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1、第一节 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化,一 回复与再结晶 回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。 再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。,第 八 章 第 一 节 加 热 时 的 变 化,第一节 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化,二 显微组织变化（示意图） 回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化； 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。 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。,第 八 章 第
2、 一 节 加 热 时 的 变 化,第一节 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化,二 显微组织变化（示意图）,第 八 章 第 一 节 加 热 时 的 变 化,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,第一节 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化,三 性能变化 1 力学性能（示意图） 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。 再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降,塑性继续提高， 粗化严重时下降。 2 物理性能 密度:在回复阶段变化不大，在再
3、结晶阶段急剧升高； 电阻：电阻在回复阶段可明显下降。,第 八 章 第 一 节 加 热 时 的 变 化,第一节 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化,三 性能变化,第 八 章 第 一 节 加 热 时 的 变 化,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,第一节 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化,四 储存能变化（示意图） 1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（10）变形功。 弹性应变能（312） 2 存在形式 位错（8090） 驱动力 点缺陷 3 储存能的释放：原子活动能力提高
4、，迁移至平衡位置，储存能得以释放。,第 八 章 第 一 节 加 热 时 的 变 化,回复,再结晶,第一节 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化,五 内应力变化 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； 再结晶阶段：内应力可完全消除。,第 八 章 第 一 节 加 热 时 的 变 化,第二节 回复,一 回复动力学（示意图） 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退火时加工硬化残留率； c0比例常数；t加热时间；T加热温度。,第 八 章 第 二 节 回 复,第二节 回复,一 回复动力学（示意图）
5、2 动力学曲线特点 （1）没有孕育期； （2）开始变化快，随后变慢； （3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。,第 八 章 第 二 节 回 复,第二节 回复,二 回复机理 1 低温回复（0.10.3Tm） 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）,第 八 章 第 二 节 回 复,第二节 回复,二 回复机理 2 中温回复 （0.30.5Tm） 异号位错相遇而抵销 位错滑移 位错密度降低 位错缠结重新排列,第 八 章 第 二 节 回 复,第二节 回复,二 回复机理 3 高温回复（0.5Tm） 位错攀移（滑移） 位错垂直排列（亚晶界） 多边化（亚晶粒） 弹
6、性畸变能降低。,第 八 章 第 二 节 回 复,第二节 回复,二 回复机理,第 八 章 第 二 节 回 复,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,第二节 回复,三 回复退火的应用 1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：位错密度降低不明显，亚晶较细； 电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低。 2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。,第 八 章 第 二 节 回 复,第三节 再结晶,一 再结晶的形核与长大 1
