)過程中下降，設(shè)晶體加工硬化后屈服強(qiáng)度與某種晶體缺陷的體積濃度成正比。σ0

—充分退火試樣的屈服強(qiáng)度，Cd

—缺陷濃度礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶等溫回復(fù)過程中：B—反應(yīng)速率，按阿累尼烏斯公式：代入前式得：分離變量并積分：*由于缺陷衰減過程是熱激活過程，可按化學(xué)動(dòng)力學(xué)一級(jí)反應(yīng)處理：礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶即：在一定溫度下，等溫回復(fù)隨時(shí)間的延長，加工硬化將按指數(shù)衰減。如圖為變形鋅在不同溫度下等溫回復(fù)時(shí)，屈服強(qiáng)度的衰減曲線，其中：

x—加工硬化殘余分?jǐn)?shù)σm—變形后的屈服強(qiáng)度σ—回復(fù)后的屈服強(qiáng)度tx礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶將阿氏公式代入*上式得：取σ為定值，而測量不同溫度下回復(fù)到相同σ值的時(shí)間。lnt或：如圖：由實(shí)驗(yàn)斜率可求得Q，據(jù)此推算其機(jī)制。斜率＝Q/R礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶一般來講，激活能Q不只是一個(gè)，常按回復(fù)溫度高低分為低溫、中溫和高溫回復(fù)。對(duì)應(yīng)的激活能為Q1、Q2、Q3。Q3Q2Q1lnt礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶二、回復(fù)機(jī)制1、低溫回復(fù)一般在0.1～0.3Tm，對(duì)應(yīng)于Q1

。電阻率下降明顯（對(duì)點(diǎn)缺陷敏感）。機(jī)制：過量空位消失，趨向平衡空位濃度。2、中溫回復(fù)0.3～0.5Tm，對(duì)應(yīng)于Q2

。與位錯(cuò)的滑移有關(guān)：同一滑移面上異號(hào)位錯(cuò)的相消。位錯(cuò)偶極子的兩根位錯(cuò)線相消。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶

3、高溫回復(fù)>0.5Tm，Q3機(jī)制：位錯(cuò)的攀移和重新排列成較穩(wěn)定的組態(tài)—多邊化過程

例：Fe－3％Si單晶按下圖截取，彎曲變形后，放在650℃、700℃、800℃保溫一小時(shí)，蝕坑法顯示位錯(cuò)位置。45°45°（111）（111）x射線衍射:彎曲前彎曲后多邊化后礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶機(jī)制：攀移＋滑移變形后的位錯(cuò)蝕坑700℃回復(fù)后的位錯(cuò)蝕坑攀移滑移礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶多晶體的高溫回復(fù)機(jī)制比單晶體的多邊化過程要復(fù)雜，但本質(zhì)上也是包含位錯(cuò)的滑移和攀移。同一滑移面上異號(hào)位錯(cuò)的相消，密度下降，位錯(cuò)重排成較穩(wěn)定的組態(tài)。對(duì)冷加工中已形成位錯(cuò)胞的晶體,則表現(xiàn)為胞壁變薄，胞內(nèi)位錯(cuò)進(jìn)一步減少,形成界面清晰的亞晶。亞晶逐步聚合粗化,亞晶界出現(xiàn)二維的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。冷變形后位錯(cuò)纏結(jié)回復(fù)0.5h位錯(cuò)平直化50h后形成位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)300h后形成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶三、回復(fù)退火的應(yīng)用

