回复与再结晶课件.ppt

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1、回复与再结晶课件,1,冷加工变形：加工硬化，可使位错数量增加，金属的强度和硬度增加,冷加工缺点：内应力，这种残余应力在金属零件进一步加工和使用过程中往往会产生不应有的变形，使用中也会由于大气环境与内应力的共同作用，造成零件的；冷加工也可能使电阻率增加等。这时金属处于一种不稳定状态。,3rd,回复与再结晶课件,2,奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐蚀易在含Cl的介质中发生，裂纹为树枝状。,回复与再结晶课件,3,第五章 回复与再结晶Recovery and recrystallization,消除的方法 退火处理。退火可使原子扩散能力增加，金

2、属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大过程。,回复与再结晶课件,4,recovery,recrystallization,grain growth,5.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化,冷变形金属在加热时的组织变化,回复与再结晶课件,5,冷变形金属在加热时的组织变化,回复recovery是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，在金相显微镜中无明显变化，仍保持原有的变形晶粒形貌，若通过TEM，则可观察到位错组态或亚结构已开始发生变化。,recovery,recrystallization,grain growth,回复与再结晶课件,6,冷变形金属在加热时的组织变化,recove

3、ry,recrystallization,grain growth,再结晶recrystallization是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。在开始阶段，在畸变较大的区域里产生新的无畸变的晶粒核心，即再结晶的形核过程；然后通过逐渐消耗周围变形晶粒而长大，转变成为新的等轴晶，直至冷变形晶粒完全消失。,回复与再结晶课件,7,冷变形金属在加热时的组织变化,recovery,recrystallization,grain growth,晶粒长大grain growth是指再结晶结束后晶粒的长大过程，在晶界界面能的驱动下，新晶粒会发生合并长大，最终达到一个相对稳定的尺寸。,回复与再结晶课

4、件,8,冷变形金属在加热时的性能变化,A：强度、硬度和塑性 strength, hardness and ductility：回复阶段变化非常小，再结晶时硬度降低，塑性升高，晶粒长大后趋于缓慢。,回复与再结晶课件,9,B：电阻率resistivity：其大小与点阵中的点缺陷密切相关，随温度升高，空位浓度下降，故电阻率呈现连续下降趋势。,C：内应力inner stress：回复之后，宏观内应力基本消除，微观内应力部分消除；再结晶后，冷变形造成的内应力全部消除。,D：密度density：密度在再结晶阶段急剧增加，主要是由于此时位错密度显著降低造成的。,E：储能的释放energy release：当

5、加热到足以引起应力松弛的温度时，储能就释放出来，再结晶阶段储能释放最多，达到峰值。,回复与再结晶课件,10,黄铜的回复、再结晶和晶粒长大,（a）是黄铜冷加工变形量达到38后的组织，可见粗大晶粒内的滑移线。（b）经过580C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。（c）是在580C保温4秒后，显示有更多新的晶粒出现。（d）在580C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。（e）是保温15分后的金相组织。晶粒已有所长大。（f）则是在700C保温10分后晶粒长大的情形。,回复与再结晶课件,11,退火温度与黄铜强度、塑性和晶粒大小的关系,退火

6、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。,回复与再结晶课件,12,回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。,由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称多边形化 polygonization。,5.2 回复recovery,回复与再结晶课件,13,回复机理 recovery mechanism,移至晶界、位错处点缺陷运动 空位间隙原子 消失 缺陷密度降低 空位聚集（空位群、对）,1 低温回复机制 点缺陷的运动！,回复与再结晶课件,

7、14,异号位错相遇而抵销 位错密度降低位错滑移 位错缠结重新排列 亚晶规整化,2 中温回复机制 位错滑移！,回复与再结晶课件,15,位错攀移（滑移） 位错垂直排列（亚晶界） 多边化（亚晶粒） 弹性畸变能降低。,3 高温回复机制 位错攀移和滑移！,回复与再结晶课件,16,回 复 动 力 学 recovery kinetics,R 屈服强度回复率m 变形后屈服强度r 回复后屈服强度0 原始态的屈服强度,（1-R）愈小，即R 愈大，则回复程度愈大； 回复过程无孕育期，加热立刻开始回复； 初期的回复速率大，随后逐渐变慢； 长时间退火后，性能出现一平衡值； 预变形量愈大，起始回复速率愈大。,回复是一个驰

8、豫过程(relaxation process),回复与再结晶课件,17,在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称去应力退火relief annealing。,回复与再结晶课件,18,回复阶段退火的作用： 提高扩散 促进位错运动 释放内应变能,回复退火产生的结果： 电阻率下降硬度、强度下降不多 降低内应力,回复与再结晶课件,19,回复退火产生的结果： 电阻率下降硬度、强度下降不多 降低内应力,Plastic deformation,Work hardeni

