1、 第九章第九章 回復、再結晶與熱加工回復、再結晶與熱加工1 1 變形金屬加熱時組織性能變化的特點變形金屬加熱時組織性能變化的特點2 2 回復回復3 3 再結晶再結晶4 4 晶粒長大晶粒長大5 5 金屬的熱加工金屬的熱加工6 6 超塑性超塑性1 1 變形金屬加熱時組織性能變化的特點變形金屬加熱時組織性能變化的特點 儲能是促使冷變形金屬發(fā)生變化的驅動力。觀察冷變形金屬加熱時的變化，從儲能釋放及組織結構和性能的變化來分析，可分為回復、再結晶和晶粒長大三個階段。一、一、變形金屬加熱時變形金屬加熱時顯微組織的變化顯微組織的變化二、二、變形金屬加熱時變形金屬加熱時儲能的釋放儲能的釋放A:純金屬B：不純的金

2、屬C：合金三、三、變形金屬加熱時變形金屬加熱時性能的變化性能的變化2 2 回復回復一、回復動力學一、回復動力學1回復動力學曲線回復動力學回復動力學特點特點：（1）回復過程沒有孕育期，隨著退火的開始進行,發(fā)生軟化。（2）在一定溫度下，初期的回復速率很大，以后逐漸變慢，直到最后回復速率為零。（3）每一溫度的回復程度有一極限值，退火溫度越高，這個極限值也越高,而達到此極限所需時間則越短（4）回復不能使金屬性能恢復到冷變形前的水平。2 2回復動力學方程回復動力學方程 設P為冷變形后在回復階段發(fā)生變化的某種性能，如臨界切應力，P0為變形前該性能的值，P=P-P0為加工硬化造成的該性能的增量，與晶體中晶體

3、缺陷的體積濃度CP成正比。 P-P0=P=K CP （1）將（1）式對時間t求導，得出CP與P隨時間的變化率為： ( 2 ) 缺陷的變化是一個熱激活的過程，設激活能為Q，仿照化學動力學的方法，對一級反應，反應速度與濃度的一次方成比例dtdCKdtPPdP)(0RTQCAdtdCPPexp則（2）式變?yōu)椋簩ⅲ?）式代入：RTQAKcdtPPdPexp)(0RTQAKPPKdtPPdexp)(00 （3）積分得： （4） 由（4）式得出：回復階段性能隨時間而衰減，服從指數規(guī)律。dtRTQAPPPPdexp)(00CtRTQAPPexp)ln(0 如果采用兩個不同的溫度將同一冷變形金屬的性能回復到同

4、樣的程度，則2211expexptRTQAtRTQA12111221expexpTTReRTRTtt回復動力學方程回復動力學方程例：已知鋅單晶的回復激活能Q=20000cal/mol，在0回復到殘留75%的加工硬化需5min，請問在27和-50回復到同樣程度需多長時間？解： （min） min13（天）測量出幾個不同溫度下回復到相同P值所需的時間，利用（4）式并取對數，得到：從 關系可求出激活能，利用Q以推斷可能的回復機制。1850052231273131. 818. 4200002et185. 053001273131. 818. 4200001et RTQt 常數lnTt1ln 二、回復機

5、制二、回復機制 一般認為是點缺陷和位錯在退火過程中發(fā)生運動，從而改變了它們的組態(tài)和分布。 1.低溫回復：回復的機制主要是過剩空位的消失，趨向于平衡空位濃度。 2.中溫回復：其主要機制是位錯滑移導致位錯重新組合；異號位錯會聚而互相抵消以及亞晶粒長大。 3.高溫回復：回復機制是包括攀移在內的位錯運動和多邊化，以及亞晶粒合并。 三、回復退火的應用三、回復退火的應用 主要用作去應力退火，使冷加工金主要用作去應力退火，使冷加工金屬在基本上保持加工硬化的狀態(tài)下降低屬在基本上保持加工硬化的狀態(tài)下降低其內應力，以穩(wěn)定和改善性能，減少變其內應力，以穩(wěn)定和改善性能，減少變形和開裂，提高耐蝕性。形和開裂，提高耐蝕性

