CH5.3 回复与再结晶(2013级)

5.3回复和再结晶*回复和再结晶主要内容一.冷变形金属在加热时的组织和性能变化二.回复三.再结晶四.晶粒长大五.再结晶织构与退火孪晶*5.3.1冷变形金属在加热时的组织和性能变化冷变形金属随加热温度的提高：显微组织发生变化：回复、再结晶、晶粒长大。性能变化：力学性能、物理性能、内应力、储存能释放。发生变化的原因：缺陷及内应力导致热力学不稳定性；与相变的异同点：没有晶体结构变化；驱动力不是化学位差；冷变形金属退火晶粒形状大小变化*一.显微组织变化随加热温度的提高冷变形金属组织发生变化为：回复(recovery)、再结晶(recrystallization)、晶粒长大(graingrowth)。图5.45t1～t2回复阶段，仍保持原来形状(纤维状)。t2～t3再结晶阶段，变形晶粒转变为等轴晶粒。t3～t4晶粒长大阶段，晶界移动、晶粒尺寸发生变化。*回复阶段：指新的无畸变晶粒出现前所产生的亚结构和性能变化的阶段，晶粒的外形（组织）无明显的变化。加热时，由于温度升高原子的能动性增加，即原子的扩散能力提高，回复阶段只是消除了由于冷加工应变能产生的残余内应力，大部分应变能仍存在，变形的晶粒仍未恢复原状。再结晶阶段：无畸变的等轴晶粒出现，并逐步取代变形的晶粒的阶段。随着保温时间加长，新的无畸变的晶粒核心便开始形成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶的开始。随着保温时间的延长或温度的升高，再结晶部分愈来愈多，直到原来的晶粒全部被新的小的等轴晶粒所代替，变形晶粒完全消失。晶粒长大阶段：再结晶结束后晶粒的长大过程。进一步保温或升温，在晶界界面能的驱动下，新晶粒尺寸开始增大。**黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段组织变化的照片*左图是黄铜冷加工变形量达到ε＝38％后的组织，可见粗大晶粒内的滑移线。右图经过580ºC保温3秒后，试样上开始出现白色小的颗粒，即再结晶出的新的晶粒。*左图是在580ºC保温4秒后，显示有更多新的晶粒出现。右图在580ºC保温8秒后，粗大的带有滑移线的晶粒已完全被细小的新晶粒所取代，即完成了再结晶。*左图是在580ºC保温15分后的金相组织。晶粒已有所长大。右图则是在700ºC保温10分后晶粒长大的情形。*二.性能变化1.力学性能(1)硬度(hardness)和强度(strenth)：二者具有相似的变化规律。回复阶段，变化不大，由于变形金属仍然保持高密度的位错；再结晶阶段明显下降，由于位错密度下降；晶粒长大阶段，强度、硬度继续下降。(2)塑性：回复阶段，变化不大;再结晶阶段明显上升；晶粒长大阶段，塑性继续提高，粗化严重时下降。2.物理性能(1)电阻率(resistance)：温度升高，电阻率下降。(2)密度(density)：回复阶段变化不大，再结晶阶段急剧上升。*SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E*退火温度与黄铜强度、塑性和晶粒大小的关系右图来 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 黄铜的强度、塑性和晶粒大小与再结晶退火温度以及各个阶段的关系。退火温度愈高晶粒长得愈大，拉伸强度下降得愈多，塑性则增加得愈多。 *3.内应力：回复阶段基本消除第一类内应力（宏观应力），部分消除第二、三类内应力，而微观应力消除需再结晶后才能完成。4.亚晶粒(sub-grain)尺寸：5.储存能释放(releaseofstoredenergy)：储存能存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％）变形功。加热时原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。*5.3.2回复一、回复动力学回复驱动力(drivingforces)为形变储存能(storedenergy)。是通过点缺陷消除、位错的对消和重新排列来实现的；过程是均匀的。回复阶段不涉及大角度晶面的迁动。*1、回复动力学曲线*2.回复动力学特点:(1)回复过程在加热后立刻开始，没有孕育期，随着退火的开始进行，发生软化。