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1、1,第七章 金属及合金的回复与再结晶,第一节 形变金属与合金在退火过程中的变化第二节 回复第三节 再结晶第四节 晶粒长大第五节 金属的热加工,2,塑性变形功,形变金属在退火过程中发生的现象,热能（大部分）,畸变能,弹性应变能（3-12%）,储存能（小部分）,空位能,位错能（80-90%）,塑性变形后的金属材料的自由能升高,在热力学上处于不稳定状态,有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势,常温下原子活动能力小不能发生明显的变化,提高温度就能实现恢复低能状态,退火,回复,再结晶,晶粒长大,金属发生塑性变形时，外力所做的功，大部分转化为热能，小部分（变形功的10）保留在金属内部，变为残留应力。,3,形
2、变金属在退火过程中发生的现象,回复:,再结晶:,晶粒长大:,新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段；,出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；,再结晶结束之后晶粒的继续长大现象。,4,7-1 形变金属在退火过程中的变化,一、显微组织的变化,二、储存能及内应力的变化,三、力学性能的变化,5,晶粒保持纤维状或扁平状，显微组织上几乎不变化,一、显微组织的变化,7-1 形变金属在退火过程中的变化,回复阶段：,再结晶阶段：,在变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒；随时间的延长新晶粒不断出现并长大，直到完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒。,新晶粒互相吞食长大，得到稳定的尺寸。,晶粒长大阶段
3、:,黄铜退火过程中各个阶段的金相照片,7,二、储存能及内应力的变化,7-1 形变金属在退火过程中的变化,内应力得以松弛；储存能的释放,原子活动能力提高，迁移至平衡位置,第一批再结晶晶粒出现的温度,几乎全部被消除,储存能：,存在于冷变形金属内部的一小部分变形功,剩余内应力可完全被消除,第一类（宏观）内应力,第二类（微观）内应力、第三类内应力（点阵畸变）,部分消除,8,回复阶段：硬度略有下降，塑性有所提高位错密度减少有限再结晶阶段：强度硬度显著降低 塑性大大提高位错密度显著下降,三、力学性能的变化,7-1 形变金属在退火过程中的变化,冷塑性变形,加工硬化,退火,软化,9,7-2 回复退火的早期阶段
4、,一、退火温度和时间对回复过程的影响二、回复机制三、亚结构的变化四、回复退火的应用,冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。,定义,10,一、退火温度和时间对回复过程的影响,图7-4纯铁的屈服强度的回复动力学曲线,7-2 回 复,温度越高，回复的程度越大时间越长，回复的程度越大,对应每一个温度，存在一个回复程度的极限值，温度越高，极限值越高，到达极限值的时间越短,初期变化较大，随后减慢到达极限值后，回复停止,11,一、退火温度和时间对回复过程的影响,7-2 回 复,回复：原子迁移扩散过程,晶体缺陷数量的减少;储存能下降。,纯金
5、属和合金在回复阶段储存能的释放程度不同。,合金在回复阶段释放储存能的70%，大大降低随后的再结晶的驱动力。,合金元素及杂质能够显著推迟金属的再结晶过程。,第一批再结晶晶粒出现的温度,12,低温回复：主要涉及空位的运动，使空位密度大大下降。,二、回复机制,7-2 回 复,回复的微观行为：是空位和位错在退火过程中发生运动，从而改变其数量和组态的过程,力学性能对空位不敏感，其值不出现变化,中温回复：主要涉及位错的运动（滑移）。,位错密度下降，位错缠结重新排列使亚晶规整化,高温回复：主要涉及位错运动（滑移+攀移）。,多边化：,冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂直的