9、ng,Residual stress,加热温度 ,5th,Annealing,Recovery,Recrystallization,Grain growth,?,回复与再结晶课件,20,当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状：破碎拉长的晶粒 等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。,再结晶是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。,5.3 再结晶 recrystallization,回复与再结晶课件,21,由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。,驱动力：变形金属经

10、回复后未被释放的储存能（相当于变形总储能的90%）。,新晶粒长大通过短程扩散，再结晶程度依赖于温度和时间。,再结晶的驱动力？,回复与再结晶课件,22,回复与再结晶课件,23,新晶粒的形核,形核：是在现存的局部高能区域内，以多边化形成 的亚晶为基础形核,变形程度较小 时（小于20%），各晶粒间由于变形不均匀而引起位错密度不同，相应亚晶尺寸不同，为降低系统的自由能，位错密度小的晶粒中的亚晶通过晶界凸入另外晶粒中，以吞食方式开始形成无畸变的再结晶晶核。,1. 晶界弓出形核（应变诱导晶界移动、凸出形核）,形核机制,回复与再结晶课件,24,2. 亚晶形核：变形程度较大时发生此机制，又分为两种,（a）亚晶

11、合并机制：相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆散、位错的攀移、滑移，逐渐转移到周围其它亚晶界上，导致亚晶合并。（b）亚晶迁移机制：位错密度较大的亚晶界，向位向差较大的周围亚晶方向迁移，并逐渐转化为大角晶界，成为形核中心并长大。,（a）,（b）,回复与再结晶课件,25,再结晶的形核率和长大速率,再结晶的形核率是指单位时间、单位体积内形成的再结晶核心的数目，一般用N表示；晶核一旦形成便会继续长大至相邻晶粒彼此相遇，长大速率用G表示。,回复与再结晶课件,26,变形程度的影响：冷变形越大，储能越多，驱动力越大， 长大越快，T再越低,再 结 晶的形核与长大都受到储存能的驱动，主要影响因素有：,原始晶粒尺寸

12、：晶粒越细，变形抗力越大，变形后的储能越高，T再越低；,微量溶质原子：易与位错交互作用，阻碍形核和长大，提高T再；,第二相粒子：可提高、或降低再结晶温度；,退火工艺：加热速度、加热温度、保温时间等工艺参数的影响。,回复与再结晶课件,27,再结晶动力学再结晶体积分数 vs. 时间,约翰逊-梅厄（Johnson-Mehl）方程：,阿弗拉密（Avrami）方程：,假定条件：均匀成核、球形晶核，N、G不随时间改变、恒温,假定条件：均匀成核、球形晶核，N随时间指数衰减、恒温,回复与再结晶课件,28,再结晶,1) 再结晶过程有孕育期；2) 再结晶刚开始速度慢，逐步加快，到再结晶分数为50%时速度最快，随后

13、逐渐变慢,再结晶的特点,回复与再结晶课件,29,再结晶 与 固态相变 异同,再结晶的晶核不是新相，晶体结构未变，而固态相变出现新相； 固态相变倾向于晶界成核，而再结晶以亚晶为基础； 两者动力学过程相似。,固态相变,再结晶,回复与再结晶课件,30,再 结 晶 温 度recrystallization temperature,定义1：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。定义2：工业生产中，以经过大变形量（70%以上）的变形金属，经1h退火后完成再结晶（R95%）所对应的温度。,再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。,回复与再结

14、晶课件,31,T再与的关系,影响再结晶温度的因素：1、金属的预先变形度：金属预先变形程度越大, 再结晶温度越低。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。,纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系: T再(0.35-0.4)T熔， 其中T再、T熔为绝对温度K.金属熔点越高, T再也越高.,T再 = (T熔273，如Fe的T再273=451,Fe的再结晶温度？,回复与再结晶课件,32,2、金属的纯度金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高.eg. C 加入到纯Fe中变成低C钢，再结晶温度变为540 。,回复与再结晶课件,

15、33,5、加热速度和保温时间,提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生, 延长加热时间, 使原子扩散充分, 再结晶温度降低。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火recrystallization annealing。再结晶退火温度比再结晶温度高100200。,3. 原始晶粒尺寸：晶粒越细，再结晶温度越低；4.第二相粒子：可提高、或降低再结晶温度；,回复与再结晶课件,34,再结晶后晶粒的大小,由约翰逊-梅厄方程得再结晶晶粒尺寸d 为：,影响因素,回复与再结晶课件,35,预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响.当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶.当变形达到210%时，只有部