(2)在一定温度下，初期的回复速率很大，以后逐渐变慢，直到最后回复速率为零。同一变形度的Fe在不同温度等温退火后的性能变化曲线(3)每一温度的回复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此极限所需时间则越短。(4)变形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加快回复速率。但回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。*3.回复动力学方程:加工硬化残留率与退火温度和时间的关系：ln(x0/x)=C0texp(－Q/RT)或lnt=A+Q/RT同一变形度的Fe在不同温度等温退火后的性能变化曲线若用两不同温度将同一冷变形金属等温回复到同一程度，则有:t1/t2=exp[－Q(1/T2－1/T1)/R]*二、回复机制回复时空位迁动和消失是不会影响显微组织的，只有涉及位错迁动时才会影响显微组织。位错迁动和重排引起的显微组织变化主要是多边形化和亚晶形成和长大。一般认为是点缺陷和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的组态和分布。*1. 低温回复：回复的机制是点缺陷的迁移。主要是过剩空位的消失，趋向于平衡空位浓度。低温回复时因温度较低，原子活动能力有限，一般局限于点缺陷的运动，通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，使冷变形过程中形成的过饱和空位浓度下降。对点缺陷敏感的电阻率此时会发生明显下降。*2. 中温回复：其主要机制是位错滑移导致位错重新组合；异号位错会聚而互相抵消以及亚晶粒长大。中温回复时因温度升高，原子活动能力也增强，除点缺陷运动外，位错也被激活，在内应力作用下开始滑移，部分异号位错发生抵消，因此位错密度略有降低。*3.高温回复:回复机制主要与位错的攀移运动有关。包括攀移在内的位错运动和多边化(polygonization)，以及亚晶粒合并。多边化泛指回复过程中有位错重新分布而形成确定的亚晶结构的过程。其驱动力来自应变能的下降。高温回在较高温下，同一滑移面上的同号刃型位错在本身弹性应力场作用下，还可能发生攀移运动，最终通过滑移和攀移使得这些位错从同一滑移面变为在不同滑移面上竖直排列的位错墙，以降低总畸变能。*回复过程中的位错攀移与滑移位错在多边化过程中重新分布*多边化产生的条件:(1)塑性变形使晶体点阵发生弯曲。(2)在滑移面上有塞积的同号刃型位错。(3)需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动。*多晶体亚晶形成过程：多系滑移→位错缠结→位错胞→位错网→多边化→亚晶界。晶内位错胞，胞内位错密度低，胞间高位错密度的位错缠结构成的漫散胞壁。胞内位错变少，胞壁位错重新排列和对消，使胞壁减薄变锋锐，形成位错网络。转化为亚晶(界)。相邻的亚晶界中所含的是反号位错，通过位错的运动，这些亚晶很易和很快聚合，形成一个大的亚晶。*三、回复退火的应用回复机制与性能的关系：内应力降低；弹性应变基本消除;硬度、强度下降不多，是因为位错密度降低不明显，亚晶较细；空位减少，位错应变能降低，电阻率明显下降。第一类内应力的存在将导致零件的开裂。主要用作去应力退火，使冷加工金属在基本上保持加工硬化的状态下降低其内应力，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高耐蚀性。*5.3.3再结晶冷变形后的金属加热到一定温度后，在原来的变形组织中产生无畸变的新晶粒，而且性能恢复到变形以前的完全软化状态，这个过程称为再结晶。再结晶是一个显微组织重新改组，变形储存能充分释放，性能显著变化的过程，其驱动为回复后未被释放的变形储存能。这部分主要内容：再结晶过程、再结晶动力学、再结晶温度、影响再结晶的因素、再结晶后、再结晶全图。*加热时冷变形再结晶形核和长大示意图*铁素体变形80%670℃加热650℃加热*一、再结晶过程再结晶过程是形核和长大，但无晶格类型变化。1.形核再结晶晶核是现存于局部高能区域内的，以多边化形成的亚晶为基础形核。其形核机制有：(1)晶界弓出(凸出)形核机制：对于变形度较小(<20%)的金属，再结晶核多以这种方式。