由回復(fù)機(jī)制可知：回復(fù)過程中電阻率的明顯下降，主要是由于過量空位的減少和位錯(cuò)應(yīng)變能的降低；內(nèi)應(yīng)力的降低主要是由于晶體中微區(qū)彈性應(yīng)變大部分消除；而強(qiáng)度和硬度下降甚少，則是由于位錯(cuò)密度下降不多,亞晶還較細(xì)小之故。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶因此可利用回復(fù)退火使冷變形金屬在基本保持加工硬化的狀態(tài)下，降低其內(nèi)應(yīng)力，以穩(wěn)定和改善性能，減少變形和開裂，提高耐蝕性;也可利用回復(fù)退火，提高導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性。例：70Cu－30Zn黃銅深沖子彈殼，由于殘留應(yīng)力及環(huán)境氣氛的作用，在放置一段時(shí)間后會(huì)自動(dòng)發(fā)生晶界開裂，可經(jīng)250℃退火處理。例：冷拉鋼絲卷制彈簧，要在250℃～300℃進(jìn)行回復(fù)退火以降低其內(nèi)應(yīng)力并使之定型，而強(qiáng)度和硬度基本保持不變。例：冷拔銅絲導(dǎo)線需進(jìn)行回復(fù)退火處理，以提高導(dǎo)電性能。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶4.3再結(jié)晶與回復(fù)相比，當(dāng)冷變形金屬材料加熱到更高溫度，其顯微組織將發(fā)生徹底的改組，即再結(jié)晶。再結(jié)晶是一個(gè)形核和長大的過程，它的形核是可移動(dòng)的大角度晶界的形成。長大則是核心向著尚未再結(jié)晶的部分移動(dòng)，從而完成以新的無畸變的晶粒取代冷變形晶粒的過程。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力是冷加工的儲(chǔ)存能，通過再結(jié)晶釋放了儲(chǔ)存能，使材料的組織與性能基本回復(fù)到形變前的狀態(tài)，因此再結(jié)晶不是相變。（結(jié)構(gòu)未變化）鐵素體變形80%650℃加熱670℃加熱礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶一、再結(jié)晶的形核與長大1、亞晶生長或合并形成大角度晶界（形變量較大時(shí)）①亞晶合并

在回復(fù)階段形成的亞晶，通過亞晶間的合并，成為轉(zhuǎn)矩小，易于遷移的大角度晶界，成為核心。（高層錯(cuò)能材料Al，Ni等）特點(diǎn)：位錯(cuò)易于攀移，位錯(cuò)重排成穩(wěn)定的亞晶界，胞內(nèi)位錯(cuò)密度低。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶②亞晶生長通過亞晶界移動(dòng)生長，成為大角度晶界。（低層錯(cuò)能材料，位錯(cuò)難以重組，胞內(nèi)位錯(cuò)密度高。如Co、Ag、Cu、Au等）礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶2、原有大角度晶界的凸出形核（形變量較小時(shí)）冷變形金屬中，當(dāng)晶界兩側(cè)的晶粒位錯(cuò)密度相差較大時(shí)，在一定的溫度下，晶界的一段向位錯(cuò)密度較高的晶粒一側(cè)突然移動(dòng)。被晶界掃掠過的區(qū)域，位錯(cuò)被界面吸收，冷加工儲(chǔ)存能基本釋放，留下無畸變的小區(qū)域，這就是再結(jié)晶核心。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶形核條件：σ—大角度晶界界面能ΔE—相鄰晶粒的畸變能差高ρ低ρ2l由此可見，在形變量較小的材料中，出現(xiàn)ΔE較大的區(qū)域較多。因此這種形核一般發(fā)生在形變量較小的金屬中，發(fā)生弓出的晶界均是遷移率較大的大角度晶界。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶3、再結(jié)晶核心的長大當(dāng)再結(jié)晶核心形成后，可自發(fā)穩(wěn)定的生長，驅(qū)動(dòng)力為兩晶粒間的畸變能差，晶界移動(dòng)的方向是背離曲率中心方向。高ρ低ρ礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶二、再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)1、等溫曲線經(jīng)冷變形的金屬在不同溫度下進(jìn)行等溫退火，測定經(jīng)不同時(shí)間后已再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)，可得等溫動(dòng)力學(xué)曲線。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶其中：——形核率，——長大速率當(dāng)考慮到隨時(shí)間的衰減，經(jīng)修正后可得Avrami公式：

由曲線可見：再結(jié)晶與凝固動(dòng)力學(xué)曲線相似，呈“S”形，為典型的形核—長大相變過程。若用一般形核—長大的相變動(dòng)力學(xué)公式（Johnson－Mehl公式）描述：再結(jié)晶等溫動(dòng)力學(xué)曲線X再lgt0T100%礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶2、溫度對(duì)再結(jié)晶速度的影響由等溫曲線可見：等溫溫度越高，再結(jié)晶進(jìn)行得越快。產(chǎn)生一定量的X再,所需的時(shí)間也越短?？梢岳斫?，溫度越高，和均越大,因而B值也越大，相同時(shí)間下，X再也越大。T1再結(jié)晶等溫動(dòng)力學(xué)曲線X再lgt0T1