6、。3 3 再結晶再結晶 冷變形后的金屬加熱到一定溫度冷變形后的金屬加熱到一定溫度后，在原來的變形組織中產生無畸變后，在原來的變形組織中產生無畸變的新晶粒，而且性能恢復到變形以前的新晶粒，而且性能恢復到變形以前的完全軟化狀態(tài)，這個過程稱為再結的完全軟化狀態(tài)，這個過程稱為再結晶。晶。 其驅動力為冷變形時所產生的儲能。其驅動力為冷變形時所產生的儲能。一、再結晶的形核與長大一、再結晶的形核與長大1形核1).亞晶粒粗化的形核機制一般發(fā)生在冷變形度大時 A.亞晶合并形核， 適于高層錯能金屬。再結晶的形核再結晶的形核亞晶粒粗化的形核之之- B.亞晶粒長大形核 適于低層錯能金屬，通過亞晶合并和亞晶長大，使亞晶

7、界與基體間的取向差增大，直至形成大角度晶界，便成為再結晶的核心再結晶的形核再結晶的形核-（2）原有晶界弓出的形核機制 一般發(fā)生在形變較小的金屬中，變形不均勻，位錯密度不同2再結晶的長大再結晶的長大 形核之后，無畸變核心與周圍畸變的舊晶粒之間的應變能差是核心長大的驅動力，當各個新晶粒彼此接觸，原來變形的舊晶粒全部消失時，再結晶過程即告完成。二、再結晶動力學二、再結晶動力學1恒溫動力學曲線 冷軋60%的含Si3.25鋼的等溫再結晶曲線再結晶恒溫動力學曲線特點（1）具有S形特征，存在孕育期 （2）再結晶速率開始時很小，然后逐漸加快，再結晶體積分數約為0.5時，速度達到最大值，隨后逐漸減慢 （3）溫度

8、越高，轉變速度越快。再結晶恒溫動力學方程2 2Johnson-MehlJohnson-Mehl（約翰遜（約翰遜梅厄）方程梅厄）方程=1-exp（-G3N 4 /3） ：已再結晶體積分數 N：形核速度G：長大速度 : 退火保溫時間3Avrami（阿弗瑞米）方程：=1-exp（-ktn） ：已再結晶體積分數 k, n：系數t：退火保溫時間 阿弗瑞米方程較約翰遜梅厄方程更為適用。 三、三、影響再結晶速率與再結晶溫度的主要因素影響再結晶速率與再結晶溫度的主要因素 通 常 把 再 結 晶 溫 度 定 義 為 經 過 嚴 重 冷 變 形 的 金 屬通 常 把 再 結 晶 溫 度 定 義 為 經 過 嚴 重

9、 冷 變 形 的 金 屬（70%70%），加熱），加熱1 1小時，再結晶體積占到總體積的小時，再結晶體積占到總體積的95%95%的溫度。的溫度。另外，有的文獻把保溫另外，有的文獻把保溫30-60min30-60min，開始發(fā)生再結晶或完成，開始發(fā)生再結晶或完成50%50%再再結晶的溫度定義為再結晶溫度，因此，引用再結晶溫度時，必須結晶的溫度定義為再結晶溫度，因此，引用再結晶溫度時，必須注意它的具體條件注意它的具體條件。對于工業(yè)純金屬，其起始再結晶溫度與熔點之間存在下列關系：對于工業(yè)純金屬，其起始再結晶溫度與熔點之間存在下列關系： T T再再= =（0.3-0.40.3-0.4）T T熔1 1退

10、火溫度影響形核和長大退火溫度影響形核和長大 N =N0exp（-QN /RT）， G =G0exp（-QG /RT）N0、G0：常數常數 Q QN、Q QG：形核激活能和長大激活能：形核激活能和長大激活能 升高退火溫度，將顯著提高形核率和升高退火溫度，將顯著提高形核率和G G，再結晶速度加快。，再結晶速度加快。 影響再結晶速率與再結晶溫度的主要因素之影響再結晶速率與再結晶溫度的主要因素之2 2變形程度：變形程度：變形程度增高，再結晶速度加快，再結晶溫變形程度增高，再結晶速度加快，再結晶溫度降低，并逐步趨于一穩(wěn)定值度降低，并逐步趨于一穩(wěn)定值。例1：純Zr 當面積縮減13%時，557完成等溫再結晶