弓出形核时所需能量条件为：△Es≧2γ/L原有晶界弓出的形核机制一般发生在形变较小的金属中，变形不均匀，位错密度不同晶界弓出形核*(2)亚晶形核对于变形度较大的金属，再结晶形核亚晶形核方式，主要有：①亚晶合并机制：在变形度大且具有高层错能的金属中。②亚晶迁移机制：在变形度大，而层错能低的金属中，通过亚晶合并和亚晶长大，使亚晶界与基体间的取向差增大，直至形成大角度晶界，便成为再结晶的核心。*2.长大再结晶晶核形核之后，依靠晶界的迁移而长大的。以弓出方式形成的晶核，当r>rc便会借助于界面向高畸变区域长大。以亚晶迁移机制形成的晶核，一旦形成大角度晶界就可迅速移动，扫除其遇到的位错，留下无应变的晶体。晶界迁移的驱动力为无畸变新核心、周围畸变的旧晶粒之间的应变自由能差。迁移方向总是背向曲率中心，向着畸变区推进，直到完全形成无畸变晶粒。注：再结晶不是相变过程！*二、再结晶动力学再结晶动力学：取决于形核率N和长大速率G的大小。再结晶条件：(1)形核率不随时间变化；(2)形核地点在整个体积内随机分布；(3)所有核心的长大速度相同，不随时间变化；(4)核心在相碰处停止长大。导出动力学Johnson-Mehl方程:*再结晶动力学曲线表示T—φR—τ关系曲线，其特点：(1)恒温动力学曲线呈“S”形特征；有一孕育期；(2)等温下，再结晶速度呈现“慢、快、慢”的特点。再结晶体积分数约为0.5时，速度达到最大值。(3)温度越高，转变速度越快。再结晶也是一个热激活过程，实际上N和G是变化的，其速度V与温度T之间关系可用Avrami 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 描述。在两个不同温度下等温产生同样程度的再结晶所需的时间分为，则有5.29式。*三、再结晶温度再结晶温度(recrystallizationtemperature)：再结晶并没有一个热力学意义的明确临界温度。一般为冷变形金属开始进行再结晶最低温度，或在一定时间内(一小时)刚好完成再结晶的温度。测定方法：金相法和硬度法实际生产上确定方法：纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系:TR=(0.35～0.40)Tm金属熔点越高，TR也越高。注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。**四、影响再结晶的因素1.变形程度：金属预先变形度增大、开始TR下降，等温退火时再结晶速度越快；而大到一定程度，TR趋于稳定。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。如：纯Zr当面积缩减13%时，557℃完成等温再结晶需40h；当面积缩减51%时，557℃完成等温再结晶需16h。T再与ε的关系*2.原始晶粒尺寸：其它条件相同时，金属原始晶粒细小，再结晶形核位置多，则TR越低，同时形核率和长大速度均增加，有利于再结晶。*3.微量溶质原子：其作用一方面以固溶状态存在于金属中，会产生固溶强化作用，有利于再结晶；另一方面溶质原子偏聚于位错和晶界处，起阻碍作用。总体上起阻碍作用，使TR提高。合金元素对铁再结晶温度影响*4.第二相粒子：其作用是两方面的，这主要取决于分散相粒子大小与分布。第二相粒子尺寸较大，间距较宽(>1㎛)，促进再结晶。第二相粒子尺寸较小且又密集分布时阻碍再结晶形成。当合金中溶质浓度超过其固溶度后，就会形成第二相，多数情况下，这些第二相为硬脆的化合物，在冷变形过程中，一般不考虑其变形，所以合金的再结晶也主要发生在基体上。当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并在颗粒周围留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗粒周围畸变严重，促进再结晶，降低再结晶温度；当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生明显聚集，因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结晶晶核的长大过程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作用，因此使得再结晶过程更加困难，提高再结晶温度。