6、亚晶界的过程。,驱动力：储存能的降低,13,二、回复机制,多边化：,冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。,14,多边化使应变能降低,二、回复机制,7-2 回 复,上下相邻的同号刃型位错之间的区域内上面位错的拉应变场正好与下面位错的压应变场相叠加，互相部分抵消,冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积,它们的应变能是相加的，致使晶格弯曲,高温回复过程中，多边化,降低系统的应变能,15,7-3 再 结 晶,一、再结晶晶核的形成与长大二、再结晶温度及其影响因素三、再结晶晶粒长大的控制,16,定义：冷塑性变形后的金属加热到一定温度后，在原来的变形组织中
7、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的过程。,7-3 再 结 晶,驱动力:,冷变形时所产生的储存能的降低,17,注意：再结晶和同素异构转变的异同点再结晶无晶格类型的变化；不是相变同素异构转变有晶格类型的变化；固态相变,7-3 再 结 晶,再结晶晶核的形成位置：,塑性变形引起的最大畸变处,再结晶晶核的形成必要条件：,回复阶段的多边化过程,再结晶和结晶的异同点？,18,（一）形核,一、再结晶晶核的形成与长大,（1）亚晶合并形核（图7-10a）,亚晶合并形核机制,1.亚晶长大形核机制（变形度较大时）,ABC合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶晶核,相邻亚晶界上的位错运动,转移到周围
8、的晶界或亚晶界上，使原来的亚晶界消失,通过原子扩散和位置的调整,使两个或更多的亚晶粒的取向变为一致,19,亚晶界移动形核机制,一、再结晶晶核的形成与长大,(2)亚晶界移动形核（图7-10b）,（一）形核,再结晶晶核,1.亚晶长大形核机制（变形度较大时）,位错密度很高的亚晶界的移动,吞并相邻变形基体和亚晶,亚晶长大形核机制的特点：消耗周围的高能区,变形度,高能区,再结晶晶核,20,2.晶界凸（弓）出形核机制（变形度较小（40%）,一、再结晶晶核的形成与长大,晶界凸（弓）出形核机制,（一）形核,被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体,晶界中的某一段向亚晶粒细小、位错密度高的一侧凸出,
9、21,(二）长大,一、再结晶晶核的形成与长大,无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差。,界面总是向畸变区域推进。界面移动的方向总是背离其曲率中心。,长大规律：,驱动力：,系统自由能的降低(储存能的释放),22,T再、T熔均以热力学温度表示,二、再结晶温度及其影响因素,再结晶温度：,经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成再结晶（95%转变量）的温度。,不是一个物理常数,T再T熔,金属最低再结晶温度与其熔点之间存在的经验公式,变形程度、材料纯度、退火时间等因素的影响，较大范围内变化,23,二、再结晶温度的影响因素,1.变形程度,变形度大储存能越多，再结晶驱动力大，再结
10、晶温度越低。变形度很小，再结晶温度趋于熔点,2.金属纯度,金属的纯度越高，再结晶温度越低,3.加热速度,缓慢，则变形金属在加热过程中有足够的时间进行回复，使储存能减少，再结晶驱动力降低，提高再结晶温度；,4.保温时间,极快，也使再结晶温度升高。这是由于再结晶形核与长大都需要时间，加热速度过快，来不及进行形核与长大，所以推迟到更高的温度才会发生再结晶。,在一定范围内，增加保温时间，有利于降低再结晶温度,7-3 再 结 晶,自学,24,三、再结晶晶粒大小的控制,再结晶晶粒的平均直径,1.变形度,临界变形度,临界变形度：,对应于得到特别粗大晶粒的变形度,临界变形度,晶粒尺寸为原始晶粒尺寸,晶粒特别粗