11、需40h 當面積縮減51%時，557完成等溫再結晶需16h：例例2 2影響再結晶速率與再結晶溫度的主要因素之影響再結晶速率與再結晶溫度的主要因素之3 3微量溶質原子或雜質：微量溶質原子或雜質：微量溶質原子或雜質提高金屬的再結晶溫度，降低再結微量溶質原子或雜質提高金屬的再結晶溫度，降低再結晶速度晶速度材 料 50%再結晶的溫度（）備 注光譜純銅140Cu的原子半徑為1.28光譜純銅加入0.01%Ag205Ag的原子半徑為1.44 光譜純銅加入0.01%Cd305Cd 原子半徑為1.52 影響再結晶速率與再結晶溫度的主要因素之影響再結晶速率與再結晶溫度的主要因素之4 4第二相：第二相：第二相可能促

12、進，也可能阻礙再結晶，主要取決第二相可能促進，也可能阻礙再結晶，主要取決于基體上第二相粒子的大小及其分布于基體上第二相粒子的大小及其分布。 設粒子間距為設粒子間距為 ，粒子直徑為，粒子直徑為didi： 1m1m，didi0.3m 0.3m 第二相粒子降低再結晶溫度，提高第二相粒子降低再結晶溫度，提高 再結晶速度再結晶速度 1m1m，didi0.3m 0.3m 第二相粒子提高再結晶溫度，降低第二相粒子提高再結晶溫度，降低 再結晶速度再結晶速度合 金（m）di對再結晶的影響Cu+B4C52m促進Cu+Al2O32.5300阻礙Cu+Co+SiO20.5-1.0m800阻礙影響再結晶速率與再結晶溫度

13、的主要因素之影響再結晶速率與再結晶溫度的主要因素之5 5原始晶粒原始晶粒 原始晶粒細小使再結晶速度增加，再結晶溫度原始晶粒細小使再結晶速度增加，再結晶溫度 降低。降低。 6 6加熱速度加熱速度 極快的加熱或加熱速度過于緩慢時，再結晶速度極快的加熱或加熱速度過于緩慢時，再結晶速度降低，再結晶溫度上升。降低，再結晶溫度上升。7 7加熱時間加熱時間 在一定范圍內延長加熱時間會降低再結晶溫度在一定范圍內延長加熱時間會降低再結晶溫度例：例：純純AlAl的加熱時間與再結晶溫度的關系的加熱時間與再結晶溫度的關系：加熱時間14天40小時6小時1分鐘5秒T再254060100150四、再結晶后晶粒大小的控制四、

14、再結晶后晶粒大小的控制再結晶后晶粒尺寸再結晶后晶粒尺寸d d與與G G和之間存在下列關系：和之間存在下列關系：d=d=常數常數（G/NG/N）1/41/4）上式表明：增大形核率或減小長大速率上式表明：增大形核率或減小長大速率G G可以得到細的再結晶晶粒可以得到細的再結晶晶粒 1 1變形程度變形程度對應于再結晶后對應于再結晶后得到特別粗大晶得到特別粗大晶粒的變形程度稱粒的變形程度稱為為“臨界變形度臨界變形度”，一般為一般為2-10%2-10%，當變形量超過臨當變形量超過臨界變形度以后，界變形度以后，隨變形度增加，隨變形度增加，再結晶晶粒變細。再結晶晶粒變細。 四、再結晶后晶粒大小的控制之四、再結

15、晶后晶粒大小的控制之2 2原始晶粒大小原始晶粒大小 原始晶粒越細，再結晶后晶粒越細原始晶粒越細，再結晶后晶粒越細。 四、再結晶后晶粒大小的控制之四、再結晶后晶粒大小的控制之- - 3 3退火溫度退火溫度 當變形程度和保溫時間一定時，退火溫度當變形程度和保溫時間一定時，退火溫度越高，所得到的晶粒越粗大。越高，所得到的晶粒越粗大。 如圖，如圖，H68H68合金隨終軋溫度由合金隨終軋溫度由a a至至d d的的的提高，再結晶晶粒越大的提高，再結晶晶粒越大 四、再結晶后晶粒大小的控制之四、再結晶后晶粒大小的控制之4.4.加熱速度加熱速度 加熱速度很慢將使晶粒粗化加熱速度很慢將使晶粒粗化 5 5合金元素及

