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7回复与再结晶

发布时间:2019-12-31 20:07    点击次数:153次   

  7回复与再结晶_工学_高等教育_教育专区。第七章 回复与再结晶 金属经过冷塑性变形自由能升高, 金属经过冷塑性变形自由能升高,处于热 力学亚稳状态。原子获得足够的活动性, 力学亚稳状态。原子获得足够的活动性,冷 变形金属会自发向低能稳定态转变

  第七章 回复与再结晶 金属经过冷塑性变形自由能升高, 金属经过冷塑性变形自由能升高,处于热 力学亚稳状态。原子获得足够的活动性, 力学亚稳状态。原子获得足够的活动性,冷 变形金属会自发向低能稳定态转变,这种转 变形金属会自发向低能稳定态转变, 个阶段。 回复、 变过程分为回复、再结晶和晶粒长大3个阶段。 1 2 第一节 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化 一、显微组织的变化 将经过较大冷变形量的金属用比较缓慢的速度 将经过较大冷变形量的金属用比较缓慢的速度 较大冷变形量的金属 加热, 加热,观察组织变化可 3 回复阶段:显微组织为纤维状,无可见变化; 回复阶段:显微组织为纤维状,无可见变化; 再结晶阶段: 变形晶粒通过形核长大, 再结晶阶段 : 变形晶粒通过形核长大 , 逐渐转 变为新的无畸变的等轴晶粒。 变为新的无畸变的等轴晶粒。 晶粒长大阶段: 晶界移动、 晶粒粗化, 晶粒长大阶段 : 晶界移动 、 晶粒粗化 , 达到相 对稳定的形状和尺寸。 对稳定的形状和尺寸。 4 二 性能变化 1 物理性能 密度:在回复阶段变化不大, 密度:在回复阶段变化不大,在再结晶阶段急 剧升高; 剧升高; 电阻:电阻在回复阶段可明显下降 电阻: 5 2 力学性能 回复:强度、硬度略有下降,塑性略有提高。 回复:强度、硬度略有下降,塑性略有提高。 再结晶:强度、硬度明显下降,塑性明显提高。 再结晶:强度、硬度明显下降,塑性明显提高。 晶粒长大:强度、硬度继续下降,塑性继续提 晶粒长大:强度、硬度继续下降, 粗化严重时下降。 高,粗化严重时下降。 6 3 内应力的变化 回复阶段:大部分或全部消除第一类内应力, 回复阶段:大部分或全部消除第一类内应力, 部分消除第二、三类内应力; 部分消除第二、三类内应力; 再结晶阶段:内应力可完全消除。 再结晶阶段:内应力可完全消除。 7 第二节 回复 一 回复过程中微观结构的变化机制 回复——冷变形金属加热时, 回复——冷变形金属加热时,尚未发生光学显 ——冷变形金属加热时 微组织变化前(即再结晶前) 微组织变化前(即再结晶前)的微观结构及性 能的变化过程。 能的变化过程。 驱动力:弹性畸变能的降低。 驱动力:弹性畸变能的降低。 8 特点: 特点: 组织不变; 组织不变; 力学性能基本不变; 力学性能基本不变; 内应力明显下降。 内应力明显下降。 9 1 低温回复 Tm) 温度: 温度:(0.1~0.3Tm) 特点:温度较低,原子活动能力有限, 特点:温度较低,原子活动能力有限,主要局限 点缺陷的运动,空位浓度显著下降。 于点缺陷的运动,空位浓度显著下降。 2 中温回复 温度:(0.3~0.5Tm) 温度:(0.3~0.5Tm) :(0.3 特点:原子活性能力增强,位错也被激活,位错 特点:原子活性能力增强,位错也被激活, 密度也有所下降 10 3 高温回复 温度:较高温度(0.5Tm) 温度:较高温度(0.5Tm) 特点:位错可以被充分激活, 特点:位错可以被充分激活,使同号刃型位错 沿垂直于滑移面的方向排成小角度亚晶界—— 沿垂直于滑移面的方向排成小角度亚晶界—— 多边形化 多边化的驱动力:应 变能的下降 多边形化的实现:攀 移+滑移 刃型位错攀移 和滑移过程 11 二 回复动力学 1 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系 ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT) x0 – 原始加工硬化残留率 ; x - 退火时加工硬 原始加工硬化残留率; 化残留率; 化残留率; c0-比例常数;t-加热时间;T-加热温度。 