>T2>T3T2T3100%礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶如果比較在不同溫度下，獲得相同的X再所需時(shí)間，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得存在線性關(guān)系。以上關(guān)系并非偶然，因?yàn)樵俳Y(jié)晶是一個(gè)熱激活過程，其轉(zhuǎn)變速度為：——與實(shí)際相符lnA'斜率＝－QR/RV再—單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)由實(shí)驗(yàn)求再結(jié)晶激活能礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶討論：T℃↑，V再↑。已知T1、T2溫度下完成再結(jié)晶（X再＝0.95）的時(shí)間分別為t1、t2。則：可求出再結(jié)晶過程的激活能QR可以估算不同等溫溫度下再結(jié)晶開始，再結(jié)晶到一定數(shù)量（如50％）或再結(jié)晶完成所需的時(shí)間。lnA'斜率＝－QR/R礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶三、再結(jié)晶溫度及其影響因素由于再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力來自冷加工變形儲(chǔ)存能，再結(jié)晶前后晶體結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化，所以再結(jié)晶不是相變。因此不可能有固定的溫度，而是在很大范圍內(nèi)變化。為了比較不同材料再結(jié)晶的難易程度，需要定義再結(jié)晶的溫度。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶1、再結(jié)晶溫度TK退火一小時(shí)能完成再結(jié)晶（X再≥95％），所對(duì)應(yīng)的最低溫度稱一小時(shí)TK。測量不同T℃下，完成再結(jié)晶所需時(shí)間,得再結(jié)晶終了線，找出TK。但隨變形量不同TK

不同。T℃t1hT0.3T0.5T0.770%50%30%①一小時(shí)再結(jié)晶溫度TK（一般定義）礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶②70％一小時(shí)再結(jié)晶溫度Tk’（工業(yè)定義）經(jīng)大變形量（>70％），退火一小時(shí)能完成再結(jié)晶所對(duì)應(yīng)的最低溫度稱70％一小時(shí)TK’，也稱再結(jié)晶溫度限。它是衡量材料再結(jié)晶難易程度的指標(biāo)。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶2、影響再結(jié)晶溫度的主要因素①形變量形變量越大，冷變形金屬中的儲(chǔ)存能越高，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大，和↑，所以TK↓。

凡是增大和的因素均降低TK，反之則使TK↑如圖為形變量與一小時(shí)再結(jié)晶溫度的關(guān)系曲線。當(dāng)形變量達(dá)70％時(shí)，一小時(shí)再結(jié)晶溫度降到極限，所以通常稱70％一小時(shí)再結(jié)晶溫度為再結(jié)晶溫度限。TK'TK70%形變量礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶對(duì)于工業(yè)純金屬，再結(jié)晶溫度限與熔點(diǎn)之間有下列經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

TK’＝（0.35～0.45)Tm

(K)礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶②原始晶粒尺寸d

d↓,變形抗力↑,變形后儲(chǔ)能↑,驅(qū)動(dòng)力↑，、↑，TK↓。③微量元素

微量元素偏聚于位錯(cuò)和晶界，降低畸變能，阻止位錯(cuò)滑移和攀移以及晶界的遷移，降低和，使TK↑。光Al85光Mg65光Cu:120光Ni:370礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶④第二相粒子一方面增加冷變形金屬的儲(chǔ)存能，增大了再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，有利于再結(jié)晶。另一方面阻礙加熱時(shí)位錯(cuò)的重排、亞晶形成、大角度晶界的形成、以及大角度晶界的推移，從而阻礙再結(jié)晶過程。因此結(jié)果表現(xiàn)比較復(fù)雜，決定于兩個(gè)矛盾的綜合結(jié)果。一般來講：彌散度高阻礙TK↑

(自由程λ小，d小nm級(jí))

彌散度低加速TK↓見表7－3礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶四、再結(jié)晶晶粒大小的控制