16、第二相合金元素及第二相 在其他條件相同的情況下，凡延緩再結在其他條件相同的情況下，凡延緩再結晶及阻礙晶粒長大的合金元素或雜質晶及阻礙晶粒長大的合金元素或雜質均使金屬再結晶后得到細晶粒組織均使金屬再結晶后得到細晶粒組織。五、再結晶全圖五、再結晶全圖 將變形程度、退火溫度與再結晶后晶粒將變形程度、退火溫度與再結晶后晶粒大小的關系（保溫時間一定）表示在一個立體圖上，就構成了大小的關系（保溫時間一定）表示在一個立體圖上，就構成了“再結晶再結晶全圖全圖”。 六、再結晶織構六、再結晶織構1 1定義定義：冷變形金屬在再結晶過程中形成的織構。冷變形金屬在再結晶過程中形成的織構。六、再結晶織構對性能的影響六、再

17、結晶織構對性能的影響六、再結晶織構六、再結晶織構-2 2形成理論形成理論定向生長理論定向生長理論-取向取向有利的晶核，其晶界有利的晶核，其晶界可獲得最快的移動速可獲得最快的移動速率，（率，（FCCFCC中，兩個中，兩個晶粒最佳取向差為晶粒最佳取向差為30304040時，晶界時，晶界的移動速率最快，如的移動速率最快，如圖），較合理圖），較合理定向成核理論定向成核理論-再結再結晶有形核過程，母體晶有形核過程，母體有織構，再結晶后的有織構，再結晶后的晶體也會形成新的織晶體也會形成新的織構。構。七、退火孿晶七、退火孿晶 。面心立方金屬和合金（如銅、黃銅、不銹鋼等）經加工面心立方金屬和合金（如銅、黃銅、

18、不銹鋼等）經加工及再結晶退火后，經常在再結晶退火組織中發(fā)現孿晶。及再結晶退火后，經常在再結晶退火組織中發(fā)現孿晶。 。退火孿晶是由于新晶粒界面退火孿晶是由于新晶粒界面 在推進過程中由于某些原因（如熱在推進過程中由于某些原因（如熱 應力等）而出現堆垛層錯而造成的。應力等）而出現堆垛層錯而造成的。 111111面面 ABCABCBACBACBABCABCABCABCABCBACBACBABCABCABC 孿晶帶孿晶帶 七 、 退 火七 、 退 火孿晶孿晶退火孿晶的退火孿晶的形成與層形成與層錯能有關。錯能有關。CuCu和奧氏和奧氏體鋼的層體鋼的層錯能低，錯能低，易形成孿易形成孿晶。晶。4 4 晶粒長大

19、晶粒長大 晶粒長大的驅動力是晶界能的下降晶粒長大的驅動力是晶界能的下降, ,即長大前后的界面能差值。即長大前后的界面能差值。一、晶粒的正常長大一、晶粒的正常長大 1.1.定義：指晶體中有許多晶粒獲得長大條件，晶粒的長大是連續(xù)地，均勻定義：指晶體中有許多晶粒獲得長大條件，晶粒的長大是連續(xù)地，均勻地進行，晶粒長大過程中晶粒的尺寸是比較均勻的，晶粒平均尺寸的增大地進行，晶粒長大過程中晶粒的尺寸是比較均勻的，晶粒平均尺寸的增大也是連續(xù)的。也是連續(xù)的。2.2.晶粒長大的方式晶粒長大的方式（1 1）彎曲的晶界總是趨向于平直化，即向曲率中心移動以減少）彎曲的晶界總是趨向于平直化，即向曲率中心移動以減少界面積