11、大,=临界变形度,随变形度增加，晶粒逐渐细化,变形度,25,三、再结晶晶粒大小的控制,3.原始晶粒尺寸,当变形度一定时，原始晶粒越细，d越小。,4.合金元素及杂质,一般都能起细化再结晶晶粒的作用。,2.再结晶退火温度,T升高，回复的程度越大，储存能少，使晶粒粗化。,自学,26,7-4 晶粒长大,一、晶粒的正常长大二、晶粒的反常长大三、再结晶退火后的组织,再结晶结束后，若继续升温或延长保温时间，晶粒之间互相吞并而长大过程。,晶粒的正常长大,晶粒的反常长大,长大特征,晶粒长大,：晶粒均匀连续地长大,：晶粒不均匀不连续地长大,27,晶粒细，晶界多，界面能高；晶粒粗，晶界少，界面能低。由细到粗（晶粒长
12、大），高能向低能，自发过程。驱动力与界面能成正比，与曲率半径成反比,一、晶粒的正常长大,7-4 晶粒长大,总的界面能的降低,（一）驱动力：,曲率半径,曲率角度/弧度,晶界的界面能越大，曲率半径越小（或曲率越大）,驱动力越大,晶粒长大前后总的界面能差,有曲率，有驱动力,28,再结晶晶核长大时晶界的移动方向背离曲率中心,一、晶粒的正常长大,晶粒正常长大的规律,弯曲晶界趋向于平直，降低表面能,29,晶粒稳定形状的两个必要条件 1）所有晶界都是直线2）晶界间夹角为120,一、晶粒的正常长大,（二）晶粒的稳定形状,二维坐标中，晶粒边数为6，夹角为120 的晶粒处于平衡状态。边数少于6的晶粒，将逐步缩小边
13、数大于6的晶粒，将逐渐长大,晶粒的稳定形状,二维晶粒的稳定形状,30,(a)10min(b)20min,(c)30min(d)60min,喷射沉积7075+3.0%Al2O3铝合金在600保温不同时间的组织,31,（1）温度（2）杂质与合金元素（3）第二相质点（4）相邻晶粒的位向差 晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关，小角度晶界界面能低，界面移动的驱动力小，晶界移动速度低 大角度晶界界面能高，界面移动的驱动力大，晶界移动速度高,一、晶粒的正常长大,7-4 晶粒长大,（三）影响晶粒长大的因素,32,二、晶粒的反常长大,7-4 晶粒长大,二次再结晶,少数晶粒逐步吞食周围大量小晶粒，其尺寸超过原始晶
14、粒的几十倍或上百倍的晶粒长大过程,特殊条件下的晶粒长大过程,晶粒异常长大过程示意图,33,7-5 金属的热加工,一、金属的热加工与冷加工二、动态回复和动态再结晶三、热加工后的组织与性能,34,一、金属的热加工与冷加工,热加工：在再结晶温度以上的加工过程冷加工：在再结晶温度以下的加工过程,钨的最低再结晶温度约为1200，所以钨即使在稍低于1200的高温下塑性变形仍属于冷加工；锡的最低再结晶温度约为-7，所以锡即使在室温下塑性变形也属于热加工。,冷塑性变形（冷加工）,加工硬化,退火时发生回复和再结晶（软化）,热加工：在再结晶温度以上的加工过程,硬化、软化两个过程同时存在,35,二、动态回复和动态再
15、结晶,静态回复和再结晶：静止状态下发生的回复和再结晶（1）形变中断或终止后的保温过程中发生的回复和再结晶。（2）形变中断或终止后的冷却过程中发生的回复和再结晶。（利用加工余热进行退火；冷加工以后发生的回复和再结晶）,动态回复和动态再结晶：加工过程中发生的回复和再结晶；与变形同时进行的回复和再结晶,（热加工过程中进行的回复与再结晶）,P209图7-26动、静态再结晶的示意图,36,二、动态回复和动态再结晶,热加工的真应力真应变曲线-1,：,应力随应变增大,：,均匀塑性变形，发生加工硬化,：,稳定状态，加工硬化为零,亚结构的变化（位错密度）,没有发生动态再结晶,应力-应变的变化规律,37,二、动态回复和动态再结晶,图7-28 在热加工温度发生动态再结晶时的真应力真应变曲线特征,高应变速率,低应变速率,热加工的真应力真应变曲线-2,：,：,：,应力随应变不断增大,应力达到峰值后下降,应力最后稳定状态,：,曲线呈波浪形,硬化软化硬化软化,应力-应变的变化规律,硬化-软化规律,38,第七章 金属及合金的回复与再结晶,第一节 形变金属在退火过程中的变化第二节 回复第三节 再结晶第四节 晶粒长大第五节 金属的热加工,