*5.退火工艺参数：加热速度过于缓慢或极快时，TR上升；当变形程度和保温时间一定，退火温度越高，形核率和G增加，再结晶速度快；在一定范围内延长保温时间，使原子扩散充分，TR下降。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100~200℃。*五、再结晶后晶粒大小再结晶晶粒的平均直径d与形核率及长大速度之间的关系如下：d=k[G/N]1/4*影响再结晶晶粒大小的因素：1.变形程度的影响：变形度很小时，晶粒尺寸为原始晶粒尺寸；临界变形度εc时，晶粒特别粗大，一般金属εc=2～10%;当变形度大于εc时，随变形度增加，再结晶刚完成的晶粒逐渐细化。***3%变形后经550℃退火6%变形后经550℃退火9%变形后经550℃退火12%变形后经550℃退火15%变形后经550℃退火冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响(纯铝片试样)2.退火温度：退火温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶粒粗化；当变形程度和保温时间一定时，退火温度越高，所得到的晶粒越粗大。原因是再结晶后晶粒长大的结果，即：温度高原子扩散能力强晶界迁移快晶粒越大60%变形后450℃退火60%变形后500℃退火低碳钢变形度及退火温度对再结晶晶粒大小的影响*60%变形后700℃退火60%变形后600℃退火60%变形后800℃退火再结晶退火温度对晶粒度的影响*3.原始晶粒尺寸：当变形度一定时原始晶粒越细，驱动力越大，形核位置越多，使晶粒越小。4.微量溶质原子和杂质元素一般都能起细化再结晶晶粒的作用。增加储存能，阻碍晶界移动，有利于晶粒细化。在其他条件相同的情况下，凡延缓再结晶及阻碍晶粒长大的合金元素或杂质均使金属再结晶后得到细晶粒组织。*冷变形钢板焊缝区附近的组织和强度*六、再结晶全图再结晶全图是表示变形程度、退火温度及再结晶后晶粒大小关系的立体图形。再结晶全图*七、再结晶的应用再结晶的用途：恢复变形能力，改善显微组织，再结晶退火消除各向异性，提高组织稳定性。再结晶退火温度：T再＋100～200℃。 *思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 铸件能否用再结晶的方法来细化晶粒?不能。因为再结晶是指经冷塑性变形后的金属在加热的过程中组织和性能回复到冷塑性以前的水平，而铸件没有塑性变形，无形变储存能。*Mg-3Al-0.8Zn合金退火组织a.正常再结晶，b.晶粒长大，c.二次再结晶5.3.4晶粒长大*再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小(等轴晶)，若继续升温或延长保温时间，晶粒会继续长大。晶粒长大是一个自发过程。晶粒长大的驱动力来自总的界面能的降低。根据再结晶后晶粒长大特点，分为:(1)正常晶粒长大(normalgraingrowth):均匀长大(2)异常晶粒长大(abnormalgraingrowth):不均匀长大，又称二次再结晶(secondaryrecrystallization)；把通常说的再结晶称为一次再结晶(primaryrecrystallization)。*一、晶粒正常长大1.晶粒长大的方式：长大是通过大晶粒吞食小晶粒，晶界向曲率中心的方向移动进行的。2.驱动力：来源于晶界迁移后体系总的自由能的降低，总的界面能的降低。即晶界凸侧晶粒不断长大，凹侧晶粒不断缩小。3.晶粒大小:平均晶粒直径与保温时间关系如式5.32。式中表明在恒温下发生正常晶粒长大时，平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大。当金属中存在阻碍晶界迁移的因素(如杂质)时，t的指数项小于1/2。三晶粒平衡状态*4.影响晶粒长大的因素(1)温度T升高，晶界迁动速度越大，晶粒长大速度也越快，越易粗化   　　　　　u0为常数，Q为晶粒长大的激活能*(2)杂质与微量元素金属中微量元素对晶粒长大有显著影响。如在区熔锡中加入0.005%（原子）的银、铅、铋，就可显著降低晶界的迁动速度，增加晶界迁动激活能。