20、，同時，大角度晶界的遷移率總是大于小角度晶界的遷界面積，同時，大角度晶界的遷移率總是大于小角度晶界的遷移率。移率。 當晶界為三維空間的任意曲面時，作用在單位界面上的力當晶界為三維空間的任意曲面時，作用在單位界面上的力P P為：為：P=P=（1/R1/R1 1+1/R+1/R2 2） 晶粒長大晶粒長大-晶粒長大的方式晶粒長大的方式P：晶界遷移的驅動力晶界遷移的驅動力 ， ：晶界單位面積：晶界單位面積 的界面能的界面能 R1R1、R2R2：曲面的兩個主曲率半徑：曲面的兩個主曲率半徑 如果空間曲面為球面時如果空間曲面為球面時，R R1 1=R=R2 2 P=2/R P=2/R ， 即：晶界遷移的驅動

21、力與其曲率半徑即：晶界遷移的驅動力與其曲率半徑R R成反比，與界面能成正比。成反比，與界面能成正比。晶粒長大晶粒長大-晶粒長大的方式晶粒長大的方式（2 2）晶界總是向角度）晶界總是向角度較銳的晶粒方向移較銳的晶粒方向移動，力圖使三個夾動，力圖使三個夾角都等于角都等于120120o o。 當界面張力平衡時：當界面張力平衡時：因 為 大 角 度 晶 界因 為 大 角 度 晶 界T TA A=T=TB B=T=TC C，而而 A+B+C=360A+B+C=360o o A=B=C=120A=B=C=120o oCTBTATCBAsinsinsin晶粒長大晶粒長大- -晶粒長大的方式晶粒長大的方式（3

22、 3）在二維坐標中，）在二維坐標中，晶界邊數少于晶界邊數少于6 6的晶的晶粒，其晶界向外凸出，粒，其晶界向外凸出，必然逐漸縮小，甚至必然逐漸縮小，甚至消失，而邊數大于消失，而邊數大于6 6的晶粒，晶界向內凹的晶粒，晶界向內凹進，逐漸長大，當晶進，逐漸長大，當晶粒的邊數為粒的邊數為6 6時，處時，處于穩(wěn)定狀態(tài)。于穩(wěn)定狀態(tài)。在三維坐標中，在三維坐標中，晶粒長大最后穩(wěn)晶粒長大最后穩(wěn)定的形狀是正十定的形狀是正十四面體。四面體。晶粒長大晶粒長大-3 3影響晶粒長大（即晶界遷移率）的因素影響晶粒長大（即晶界遷移率）的因素（1 1）溫度）溫度 溫度越高，晶粒長大速度越快，晶粒越粗大溫度越高，晶粒長大速度越快

23、，晶粒越粗大 G =G0exp（-QG /RT）G G：晶界遷移速度：晶界遷移速度 G G0 0：常數：常數 Q QG G：晶界遷移的激活能：晶界遷移的激活能（2 2）第二相）第二相 晶粒長大的極限半徑晶粒長大的極限半徑 R=krR=kr/f/fK K：常數：常數 r r：第二相質點半徑：第二相質點半徑 f f：第二相的體積分數：第二相的體積分數 第二相質點的數量越多，顆粒越小，則阻礙晶粒長大的能第二相質點的數量越多，顆粒越小，則阻礙晶粒長大的能力越強。力越強。 （3 3）可溶解的雜質或合金元素阻礙晶界遷移，特別是晶界偏）可溶解的雜質或合金元素阻礙晶界遷移，特別是晶界偏聚現象顯著的元素，其阻礙

24、作用更大。但當溫度很高時，聚現象顯著的元素，其阻礙作用更大。但當溫度很高時，晶界偏聚可能消失，其阻礙作用減弱甚至消失。晶界偏聚可能消失，其阻礙作用減弱甚至消失。 晶粒長大晶粒長大-晶粒長大極限晶粒長大極限半徑公式的推半徑公式的推導導設第二相顆粒為球形，設第二相顆粒為球形，對晶界的阻力為對晶界的阻力為F F，與驅動力平衡與驅動力平衡F=.2rcosF=.2rcoscoscos（9090-）=2rcos=2rcoscoscos（-） (1) (1) 角只取決于第二相角只取決于第二相顆粒與晶粒間的表顆粒與晶粒間的表面張力，可看作恒面張力，可看作恒定值，定值，F，的分量的分量晶粒長大極限半徑公式的推導