再結(jié)晶后材料的機(jī)械性能的變化，主要取決于再結(jié)晶后的晶粒大小。與凝固過程一樣分析，根據(jù)Johnson－Mehl方程，可導(dǎo)得晶粒大小d為：可見，凡是影響的因素，都影響再結(jié)晶的晶粒大小。注：錯(cuò)誤P259，式(7-11)礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶

1、形變量的影響如圖所式：以臨界變形度εc為界原始晶?！执缶Я！?xì)小晶粒

一般金屬：εc＝

2～8％<εc，驅(qū)動(dòng)力不足，不發(fā)生再結(jié)晶>εc，ε↑，儲(chǔ)存能↑，↑但因，而，所以增加速度>,即↓,∴d↓。

εcdεε礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶

ε＝

εc時(shí)，由于很小，所以晶粒顯著粗化。★因此，要想通過形變?cè)俳Y(jié)晶細(xì)化晶粒，必須：①大變形量②低的退火溫度。思考：子彈打穿鋁片，再結(jié)晶后晶粒大小分布。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶

2、原始晶粒的大小原始晶粒越小，大角度界面越多，易于形核，晶粒越細(xì)。

3、微量元素一般細(xì)化，阻止，驅(qū)動(dòng)力↑，↓，d↓。

4、變形溫度變形過程中有能量釋放，ΔG驅(qū)↓，粗化。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶5、退火溫度退火溫度T℃↑，不僅d↑，且εc臨界變形度左移。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶4.4再結(jié)晶后的晶粒長大——（其規(guī)律適用于所有加熱條件下的晶粒長大）再結(jié)晶完成后繼續(xù)升高溫度或延長時(shí)間，都會(huì)使晶粒長大。晶粒長大是一個(gè)自發(fā)過程，晶界移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來自總的界面能降低。晶粒長大正常晶粒長大異常晶粒長大（二次再結(jié)晶）礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶

1、界面的遷動(dòng)如圖，設(shè)晶粒Ⅰ，Ⅱ原子化學(xué)位分別為μ1、μ2。在界面處原子因熱振動(dòng)，晶粒Ⅰ的原子將跨越界面跳到晶粒Ⅱ。相反，晶粒Ⅱ上的原子也不斷跳回晶粒Ⅰ。因μ1>μ2,由反應(yīng)速率理論，由晶粒Ⅰ跳到晶粒Ⅱ上的原子數(shù)要多一些，從而引起界面向晶粒Ⅰ方向遷移。一、晶粒長大的一般規(guī)律μμ1μ2ⅠⅡ界面v界礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶設(shè)：晶界的遷移速率

F界—界面遷移的驅(qū)動(dòng)力B—單位驅(qū)動(dòng)力下的界面遷移速率界面寬度μμ1μ2ⅠⅡ界面v界礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶由于界面彎曲，將造成晶粒Ⅰ產(chǎn)生附加壓力ΔP。柱形：

ΔP——Ⅰ、Ⅱ晶粒水靜壓差2、驅(qū)動(dòng)力Δμ（由界面曲率半徑大小決定）ⅠⅡrlσΔPrσ則：礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶當(dāng)界面為球面時(shí)由熱力學(xué)：兩晶?；瘜W(xué)位之差：ⅠⅡ礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶結(jié)論：①Δμ∝1/r對(duì)晶粒Ⅰ而言：向外凸r為正，晶粒Ⅰ化學(xué)位高于晶粒Ⅱ向外凹r為負(fù)，晶粒Ⅰ化學(xué)位低于晶粒Ⅱ

②遷動(dòng)方向：——曲率中心方向，與再結(jié)晶核心長大相反。ⅠⅡⅠⅡ礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶在二維截面上，任意三晶粒相交，由于大角度晶界的界面能與晶粒的取向無關(guān)，

平衡時(shí)有：θ1＝θ2＝θ3＝120°，形貌如下圖b，正六邊形。對(duì)于大晶粒，通常與許多小晶粒相鄰，表現(xiàn)為具有較多的邊，圖c。對(duì)于小晶粒，則邊較少，圖a。θ3θ1θ23、晶粒長大趨勢σAB