16、分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称临界变形度。,1、预先变形度,当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。对于某些金属，当变形量相当大时(90%)，再结晶后晶粒又重新出现粗化现象，一般认为这与形成织构有关.,预先变形度对再结晶晶粒度的影响,再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小变形量关系图）,回复与再结晶课件,36,2 原始晶粒尺寸:晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多，使晶粒细化。3 合金元素和杂质: 增加储存能，阻碍晶界移动，有利于晶粒细化

17、。4 温度:退火温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶粒粗化；同时临界变形度越小，晶粒粗大。,再结晶退火温度对晶粒度的影响,温度的影响,回复与再结晶课件,37,再结晶全图 ：再结晶退火温度-变形量-再结晶后晶粒尺寸关系,回复与再结晶课件,38,再结晶的应用 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100200。,回复与再结晶课件,39,黄铜再结晶后晶粒的长大,580C保温8秒后的组织,580C保温15分后的组织,700C保温10分后的组织,5.4 再结晶后的晶粒长大grain growth,再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生

18、晶粒长大，这是一个自发的过程。,回复与再结晶课件,40,驱 动 力：界面能差 长大方式： 正常长大； 异常长大（二次再结晶）,回复与再结晶课件,41,晶粒长大 Grain growth 正常长大,正常长大：大多数晶粒几乎同时长大，晶粒长大的驱动力是降低其界面能，晶粒界面的不同曲率是造成界面迁移的直接原因，界面总是向曲率中心的方向移动。,晶粒长大示意图,回复与再结晶课件,42,晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度、尤其是塑性和韧性降低 。,回复与再结晶课件,43,影响晶粒长大的因素(1)温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。(2)分散相粒子。阻碍晶界

19、迁移，降低晶粒长大速率。(3)杂质与合金元素。“气团”作钉扎晶界,不利于晶界移动。(4)晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界， 因而前者的移动速率低于后者。,回复与再结晶课件,44,晶粒长大 Grain growth 异常长大,异常长大（不连续晶粒长大、二次再结晶）： 少数晶粒突发性不均匀长大，使晶粒之间尺寸差别显著增大，直至这些迅速长大的晶粒完全相互接触为止。,形成条件：正常晶粒长大过程被分散相粒子、织构或表面热蚀沟等强烈阻碍，能够长大的晶粒数目较少，致使晶粒大小相差悬殊。,回复与再结晶课件,45,各向异性 织构明显 优化磁导率 对组织和性能的影响 晶粒大小不均 性能不均 降低强度和

20、塑韧性 晶粒粗大 提高表面粗糙度,回复与再结晶课件,46,合金退火组织 a 正常再结晶，b 晶粒长大，c 二次再结晶,回复与再结晶课件,47,再结晶退火的组织1 再结晶织构:对于变形织构的金属及合金，退火可将形变织构消除，也可形成新织构。 择优形核（沿袭形变织构） 择优生长（特殊位向的再结晶晶核快速长大）2 退火孪晶:因晶界迁移出现层错形成的。,700C保温10分后的组织,回复与再结晶课件,48,自由锻,热加工,回复与再结晶课件,49,5.5 金属的热加工,1 冷加工与热加工的区别,低于再结晶温度的加工变形称为冷加工,高于再结晶温度的加工变形称为热加工,热加工： 加工硬化 动态回复与再结晶,F

21、e 的再结晶温度为451，其在400 以下仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为-71，则其在室温下为热加工。,软化,抵消,回复与再结晶课件,50,金属的冷热加工,回复与再结晶课件,51,动态回复与动态再结晶 1 动态回复：在塑变过程中发生的回复。 2 动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。 特点 反复形核，有限长大，晶粒较细。 包含亚晶粒，位错密度较高，强度硬度高。 应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、 快的冷却速度可获得细小晶粒。,回复与再结晶课件,52,2 热加工对金属组织和性能的影响,热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或拄状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒

22、细化，力学性能提高。,热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线，由这种流线体现的组织称纤维组织。它使钢产生各向异性，在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。,吊钩中的纤维组织,回复与再结晶课件,53,在加工亚共析钢时，发现钢中的F与P呈带状分布，这种组织称带状组织。,带状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉长有关。可通过多次正火或扩散退火消除.,正火组织,带状组织,回复与再结晶课件,54,晶粒大小的控制。热加工时动态再结晶的晶粒大小主要取决于变形时的流变应力，应力越大，晶粒越细小。添加微量的合金元素可抑制热加工后的静态再结晶，热加工后的细晶材料具