比例常数; 加热时间; 加热温度。 12 叙述时间和温度 对回复的影响? 对回复的影响? 13 2 动力学曲线特点 没有孕育期; 没有孕育期; 开始变化快 , 随后 变慢; 变慢; 长时间处理后 , 性 能趋于一平衡值。 能趋于一平衡值。 14 三 回复退火的应用 去应力退火:降低应力(保持加工硬化效果) 去应力退火:降低应力(保持加工硬化效果), 防止工件变形、开裂,提高耐蚀性。 防止工件变形、开裂,提高耐蚀性。 举例冷拉钢丝冷卷弹簧的去应力退火。 举例冷拉钢丝冷卷弹簧的去应力退火。 15 第二节 再结晶 再结晶:当变形金属被加热到较高温度时, 再结晶 当变形金属被加热到较高温度时,由 当变形金属被加热到较高温度时 于原子活动能力增大, 于原子活动能力增大,晶粒的形状开始发生变 被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大, 化,被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大, 变成新的均匀 细小的等轴晶粒的过程 均匀、 的过程。 变成新的均匀、细小的等轴晶粒的过程。 再结晶的驱动力: 再结晶的驱动力:弹性畸变能的降低 16 再结晶的形核和长大过程 17 再 结 晶 的 形 核 和 长 大 过 程 18 再结晶过程特点 再结晶的过程:再结晶过程也由形核和长大两 再结晶的过程:再结晶过程也由形核和长大两 形核 个阶段组成。 个阶段组成。 1)组织恢复到变形前的状态。 组织恢复到变形前的状态。 2)加工硬化现象被消除。 加工硬化现象被消除。 对比回复与再 结晶的性能 3)经过再结晶过程之后,内应力完全消除。 经过再结晶过程之后,内应力完全消除。 19 一、再结晶的形核及长大 再结晶的核心一般通过两种方式形成, 再结晶的核心一般通过两种方式形成,即晶 界凸出形核和 界凸出形核和亚晶形核 1晶界凸出形核 条件:冷变形度较小的金属。 条件:冷变形度较小的金属。 模型: 为相邻晶粒, 模型:设A、B为相邻晶粒,B晶粒中的位错密度 A晶粒 晶粒, 晶粒的畸变能较高。发生再结晶时, A晶粒,即B晶粒的畸变能较高。发生再结晶时, 晶界会通过晶界迁移向B晶粒内凸出, 晶界会通过晶界迁移向B晶粒内凸出,成为再结 晶晶核。 晶晶核。 20 凸出形核所需的能量条件: 2σ ?Ε l 21 B晶粒中形成的亚 晶较A 晶较A晶粒中形成 的亚晶细小? 的亚晶细小? 晶界弓出形核, 晶界弓出形核,凸向亚晶粒小的方向 22 亚晶形核机制—— ——变形量较大时 2 亚晶形核机制——变形量较大时 因金属变形量大, (因金属变形量大,每个晶粒变形程度相差不 晶界两侧晶粒内畸变能相近, 大,晶界两侧晶粒内畸变能相近,再结晶核心 直接借助晶粒内某些无应变的亚晶成核) 直接借助晶粒内某些无应变的亚晶成核) 1)亚晶合并形核 23 亚晶直接长大形核(吞并其它亚晶) 2) 亚晶直接长大形核(吞并其它亚晶) 某些取向差较大 的亚晶界具有较 高的移动性, 高的移动性,可 以直接吞食相邻 亚晶粒 24 晶界迁移的驱动力: 晶界迁移的驱动力:相邻晶粒间的畸变能差 晶界移动的方向:背向其曲率中心 晶界移动的方向: 二 再结晶动力学 再结晶速度与温度的关系( 热激活过程) ( 1 ) 再结晶速度与温度的关系 ( 热激活过程 ) v再=Aexp(-QR/RT) exp((2)规律 开始时再结晶速度很小,在体积分数为50 50% 开始时再结晶速度很小,在体积分数为50%时 最大,然后减慢。 最大,然后减慢。 25 26 三 再结晶温度 1 再结晶与相变的区别 共同点: 形核-长大过程; 共同点:①形核-长大过程; 都使组织形态发生了彻底改变; ②都使组织形态发生了彻底改变; 转变动力学也有固态相变特点。 ③转变动力学也有固态相变特点。 区别: 区别: ① 再结晶前后各晶粒的点阵结构类型和成分都 未变化。 未变化。 再结晶温度不像结晶那样有确定的转变温度。 ② 再结晶温度不像结晶那样有确定的转变温度 。 再结晶不是相变 27 2 再结晶温度 定义: 定义:冷变形金属开始进行再结晶的最低温度 测定方法:金相法、硬度法和X 测定方法:金相法、硬度法和X射线衍射法 实际生产中的再结晶温度: 实际生产中的再结晶温度: 经严重冷变形( 变形量70% 的金属或合金, 经严重冷变形 ( 变形量 70% ) 的金属或合金 , 在 1h 内能够完成再结晶的 ( 再结晶体积分数 95% 最低温度。 95%)最低温度。 高纯金属: 25~ 35)Tm )Tm。 高纯金属:T再=(0.25~0.35)Tm。 经验公式 工业纯金属: (0.35~0.45)Tm Tm。 工业纯金属:T再=(0.35~0.45)Tm。 合金: (0.4~0.9)Tm Tm。 合金:T再=(0.4~0.9)Tm。 28 注 : 用于生产中再结晶退火温度一般比上述温 度高100 200℃ 100~ 度高100~200℃。 变形量越大,驱动力越大, ①变形量越大,驱动力越大,再结晶 温度越低; 温度越低; 纯度越高,再结晶温度越低; 影响因素 ②纯度越高,再结晶温度越低; 加热速度太低或太高, ③加热速度太低或太高,再结晶温度 提高。 提高。 29 四 影响再结晶的因素 退火温度 温度越高, 温度越高,再结 晶速度越大。 晶速度越大。 变形程度 变形量越大, 再结晶温度越低; 变形量越大 , 再结晶温度越低 ; 随变形量增大, 随变形量增大 , 结晶温度趋于 稳定; 稳定; 变形量低于一定值, 变形量低于一定值 , 再结晶不 能进行。 能进行。 30 变形程度 原始晶粒尺寸 晶粒越小, 晶粒越小,驱动 力越大; 力越大;晶界越 有利于形核。 多,有利于形核。 31 微量溶质元素。 微量溶质元素。 阻碍位错和晶界的运动,不利于再结晶。 阻碍位错和晶界的运动,不利于再结晶。 32 第二相 间距和直径都较大时,提高畸变能, 间距和直径都较大时,提高畸变能,并可作为形 核核心,促进再结晶; 核核心,促进再结晶; 直径和间距很小时,提高畸变能,但阻碍晶界迁 直径和间距很小时,提高畸变能, 阻碍再结晶。 移,阻碍再结晶。 33 五 再结晶晶粒大小的控制 再结晶晶粒的平均直径 d=k[G/N]1/4 存在临界变形量 , 生产 中应避免临界变形量。 中应避免临界变形量。 变形度为2%~8%时, 时 变形度为 再结晶后的晶粒特别粗 大,此时的变形度即所 谓临界变形度 34 六 再结晶的应用 恢复变形能力 改善显微组织 消除各向异性 提高组织稳定性 再结晶退火 再结晶温度: 100~200℃ 再结晶温度:T再+100~200℃。 35 第四节 晶粒长大 晶粒长大: 晶粒长大 :再结晶过程结束之后发生的晶粒长 大过程。 大过程。 条件: 条件:继续升温或者延长保温 与再结晶的驱 驱动力:界面能差; 界面能差; 动力比较? 动力比较? 长大方式:正常长大; 长大方式:正常长大; 异常长大(二次再结晶) 异常长大(二次再结晶) 36 一、晶粒的正常长大 1 晶粒的长大方式 长大是以大角度晶界迁移、 长大是以大角度晶界迁移、晶粒相互吞食方式 进行的。 进行的。 晶粒长大是通过大晶粒吞食小 晶粒, 晶界向曲率中心移动的 晶粒 , 晶界向曲率中心移动 的 方式进行的。 方式进行的。 方向恰恰和再结晶过程晶粒长大相反 图7-14 铝晶粒长大的晶界迁移 (1-迁移前的晶界位置 2-迁移后 的晶界位置) 的晶界位置) 37 2 晶粒长大的驱动力 界面能差。(即总的界面能降低) 界面能差。(即总的界面能降低) 。(即总的界面能降低 3 晶粒的稳定形状 晶粒长大的极限:晶界平直状,迁移停止。 晶粒长大的极限:晶界平直状,迁移停止。 长大后的晶粒稳定的条件:晶界趋于平直; 长大后的晶粒稳定的条件:晶界趋于平直;晶界 夹角趋于120 夹角趋于120。