σBC

σAC

ABC<120°abc>120°礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶為了保持三叉界角度為120°,大晶粒邊向外凹，小晶粒向外凸，于是大晶粒有向外擴(kuò)張的趨勢，而小晶粒有被吞并的可能，表現(xiàn)為大吃小。所以平衡組織通常具有六邊形120°的大致規(guī)律。120°abc120°礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶二、再結(jié)晶晶粒正常長大及其影響因素

1、正常長大

（等溫退火，晶粒平均半徑~t的關(guān)系）t—拋物線規(guī)律得：為t=0時(shí)刻（再結(jié)晶完成時(shí)算）晶粒大小。DD

λσVBKKdtd

_)2(

1

==\DDòò=tDDKdtdt__0

0DDr

dtdv

μ=

而界Q礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶2、影響因素lnK’T1tDDt202ln-討論：a.T℃的影響>>t的影響，T℃↑，↑b.根據(jù)：可求得Q界——晶界遷移的激活能RTQKDD

_t_界-￠=-lntln

202_DRQ界斜率-=①溫度λσVBK

_2=注意到：）其中界RTQAB

/exp(

-=代入）界

/exp(

RTQKK

-￠=\

/exp(D202）得：界RTQtKD

t-￠=-礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶②微量元素降低表面能σ，阻礙界面遷移，∴阻止晶粒長大。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶界面③第二相質(zhì)點(diǎn)如圖：阻止界面遷移，v界↓。設(shè)想第二相質(zhì)點(diǎn)為球形,半徑為r。顯然：F阻隨θ而變化。令：∴θ＝45°時(shí)有—一顆質(zhì)點(diǎn)對(duì)界面遷移的最大阻力。σsinθ界面界面θrσσθ02cos2

==??qpqrF

阻qspqsqp2sinsincos2

==rrF

阻sp=rF

max礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶若晶界單位面積上有ns個(gè)質(zhì)點(diǎn)，則單位面積上的總阻力為：設(shè)想在晶體中，單位體積有nv個(gè)質(zhì)點(diǎn)，半徑為r，則：（每個(gè)顆粒被平面切到的幾率為

，有nv個(gè)）將nv折合成體積分?jǐn)?shù)f。——單位界面上受到的阻力單位體積試樣12r礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶另一方面，晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力為：單位體積的驅(qū)動(dòng)力為：在數(shù)值上，它與推動(dòng)單位面積晶界的力F相同（如圖）。式中：曲率半徑晶粒半徑。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力與阻力平衡時(shí)，界面停止遷動(dòng)，長大也就停止了。此時(shí)的晶粒半徑用表示。單位面積μ2μ1F1礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶隨著晶粒的長大，驅(qū)動(dòng)力↓，長大速度越來越慢。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力與質(zhì)點(diǎn)阻力平衡時(shí)，晶粒長大停止,平均半徑穩(wěn)定在極限值。