7、 形核 a.亚晶长大形核机制 （变形量较大时） 亚晶合并形核 亚晶界移动(长大)形核(亚晶蚕食) b.凸出形核（变形量较小时,20%） 晶核伸向小位错胞晶粒(畸变能较高区域)内.,第 八 章 第 三 节 再 结 晶,第三节 再结晶,一 再结晶的形核与长大 1 形核 a亚晶长大,第 八 章 第 三 节 再 结 晶,亚晶合并,亚晶蚕食,第三节 再结晶,一 再结晶的形核与长大 b晶界凸出形核 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向.,第 八 章 第 三 节 再 结 晶,1小变形量的弓出形核机制 当变形量较小时，由于变形不均匀，相邻晶粒的位错密度相差可以很大，此时晶界中的一小段会向位错密度高的一侧突然弓出，
8、如图。晶界弓出部分是原晶界的一小段，两端被钉锚住，如图b.此晶界由位置移动到位置，扫掠出来的体积为dV,表面积增加dA。假定扫掠过后的小区域储存能全部释放。该区域就可成为再结晶核心。 弓出形核单位体积自由能的变化为,式中Es为两侧单位体积的储存能之差，是驱动力，阻力是晶界能的增加。当部分晶界弓出一球表面时，则,1小变形量的弓出形核机制 代人前式，并令G0得到 由图7b可见R=L/sin, 当 /2时，即晶界弓出成半球形，如图中虚线sin1，R达到一极小值，即Rmin=L,此时2/Rmin取得极大值，因此弓出形核的最大阻力是晶界弓出成半球时。克服这一阻力需满足,由上式， Es增大，L可减小，说明
9、形核容易。晶界弓出一旦超过半球形，由于R逐渐增大， 2/R逐渐减小，晶核可自动长大。,2亚晶合并机制 变形量较大的高层错能金属再结晶核心通过亚晶合并来产生。采用多边化和亚晶界的“Y过程或通过相邻亚晶的转动，逐步使小亚晶A,B,C合并成大的亚晶(ABC)，如图7-8所示，成为位错密度很低，尺寸较大的亚晶，随亚晶尺寸的增大，与四周的亚晶粒的位向差必然越来越大，最后形成大角度晶界。大角度晶界可动性大，可迅速移动，扫除移动路径中存在的位错，在其后留下无应变的晶体，这就形成了再结晶核心。,3亚晶蚕食机制 变形量很大的低层错能金属扩展位错宽度大，不易束集，交滑移困难，位错密度很高。在位错密度很大的小区域，
10、通过位错的攀移和重新分布，形成位错密度很低的亚晶。这个亚晶便向周围位错密度高的区域生长。相应的，亚晶界的位错密度逐渐增大，亚晶与周围形变基体取向差逐渐变大，最终由小角度晶界演变成大角度晶界。大角度晶界一旦形成，可突然弓出，迁移，蚕食途中所遇位错，留下无畸变晶体，成为再结晶核心，如图。 总之，三种形核机制都是大角度晶界的突然迁移。所不同的是获得大角度晶界途径不同。,第三节 再结晶,一 再结晶的形核与长大 驱动力：畸变能差 2 长大 方式:晶核向畸变晶粒扩展,至新晶粒相互接触。 注：再结晶不是相变过程。,第 八 章 第 三 节 再 结 晶,第三节 再结晶,二 再结晶动力学 （1）再结晶速度与温度的
11、关系 v再Aexp(-QR/RT) 1/t= A/exp（ QR/RT） （2）规律 有孕育期; 温度越高,变形量越大孕育期越短;在体 积分数为0.5时速率最大，然后减慢。,第 八 章 第 三 节 再 结 晶,第三节 再结晶,三 再结晶温度 1 再结晶温度：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。 高纯金属：T再(0.250.35)Tm。 2 经验公式 工业纯金属：T再(0.350.45)Tm。 合金：T再(0.40.9)Tm。 注：再结晶退火温度一般比上述温度高100200。,第 八 章 第 三 节 再 结 晶,第三节 再结晶,
12、四 影响再结晶的因素 1.加热温度: (退火) 退火温度越高,原子扩散越容易进行,V再,完成再结晶时间短. 2.预先变形量 变形度越大,则T再越低 储存能大,再结晶驱动力大.,第 八 章 第 三 节 再 结 晶,3.溶质原子 溶质原子,使T再 偏聚在晶界处,阻碍位错运动和晶界迁移. 4.原始晶粒大小 5.分散相粒子 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；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶。,第三节 再结晶,五 再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小变形量关系图） 再结晶晶粒的平均直径 d=kG/N1/4 1 变形量。存在临界变形量，生产中应避免临界变 形量
13、。,第 八 章 第 三 节 再 结 晶,第三节 再结晶,五 再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小变形量关系图） 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。 4 温度。退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大。,第 八 章 第 三 节 再 结 晶,第三节 再结晶,六 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 再结晶温度：T再100200。,第 八 章 第 三 节 再 结 晶,第四节 晶粒长大,驱 动 力：界面能差. 长大方式： 正常长大-再结晶后的晶粒均匀连续的长大 ；