25、晶粒長大極限半徑公式的推導-現將（現將（1 1）式對）式對求極大值，令求極大值，令dFdF/d=0 /d=0 ，可得：，可得： Fmax=rFmax=r（1+cos1+cos） （2 2） 假設在單位面積的晶界面上有假設在單位面積的晶界面上有N NS S個第二相顆粒，其半徑個第二相顆粒，其半徑都為都為r r，則總阻力，則總阻力 F F總總= =N NS Srr（1+cos1+cos） （3 3） 設單位體積中有設單位體積中有N NV V個質點，其體積個質點，其體積 分數為分數為f f，f=f=（4 /34 /3）r r3 3 N NV V /1/1 = = （4 /34 /3）r r3 3 N

26、 NV V 故，故， N NV V = 3 f / = 3 f / （4 r4 r3 3 ） （4 4）晶粒長大極限半徑公式的推導晶粒長大極限半徑公式的推導- 取單位晶界面積兩側厚度皆為取單位晶界面積兩側厚度皆為r r的正方體，所有中心位于這的正方體，所有中心位于這個個1 11 12r2r體積內半徑為體積內半徑為r r的第二相顆粒，都將與這部分晶界交的第二相顆粒，都將與這部分晶界交截，單位面積晶界將與截，單位面積晶界將與1 11 12r2rNVNV個晶粒交截。個晶粒交截。 N NS S = 2rN = 2rNV V （5 5）將（將（4 4）、（）、（5 5）式代入（）式代入（3 3）式，有）

27、式，有 F F總總=3=3ff（1+cos1+cos）/ / （2r 2r ） （6 6） 這個總阻力與晶界驅動力這個總阻力與晶界驅動力2/R2/R平衡平衡 2 2/R = 3f/R = 3f（1+cos1+cos）/（2r2r） 整理得：整理得：R=R=（4r/3f4r/3f）（）（1+1/cos1+1/cos ） （7 7） 可看作常數，令可看作常數，令K= 1+1/cosK= 1+1/cos （8 8） R=Kr/f R=Kr/f二、晶粒的異常長大（二次再結晶）二、晶粒的異常長大（二次再結晶） 1.1.定義定義：將再結晶完成后的金屬繼續(xù)加熱至某一溫度以上，或：將再結晶完成后的金屬繼續(xù)加熱

28、至某一溫度以上，或更長時間的保溫，會有少數晶粒優(yōu)先長大，成為特別粗大的晶更長時間的保溫，會有少數晶粒優(yōu)先長大，成為特別粗大的晶粒，而其周圍較細的晶粒則逐漸被吞食掉，整個金屬由少數比粒，而其周圍較細的晶粒則逐漸被吞食掉，整個金屬由少數比再結晶后晶粒要大幾十倍甚至幾百倍的特大晶粒組成。再結晶后晶粒要大幾十倍甚至幾百倍的特大晶粒組成。 二、晶粒的異常長大二、晶粒的異常長大（二次再結晶）（二次再結晶）2.2.驅動力驅動力：同正常晶粒同正常晶粒長大一樣，是長大前長大一樣，是長大前后的界面能差后的界面能差3.3.產生條件產生條件：正常晶粒正常晶粒長大過程被彌散的第長大過程被彌散的第二相質點或雜質、織二相質

29、點或雜質、織構等所強烈阻礙。構等所強烈阻礙。4. 4. 對性能的影響對性能的影響：得到得到粗大組織，降低材料粗大組織，降低材料的室溫機械性能，大的室溫機械性能，大多數情況下應當避免。多數情況下應當避免。5 5 金屬的熱加工金屬的熱加工 將金屬或合金加熱至再結晶溫度以上進行的壓力加將金屬或合金加熱至再結晶溫度以上進行的壓力加工稱為熱加工。工稱為熱加工。 熱加工時，硬化過程與軟化過程是同時進行的，按熱加工時，硬化過程與軟化過程是同時進行的，按其特征不同，可分為下述五種形式：其特征不同，可分為下述五種形式： (1) 動態(tài)回復 (2) 動態(tài)再結晶 （1）、（）、（2）是在溫度和負荷聯合作用下發(fā)生的。）是在溫度和負荷聯