f一定，r

越小，即彌散度↑，越細(xì)。

r一定，f越大，質(zhì)點(diǎn)數(shù)越多，越細(xì)。

討論：礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶例：W絲不加釷Th（ThO2存在），無第二相質(zhì)點(diǎn)，晶粒很容易長大，只在1000～2000℃就會(huì)斷掉。鋼中加入少量鋁、鈦、釩、鈮，使其形成高熔點(diǎn)彌散分布的氮化物，碳化物顆粒，可有效防止鋼在高溫加熱時(shí)的晶粒長大。新的冷拉鋼絲繩吊掛1000℃左右熱處理工件突然斷裂。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶④晶粒間位向差θ↑，界面能σ↑，長大驅(qū)動(dòng)力↑，遷移率越高。—大角度晶界遷移率高，小角度晶界遷移率較低。雙晶鉛的關(guān)系礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶⑤表面熱蝕溝如圖，薄板材料高溫加熱時(shí)，為達(dá)到表面張力平衡，形成熱蝕溝，晶界遷動(dòng)，界面面積增加，因此熱蝕溝對(duì)界面的遷移起阻礙作用。當(dāng)界面遷移驅(qū)動(dòng)力與熱蝕溝阻力平衡時(shí)，晶粒長大停止，其極限半徑為：其中：a——板厚，——表面張力，——界面張力ⅡⅠθ表面bsaDgg=*sgbga礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶三、再結(jié)晶后的異常長大個(gè)別晶粒急劇長大，并逐漸吞并其周圍的小晶粒，最后使整個(gè)金屬中的晶粒變得非常粗大的現(xiàn)象。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶發(fā)生條件：有第二相粒子阻礙晶粒長大時(shí)，個(gè)別地方阻礙因素一旦消失，晶粒迅速長大。如圖：Fe－3%Si合金含MnS雜質(zhì)時(shí)，在930℃出現(xiàn)晶粒突然長大50倍。1.無MnS的高純金屬2.含MnS的合金異常長大3.含MnS的合金正常長大礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶出現(xiàn)明顯織構(gòu)的場合（大變形量）。由于少數(shù)取向很不一致的晶粒與周圍晶粒呈大角界面，遷移率很快，出現(xiàn)二次再結(jié)晶。薄板材料，相鄰晶粒表面能相差大時(shí)，低表面能的晶粒異常粗大。21礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶4.5再結(jié)晶退火及其組織工業(yè)上利用再結(jié)晶退火，主要有以下三方面的目的：軟化冷變形金屬（中間退火），以便進(jìn)一步加工。采用形變－再結(jié)晶細(xì)化晶粒。（尤其是無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的材料）獲得高密度再結(jié)晶織構(gòu)。（如：電解電容器鋁箔，硅鋼片）礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶1、晶粒大小再結(jié)晶晶粒大小受諸多因素的控制，但影響最顯著的是變形量和再結(jié)晶溫度，工業(yè)上常用再結(jié)晶圖來表示。兩個(gè)粗晶區(qū)：①變形量很小的臨界變形（2～8％）引起的粗晶。②大變形量經(jīng)高溫退火出現(xiàn)二次再結(jié)晶引起粗晶。工業(yè)純鋁的再結(jié)晶圖礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶2、退火孿晶f.c.c晶體不易形成形變孿晶，但易于形成退火孿晶。層錯(cuò)能低的f.c.c材料如：Cu、Cu－Al合金、奧氏體不銹鋼等易形成退火孿晶。而Al、Ni不易形成，原因是它們的孿晶界面能高。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶3、再結(jié)晶織構(gòu)具有形變織構(gòu)的材料再結(jié)晶時(shí)，為了降低界面能，新晶粒與變形晶粒將保持一定的位向關(guān)系，擇優(yōu)形核和長大，將形變織構(gòu)保留了下來，成為再結(jié)晶織構(gòu)。點(diǎn)陣類型材料類型再結(jié)晶織構(gòu)絲織構(gòu)f.c.c大多數(shù)（低溫）保持形變織構(gòu)[111]+[100]Al（高溫）Cu（400℃）Cu（950℃）[103]～[113][100]、[112][112]、[111]b.c.c保持形變織構(gòu)[110]h.c.pBe保持形變織構(gòu)[101]Ti、Zr[110]礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶點(diǎn)陣類型材料類型再結(jié)晶織構(gòu)板織構(gòu)f.c.cCu,Au,Ni,Al,ThCu-Zn,Cu-AlCu-Cd,Cu-ONi-Mn,Fe-Ni-Mn(100)[001]Ag,Ag-Au,Ag-Zn(113)[21]b.c.cFe,Ta,VFe-SiMo,W(111)[11],(001)[11](110)[001],(100)[001]保持形變織構(gòu)h.c.pZn,Mg,Be,Ti保持形變織構(gòu)礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶4.6金屬的熱變形除鑄件和燒結(jié)件以外，一般金屬材料或制品均要經(jīng)熱變形成型。由于冷變形會(huì)引起加工硬化，只有隨后的加熱，通過回復(fù)和再結(jié)晶，才能使之軟化。但在熱變形中，硬化和軟化同時(shí)發(fā)生，因此加工過程中流變應(yīng)力較小，可以獲得較大的變形。一、熱變形礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶高溫T≥0.6Tm以上，高應(yīng)變率＝0.5~500S-1下的塑性變形?；颍涸赥k以上，無加工硬化的溫度下的塑性變形。注意：冷、熱變形不是簡單的以變形溫度的高低來劃分的。