14、异常长大（二次再结晶）-个别一些晶粒过分长大、使材料内晶粒大小 相差悬殊。,第 八 章 第 四 节 晶 粒 长 大,1晶粒长大的驱动力 从个别晶粒长大的微观过程来说，晶界具有不同的曲率则是造成晶界迁移的直接原因。设想有一如图所示的双晶体，B晶粒呈球状存在于A晶粒之中，两晶粒的交界是半径为R的球面。显然，如果晶界向减小R的方向移动，即向曲率中心移动，使体系总量下降。A、B双晶体的界面能为,晶界能随R的变化导致的变化是作用于晶界上的力，此力指向曲率中心， 。所以晶界移动的单位面积上的驱动力为,一 晶粒的正常长大,1晶粒长大的驱动力 考虑到空间任一曲面情况下，取两个主曲率半径R1，R2来描述任意曲面
15、晶界的驱动力,由上式，晶界迁移驱动力随Y的增大而增大，随晶界的曲率半径增大而减小。晶界的移动方向总是指向曲率中心。,高温下晶粒自发长大 *晶界向曲率中心方向移动(见图) 晶粒长大是大晶粒吞并小晶粒.,2晶粒的稳定形貌 相同体积情况下，球形晶粒的晶界面积最小，但如果晶粒呈球形，会出现堆砌的空隙。所以实际晶粒的平衡形貌，如图呈十四面体。当三个晶粒相交于一直线时，其二维晶粒形状如图所示。由作用于0点的张力平衡可得到,2晶粒的稳定形貌 比界面能通常为常数，故1=2=3=120，,故其平衡形貌如图,三叉晶界，晶界角120。,2.晶粒的稳定形状 （1）若晶粒小于六边（小晶粒） 若为直线，夹角120度 若满
16、足120度，晶界必向外凸 小晶粒只能逐渐缩小，直至消失。 （2）若晶粒大于六边 若为直线，夹角大于120度 若满足120度，晶界必向内凹。 晶粒长大规律是大晶粒吞并小晶粒。,3.影响晶粒长大的因素 晶粒长大，是通过晶界处的原子扩散 迁移实现。 （1）温度 温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。 （2）杂质与合金元素 异类原子吸附晶界处，降低晶界能，减少驱动力，阻碍晶粒长大。,（3）第二相质点 第二相粒子越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大能力越强。,（ 4）相邻晶粒位向差 位向差越大，则晶面能越高，驱动力越大，晶界移动快。,第四节 晶粒长大,二 晶粒的异常长大 1 异常长大:少数再结晶晶粒的急剧长大现
17、象。(二次再结晶） 2 基本条件:正常晶粒长大过程被(第二分散相微粒、织构） 强烈阻碍。 3 驱动力：界面能变化。（不是重新形核）,第 八 章 第 四 节 晶 粒 长 大,第四节 晶粒长大,二 晶粒的异常长大 钉扎晶界的第二相溶于基体. 4 机制 再结晶织构中位向一致晶粒的合并. 金属薄板形成的热蚀沟 大晶粒吞并小晶粒. 各向异性 织构明显 优化磁导率 5 对组织和性能的影响 晶粒大小不均 性能不均 降低强度和塑韧性 晶粒粗大 提高表面粗糙度,第 八 章 第 四 节 晶 粒 长 大,第四节 晶粒长大,三 再结晶退火的组织 1 再结晶图。退火温度、变形量与晶粒大小的关系图。 2 再结晶织构:再结
18、晶退火后形成的织构。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） 3 退火孪晶:再结晶退火后出现的孪晶。是由于再结晶过程 中因晶界迁移出现层错形成的。,第 八 章 第 四 节 晶 粒 长 大,第五节 金属的热变形,一 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。（静态) 2 动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。 （静态) 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。,第 八 章 第 五 节 热 变 形,第五
19、节 金属的热变形,二 金属的热加工 1 加工的分类 冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。发生加工硬化。 热加工：在再结晶温度以上的加工过程（硬化、回复、 再结晶）。如高温下：锻造、轧制、拉拔、挤压等。 2 热加工温度：T再T热加工T固100200。,第 八 章 第 五 节 热 变 形,二 金属的热加工 3 热加工后的组织与性能 热加工对组织和性能有如下影响： 1）.改善铸锭组织和性能 (1)焊合气孔、疏松，使材料密度升高； (2)细化组织：打碎粗大树枝晶、柱状晶、 块状碳化物； (3)消除偏析； 从而使性能提高。 2）.使纤维组织分布合理 热加工时：枝晶偏析、夹杂物、第二相沿 变形方向被拉长，
20、呈纤维状。,3）产生带状组织,第五节 金属的热变形,二 金属的热加工 4 热加工的优点 （1）可持续大变形量加工。 （2）动力消耗小。 （3）提高材料质量和性能,第 八 章 第 五 节 热 变 形,三 超塑性 某些金属在高温下拉伸时，具有极大的延伸率；可达200%1000%，这种性能称为超塑性。 获得超塑性的条件是： 1.变形一般在0.50.65T熔进行。 2.应变速率应加以控制，通常1 0.01% . s -1 。 3.在超塑性变形温度下，材料具有微细等轴晶粒（10um）的组织。 4.金属具有超塑性时，其流变应力和应变速率有如下关系： m为应变速率敏感性系数，超塑性时m0.5,一般金属材料仅为0.010.04之间。 超塑性变形时，抛光表面不出现滑移线，也无形变亚晶出现，这说明变形不靠滑移进行。大多数人认为超塑性变形与晶界的相对滑动和回转有关，较高温度下的晶界的粘性流动可产生很大的变形。,