铅在300℃时晶界迁动速度与锡含量的关系*(3)分散相微粒当合金中存在第二相微粒时，粒子对晶界的阻碍作用使晶粒长大速度降低。正常长大停止时晶粒平均尺寸称为极限平均晶粒尺寸，其值为式，极限平均晶粒尺寸决定于分散相粒子的尺寸及所占的体积分数。当φ一定、r越小时，极限平均晶粒尺寸越小。利用分散微粒阻碍高温下晶粒的长大，已广泛应用于金属材料和非金属材料中，如：①钢中加入V、Ti、Nb等，可形成TiN、TiC、VC、NbC、VN、NbN等粒子有效阻碍高温下钢的晶粒长大；②在陶瓷烧结中也常利用分散相微粒防止晶粒粗化。*(4)晶粒间位向差一般小角度晶界或具有孪晶结构的晶界迁移速度很小；大角度晶界迁移速度一般较快。*二、晶粒异常长大晶粒异常长大(二次再结晶、不连续晶粒长大)：如将再结晶完成后的金属继续加热超过某一温度，则会有少数几个晶粒突然长大，它们的尺寸可能达到几个厘米，而其他晶粒仍保持细小。最后小晶粒被大晶粒吞并，整个金属中的晶粒都变得十分粗大。这种晶粒长大叫做异常晶粒长大或二次再结晶。1.驱动力：来自总界面的降低。(注意：不是重新形核)2.长大方式：少数晶粒突发性地迅速地粗化，使晶粒间的尺寸差别显著增大。不需重新形核。3.机制：钉扎晶界的第二相溶于基体；再结晶织构中位向一致晶粒的合并；大晶粒吞并小晶粒.*二次再结晶示意图*4.晶粒异常长大条件：组织中存在使大多数晶粒边界比较稳定或被钉扎(Zenerpinning)而只有少数晶粒边界易迁移的因素。这些因素为：再结晶后组织中有细小弥散的第二相粒子，起钉扎作用。再结后形成再结晶织构，晶粒位向差小，晶界迁移率小。若金属为薄板，则在一定的加热条件下有热蚀沟出现钉扎位错。一次再结晶后产生了组织不均匀现象，存在个别尺寸很大的晶粒。*5.对性能的影响：织构明显，各向异性，优化磁导率；晶粒大小不均，性能不均；得到粗大组织，降低材料的室温力学性能，降低强度和塑韧性，提高表面粗糙度；大多数情况下应当避免。*二次再结晶的一般规律：①二次再结晶中形成的大晶粒不是重新形核后长大的，它们是初次再结晶中形成的某些特殊晶粒的继续长大。②这些大晶粒在开始时长大得很慢，只是在长大到某一临界尺寸以后才迅速长大。③二次再结晶完成以后，有时也有明显的织构。这种织构总是和初次再结晶得到的织构明显地不同。④和正常的晶粒长大一样，二次再结晶助驱动力也是晶界能。⑤要发生二次再结晶，加热温度必须在某一温度以上。通常最大的晶粒尺寸是在加热温度刚刚超过这一温度时得到的。当加热温度更高时，得到的二次再结晶晶粒的尺寸反而较小，原因是发生了重结晶。⑥晶粒的异常长大一般是在晶粒正常长大过程被分散相粒子、结构或表面热蚀沟等强烈阻碍情况下发生的。*一、再结晶织构冷变形金属在再结晶过程中形成的织构。再结晶织构(recrystallizationtexture)—再结晶织构与原冷变形织构间存在三种情况：(1)与原有的织构相一致(2)原有织构消失而形成新的织构(3)原有织构消失不再形成新的织构再结晶织构理论：(1)取向形核理论(orientednucleationtheory)(2)取向生长理论(orientedgrowththeory)5.3.5再结晶织构与退火孪晶*二、退火孪晶退火孪晶:不易产生形变孪晶的fcc金属或合金，冷变形后经再结晶退火后形成的孪晶。是由于新晶粒界面在推进过程中由于某些原因(如热应力等)而出现堆垛层错而造成的。典型的退火孪晶形态：A.晶界交角处的退火孪晶B.贯穿整个晶粒的完整退火孪晶C.一端终止于晶内的不完整退火孪晶退火孪晶的形成机制：在再结晶晶粒长大时晶界发生迁移出现层错形成的。*退火孪晶的形成与层错能有关。一般层错能低的晶体容易形成孪晶。Cu和奥氏体钢的层错能低，易形成孪晶。纯铜的退火孪晶**第四节本节 小结 学校三防设施建设情况幼儿园教研工作小结高血压知识讲座小结防范电信网络诈骗宣传幼儿园师德小结 1、低温回复、中温回复、高温回复、再结晶、二次再结晶、晶粒长大、正常长大、异常长大；再结晶温度、多边化；冷加工、热加工，再结晶温度、临界变形度。静态回复与动态回复、静态再结晶和动态再结晶。2、冷变形金属或合金加热时组织和性能的变化；3、再结晶的有关问题：回复、再结晶、晶粒长大和二次再结晶的驱动力；回复、再结晶和晶粒长大的动力学公式及应用。回复、再结晶和晶粒长大过程中位错运动的特点。结晶、多晶型转变(重结晶)、再结晶和二次再结晶的区别结合热处理，去应力退火与再结晶退火工艺的制定与应用。