例：W的最低再結(jié)晶溫度為1200℃，在1000℃進(jìn)行變形仍屬冷變形。而Pb、Sn的再結(jié)晶溫度甚至低于室溫，因此即使在室溫進(jìn)行變形加工，也屬熱變形。1、定義：ε礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶2、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和亞動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶冷變形金屬加熱至高溫進(jìn)行的回復(fù)再結(jié)晶稱靜態(tài)的，需要一定的孕育期。

在形變的同時(shí)產(chǎn)生的回復(fù)再結(jié)晶稱為動(dòng)態(tài)的。熱變形完成后，由于材料仍處于較高溫度發(fā)生的回復(fù)再結(jié)晶稱為亞動(dòng)態(tài)的，它無需孕育期，再結(jié)晶速度較靜態(tài)快。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶1、熱變形應(yīng)力－應(yīng)變曲線金屬材料進(jìn)行熱變形時(shí)都不同程度的伴有動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：T℃↓，↑，σ↑。由圖可見，一般分為三個(gè)階段。二、動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶τ/Gγε純鐵熱扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶①起始階段表明有加工硬化，加工硬化系數(shù)隨變形量的升高微降，最后流變應(yīng)力達(dá)極值。②頭部形成（分兩種情況）

a.直接達(dá)穩(wěn)態(tài)

b.σ達(dá)極值后，隨變形增加有所下降，然后才達(dá)穩(wěn)態(tài)。熱變形的三個(gè)階段：τ/Gγ純鐵熱扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶

③.流變階段（穩(wěn)態(tài)）加工硬化率為0，硬化＝軟化，對(duì)熱變形很有意義。溫度為T時(shí)，應(yīng)變率與流變應(yīng)力σ有如下關(guān)系：ε其中：A、α、n——與溫度無關(guān)的系數(shù)，n≈4～5

Q——熱變形激活能令：礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶Z—溫度校正應(yīng)變率。意義：在穩(wěn)態(tài)條件下，溫度與應(yīng)變率共同決定著流變應(yīng)力的水平，由此來制定熱加工工藝參數(shù)。當(dāng)σ一定時(shí)，取對(duì)數(shù)：即：設(shè)法維持一定的流變應(yīng)力σ，測出兩溫度下的值，便可求出熱加工激活能Q。ε礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶將Q熱與自擴(kuò)散、回復(fù)、再結(jié)晶、蠕變等激活能比較，就可推測其微觀機(jī)制。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：具有前述a情況，即直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的熱激活能與自擴(kuò)散、回復(fù)熱激活能相當(dāng)，表明其軟化機(jī)制主要是以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主。具有b情況的曲線，激活能主要與再結(jié)晶相當(dāng)，主要軟化機(jī)制為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶2、以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主以鋁為代表，層錯(cuò)能高，異號(hào)位錯(cuò)容易通過攀移和交滑移相互抵消，因而以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主，常發(fā)生在熱變形溫度較低的情況。熱變形后組織特征：在拉長的晶粒中分布有等軸亞晶。位錯(cuò)密度108～109/mm2。σε拉長晶粒等軸亞晶動(dòng)態(tài)回復(fù)應(yīng)力應(yīng)變曲線礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶Al400℃動(dòng)態(tài)回復(fù)亞晶礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶3、以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主以銅為代表，層錯(cuò)能較低，異號(hào)位錯(cuò)攀移和交滑移困難，動(dòng)態(tài)回復(fù)不充分,因而以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主。常發(fā)生在熱變形溫度較高時(shí)。再結(jié)晶軟化使σ下降。若較低，加工硬化與再結(jié)晶交替而使曲線出現(xiàn)波動(dòng)，最后才穩(wěn)定。ετ/Gγ礦大材料科學(xué)與工程回復(fù)與再結(jié)晶組織特征：再結(jié)晶新晶粒中形成纏結(jié)的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，晶粒比靜態(tài)再結(jié)晶細(xì)小，晶粒尺寸d取決于流變應(yīng)力σT。

σT∝d－n

n≈0.5～1理論應(yīng)用：熱變形時(shí)通過調(diào)整變形溫度和變形速度，來達(dá)到控制晶粒的大小，改善性能之目的。如：低的終鍛溫度和高的，可提高σT，而后急冷，可提高其強(qiáng)度、硬度和塑性。ε