23、有较高的强韧性。,回复与再结晶课件,55,热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。,回复与再结晶课件,56,Recovery？,Recrystallization？Influencing factorsDrivingRecrystallization temperatureNuclear,6th,Grain growth？Normal and abnormal,回复与再结晶课件,57,3 超塑性 superplasticity超塑性：某些材料在特定变形条件下呈现的特别大的 延

24、伸率500-2000 %。条件：晶粒细小、温度范围（）、应变速率小 （10.01%/s）。本质：多数观点认为是由晶界的滑动和晶粒的转动所致。应用：复杂零件的精密成形；难于热变形材料的加工。,回复与再结晶课件,58,超塑性材料的组织结构特点：A 超塑性变形时尽管变形量很大，但晶粒没有被拉长，仍保持等轴状；B 超塑性变形没有晶内滑移和位错密度的变化；C超塑性变形过程中晶粒有所长大，且形变量越大，应变速率越小，晶粒长大越明显；D超塑性变形时产生晶粒换位，使晶粒趋于无规则排列，可消除再结晶织构和带状组织。,回复与再结晶课件,59,超塑性合金材料种类： 最常用的铝、镍、铜、铁、合金均有1015个牌号，它

25、们的延伸率在2002000之间。如铝锌共晶合金为1000，铝铜共晶合金为1150，纯铝高达6000，碳和不锈钢在150800之间，钛合金在4501000之间。,回复与再结晶课件,60,金属经过塑性变形后,回复,加工硬化,残余应力,退化处理,再结晶,晶粒长大,特点,特点晶粒形核和长大再结晶温度,长大特点,本章小结,回复与再结晶课件,61,Laws of recrystallizationThere are several, largely empirical laws of recrystallization:Thermally activated. The rate of the micros

26、copic mechanisms controlling the nucleation and growth of recrystallised grains depend on the annealing temperature. Arrhenius-type equations indicate an exponential relationship.,回复与再结晶课件,62,Critical temperature. Following from the previous rule it is found that recrystallization requires a minimum

27、 temperature for the necessary atomic mechanisms to occur. This recrystallization temperature decreases with annealing time. Critical deformation. The prior deformation applied to the material must be adequate to provide nuclei and sufficient stored energy to drive their growth.,回复与再结晶课件,63,Laws of

28、recrystallization(cont)There are several, largely empirical laws of recrystallization:Deformation affects the critical temperature. Increasing the magnitude of prior deformation, or reducing the deformation temperature, will increase the stored energy and the number of potential nuclei. As a result

29、the recrystallization temperature will decrease with increasing deformation.,回复与再结晶课件,64,Initial grain size affects the critical temperature. Grain boundaries are good sites for nuclei to form. Since an increase in grain size results in fewer boundaries this results in a decrease in the nucleation r

30、ate and hence an increase in the recrystallization temperature Deformation affects the final grain size. Increasing the deformation, or reducing the deformation temperature, increases the rate of nucleation faster than it increases the rate of growth. As a result the final grain size is reduced by i

31、ncreased deformation.,回复与再结晶课件,65,思 考 题,1、概念临界分切应力、孪生、固溶强化、Orowan机制、应变时效、二次再结晶、回复,2、Why are FCC metals more ductile than either HCP or BCC metals?3、How do changes in the dislocation density affect the strength and ductility (i.e. its ability to deform plastically)? Why?,回复与再结晶课件,66,4、已知平均晶粒直径为1mm和的a

32、-Fe的屈服强度分别为和196MPa, 问平均晶粒直径为的a-Fe的屈服强度为多少？5、试指出Cu和a-Fe两晶体易滑移的晶面和晶向，并求出他们的滑移面间距，滑移方向上的原子间距及点阵阻力。（已知，）6、今有纯Ti、Al、Pb三种铸锭，试判断它们在室温（20C）轧制的难易顺序。是否可以连续轧制？如果不能，应采取什么措施才能使之轧制成薄板？（已知Ti的熔点1672C，在883C以下为HCP结构，883C以上为BCC结构；Al的熔点为660C，FCC结构；Pb的熔点为328C，FCC结构。）,回复与再结晶课件,67,7、简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力。如何区分冷、热加工？动态再结晶与静态再结晶后组织结构的主要区别是什么？8、某工厂用一冷拉钢丝绳将一大型钢件吊入热处理炉内，由于一时疏忽，未将钢绳取出，而是随同工件一起加热至860，保温时间到了，打开炉门，欲吊出工件时，钢丝绳发生断裂，试分析原因。,