; 界面张力平衡规律决定 决定) (由界面张力平衡规律决定) 38 Τ3 Τ1 Τ2 = = sin θ 1 sin θ 2 sin θ 3 39 三维空间多晶体晶粒的 稳定形状 二维晶粒长大的结果: 大于6变形,长大; 小于6变形,缩小直至消失 等于6变形,稳定 40 二 晶粒的异常长大 1 异常长大的现象 异常长大:再结晶完成后, 异常长大:再结晶完成后,少数再结晶晶 粒的急剧长大现象。 粒的急剧长大现象。 别名: 别名:二次再结晶 驱动力: 驱动力:体系的总界面能降低 41 过程:大吃小 42 2 异常长大的原因 1)温度过高造成细小、弥散的第二相粒子的局 温度过高造成细小、 部溶解, 部溶解,使得个别晶界在长大中不受钉扎或者 钉扎极少。 钉扎极少。 43 2)少数位向差大的大角度晶界有较高的迁移 此处晶粒能迅速长大。 率,此处晶粒能迅速长大。 3)热蚀钩钉扎晶界。使少数晶粒边界可迁移, 热蚀钩钉扎晶界。使少数晶粒边界可迁移, 便易发生二次再结晶。 便易发生二次再结晶。 4)个别大尺寸初始晶粒,晶界迁移率高于其他 个别大尺寸初始晶粒, 晶界,就会迅速长大。 晶界,就会迅速长大。 二次再结晶和一次再结晶的驱动力相同, 二次再结晶和一次再结晶的驱动力相同,长大规律相同 44 3 组织和性能的影响 各向异性 织构明显 晶粒大小不均 晶粒粗大 优化磁导率 性能不均 降低强度/ 降低强度/塑韧性 提高表面粗糙度 45 三 再结晶退火的组织 1 再结晶退火 目的: 软化金属为后续加工作组织准备( 目的 : 软化金属为后续加工作组织准备 ( 中间 退火) 退火) 冷变形后细化晶粒,改善组织(最终退火) 冷变形后细化晶粒,改善组织(最终退火) 46 2 再结晶组织 再结晶图。 1再结晶图。 退火温度、 退火温度、变形量与晶 粒大小的关系图。 粒大小的关系图。 47 2)退火孪晶:再结晶退火后出现的孪晶。是由 退火孪晶:再结晶退火后出现的孪晶。 于再结晶过程中因晶界迁移出现层错形成的。 于再结晶过程中因晶界迁移出现层错形成的。 B 完整退火孪晶(共格) 完整退火孪晶(共格) C 不完整退火孪晶(非共格) 不完整退火孪晶(非共格) A交角处退火孪晶(非共格) 交角处退火孪晶(非共格) 交角处退火孪晶 完整判定: 完整判定:是否贯穿晶粒 共格判定: 共格判定:两侧是否平行 48 退火孪晶是再结晶过程中因晶界迁移出现层错 形成的。 形成的。 面心立方金属的 孪晶界面能低于 一般的大角度晶 界能的程度越大, 越易形成退火孪 晶。 49 3) 再结晶织构 冷变形金属在再结晶过程中形成具有择优取向 的晶粒。 的晶粒。 特点: 与原变形织构可能一致, 特点:①与原变形织构可能一致,也可能不一 致,②与变形织构有一定的取向关系 。 形核模式: 形核模式: 择优形核 择优生长 再结晶织构的性能:各向异性, 再结晶织构的性能:各向异性,使得变形不均 出现“制耳” 匀,出现“制耳”。 50 第五节 金属的热变形 热加工与冷加工的区别 凡在金属的再结晶温度以下进行的塑性变形称 为冷加工;而在再结晶温度以上进行的塑性变 冷加工; 形称为热加工 热加工。 形称为热加工。 冷加工常常产生加工硬化;热加工通常不会带 冷加工常常产生加工硬化; 来强化效果。 来强化效果。 51 热加工温度: 再 热加工 热加工T固 热加工温度:T再T热加工 固-100~200℃。 ~ ℃ 热加工本质:变形中加工硬化 动态软化同时 加工硬化与 热加工本质:变形中加工硬化与动态软化同时 进行的过程 热变形过程中动态软化包括动态回复和 热变形过程中动态软化包括动态回复和动态再 动态软化包括动态回复 结晶两种方式 热变形停止后, 两种方式。 结晶两种方式。热变形停止后,高温下还会发 静态回复和静态再结晶。 生静态回复和静态再结晶。 动态回复、动态再结晶、 动态回复、动态再结晶、 静态回复、 静态回复、静态再结晶区别 52 一 动态回复与动态再结晶 动态回复:在塑变过程中发生的回复。 1 动态回复:在塑变过程中发生的回复。 动态回复过程中的微观变化: 热变形开始阶段 位错密度增加 稳定阶段 位错密度基本恒定 软化过程的实现: 软化过程的实现:通过韧型位错的攀 螺位错的交滑移, 移、螺位错的交滑移,使异号位错对 位错密度降低的结果。 消、位错密度降低的结果。 由于加工硬化和软 化达到平衡, 化达到平衡,位错 增殖和消失平衡 53 动态回复中的组织: 动态回复中的组织: 也发生多边化(类似静态回复) 形成亚晶。 (1)也发生多边化(类似静态回复),形成亚晶。 亚晶在稳定阶段保持等轴状态和恒定尺寸。 亚晶在稳定阶段保持等轴状态和恒定尺寸。 动态回复过程中,变形晶粒不发生再结晶, (2)动态回复过程中,变形晶粒不发生再结晶, 故仍呈纤维状 亚晶的尺寸受变形速率与变形温度的影响,变形速率 越小,变形温度越高,生成的亚晶尺寸也越大。 54 2 动态再结晶:在塑变过程中发生的再结晶。 动态再结晶:在塑变过程中发生的再结晶。 加工硬化阶段 动态再结晶发生 软化硬化 软化 硬化 软化= 软化=硬化阶段 流变应力恒定 低应变速率、 低应变速率、温度增加呈现波浪状 硬化、 硬化、软化交替进行 55 动态再结晶的组织 实现模式:动态再结晶也是通过形成新的大角 实现模式:动态再结晶也是通过形成新的大角 度晶界及随后移动的方式进行的 的方式进行的。 度晶界及随后移动的方式进行的。 动态再结晶和静态再结晶的组织比较: 动态再结晶和静态再结晶的组织比较: (1)长大特点:晶粒形核、长大期间仍受变 长大特点:晶粒形核、 反复形核、 的特点。 形作用,使之具有反复形核 有限生长的特点 形作用,使之具有反复形核、有限生长的特点。 (2)动态再结晶得到等轴晶粒组织,晶粒较 动态再结晶得到等轴晶粒组织, 细小,晶粒大小决定于应变速率和变形温度。 为细小,晶粒大小决定于应变速率和变形温度。 56 二 热加工后的组织与性能 改善铸锭组织。 1 改善铸锭组织。 形成纤维组织(流线 形成纤维组织(流线)。 定义: 定义:热加工可使各种可变形的夹杂物会沿变 形方向拉长呈链状、带状分布,称为流线 流线; 形方向拉长呈链状 、 带状分布 , 称为 流线 ; 也 纤维组织。 不能通过回复和再结晶消除) 称纤维组织。(不能通过回复和再结晶消除) 流线和纤维组织有 何异同? 何异同? 57 组织:枝晶、偏析、 组织:枝晶、偏析、夹 杂物沿变形方向呈纤维 状分布。 状分布。 性能:各向异性。沿流 性能:各向异性。 线方向塑性和韧性提高 明显。 明显。 流线的应用: 流线的应用:流线的分布形态与零件的几何外 形一致并在零件内部封闭。不在外部露头。 形一致并在零件内部封闭。不在外部露头。 例如曲轴工作时最大应力与流线平行, 例如曲轴工作时最大应力与流线平行,冲击力 与流线平行,不易断裂。 与流线 形成带状组织 形成:两相合金变形或带状偏析被拉长 被拉长。 形成:两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响:各向异性。 影响:各向异性。 消除:避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、 消除:避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、 采用高温扩散退火或正火。 采用高温扩散退火或正火。 带状组织和纤维 组织有何异同 60 4 热加工的优点 可持续大变形量加工。 1)可持续大变形量加工。 动力消耗小。 2)动力消耗小。 3)提高材料质量和性能 61 三 超塑性 超塑性: 超塑性 : 某些材料在特定变形条件下呈现的 特别大的延伸率。 特别大的延伸率。 条件:晶粒细小、温度范围(0.5~0.65Tm)、 65Tm Tm) 条件:晶粒细小、温度范围( 应变速率小( 01%/s) 应变速率小(1~0.01%/s)。 本质: 本质 : 多数观点认为是由晶界的滑动和晶粒 的转动所致。 的转动所致。 62 63


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