1、第五章第五章 材料的變形和再結晶材料的變形和再結晶 5.1 5.1 材料在靜載下的力學行為材料在靜載下的力學行為一、概述一、概述金屬的應力金屬的應力應變曲線應變曲線 金屬在外力作用下一般經歷金屬在外力作用下一般經歷彈性變形（彈性變形（elastic deformationelastic deformation）彈塑性變形（彈塑性變形（plastic deformationplastic deformation）斷裂（斷裂（fracturefracture）三個階三個階段段 1.1.工程應力一應變曲線工程應力一應變曲線 工程應力一應變（工程應力一應變（）曲線：）曲線： 式中：式中： P作用在試樣

2、上的載荷；作用在試樣上的載荷； A0試樣的原始橫截面積；試樣的原始橫截面積； l0試樣的原始標距部分長度；試樣的原始標距部分長度； l試樣變形后標距部分長度。試樣變形后標距部分長度。0AP00lll 靜拉伸示意圖靜拉伸示意圖載荷伸長曲線載荷伸長曲線工程應力應變示意圖工程應力應變示意圖 真應力真應力-真應變曲線真應變曲線 低碳鋼低碳鋼曲線的特點曲線的特點 (1)(1) ee 彈性變形階段彈性變形階段（elastic deformationelastic deformation） 線線性階段性階段 該階段符合虎克定律該階段符合虎克定律 = E= E或或 = G= G E E、G G為為彈性模量、剪

3、切模量彈性模量、剪切模量：表示金屬材料抵抗：表示金屬材料抵抗彈性變形的能力。為彈性變形的能力。為曲線上斜率曲線上斜率 ee：材料彈性極限：材料彈性極限, ,是材料保持彈性的最大應力。是材料保持彈性的最大應力。單位：單位：MPaMPa（2 2）eess 微量塑性變形開始階段微量塑性變形開始階段 ss：材料屈服極限：材料屈服極限, ,是開始發生塑性變形的最小應力，是開始發生塑性變形的最小應力，表示材料對開始微量塑性變形的抗力。表示材料對開始微量塑性變形的抗力。（3 3）ssbb 均勻塑性變形均勻塑性變形 、 b b：抗拉強度：抗拉強度, , 表示材料最大均勻塑性變表示材料最大均勻塑性變形的抗力。形

4、的抗力。 （4 4）bbkbb 試樣開始發生不均勻塑性變形并形試樣開始發生不均勻塑性變形并形 成縮頸成縮頸 kk：條件斷裂強度。表示材料對塑性變形：條件斷裂強度。表示材料對塑性變形 的極限抗力。的極限抗力。 塑性斷裂塑性斷裂: :產生一定量塑性變形后的斷裂。產生一定量塑性變形后的斷裂。 不同材料，其應力應變曲線不同，如：二、材料的彈性變形二、材料的彈性變形(elastic deformation(elastic deformation） 1 1 彈性變形的本質彈性變形的本質 彈性變形（彈性變形（elastic deformationelastic deformation） 彈性變形的原因：彈性

5、變形的原因： 2 2 彈性變形的特征和彈性模量彈性變形的特征和彈性模量 彈性變形的特征彈性變形的特征 (1) (1) 理想的彈性變形是可逆變形理想的彈性變形是可逆變形 (2)(2) 在彈性變形范圍內，應力和應變間服從虎克定律。在彈性變形范圍內，應力和應變間服從虎克定律。 = E= E = G = G G = E /2 G = E /2（1 1） K = E /3(1 K = E /3(12) 2) 式中式中、分別為切應力、切應變，分別為切應力、切應變， K K體彈性模量、體彈性模量、 v v泊松比泊松比 (3) (3) 彈性變形量隨材料的不同而異。彈性變形量隨材料的不同而異。 試件產生彈性變形

6、試件產生彈性變形 注：此圖表示材料受外力拉伸后伸長，虛線部分表示拉伸前試件的尺寸和形狀。注：此圖表示材料受外力拉伸后伸長，虛線部分表示拉伸前試件的尺寸和形狀。 彈性模量彈性模量(E)(E) (1)(1)彈性模量（彈性模量（modulus of elasticitymodulus of elasticity）E E代表代表著使原子離開平衡位置的難易程度，是表征晶體中著使原子離開平衡位置的難易程度，是表征晶體中原子間結合力強弱的物理量。原子間結合力強弱的物理量。 (2) E(2) E是組織不敏感參數。是組織不敏感參數。 (3) (3) 對晶體而言，對晶體而言，E E是各向異性的。在單晶體中，是各向

7、異性的。在單晶體中，沿原子密排面沿原子密排面E E最高，沿原子排列最疏的晶向最高，沿原子排列最疏的晶向E E最低。最低。多晶體中，多晶體中，E E各向同性。各向同性。 (4) (4) 工程上，工程上，E E是材料剛度的度量。是材料剛度的度量。3 3 彈性的不完整性彈性的不完整性 彈性的不完整性包括：彈性的不完整性包括： a.a. 包申格效應包申格效應 b.b. 彈性后效彈性后效 c.c. 彈性滯后彈性滯后 內耗（滯彈性內耗（滯彈性 anelasticityanelasticity）：）： 5.2 晶體的塑性變形單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形合金的塑性變形合金的

8、塑性變形塑性變形對材料組織和性能的影響塑性變形對材料組織和性能的影響5.2.15.2.1單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形常溫下塑性變形的主要方式：常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生、滑移、孿生、扭折。扭折。一一 滑移滑移1 1 滑移：在切應力作用下，晶體的一滑移：在切應力作用下，晶體的一 部分相對于另一部分沿著一部分相對于另一部分沿著一 定的晶面（定的晶面（滑移面滑移面）和晶向）和晶向 （滑移方向滑移方向）產生相對位移，）產生相對位移， 且不破壞晶體內部原子排列且不破壞晶體內部原子排列 規律性的塑變方式。規律性的塑變方式。一一 滑移滑移 光鏡下：滑移帶（無重現性）。光鏡下：滑移帶（無重現性）

9、。（1） 滑移的表象學滑移的表象學 電境下：滑移線。電境下：滑移線。 滑移帶形成示意圖滑移帶形成示意圖 滑移面滑移面 （密排面）（密排面） 幾何要素幾何要素 滑移方向（密排方向）滑移方向（密排方向） 滑移系：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合。滑移系：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合。 滑移系的個數滑移系的個數:(:(滑移面個數）滑移面個數）（每個面上所具有的滑移（每個面上所具有的滑移方向的個數）方向的個數）(2)滑移系滑移系面心立方晶體中的滑移系面心立方晶體中的滑移系 （3 3）滑移的臨界分切應力（）滑移的臨界分切應力（ s s） s s：在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應力。：

10、在滑移面上沿滑移方面開始滑移的最小分切應力。 ( (外力在滑移方向上的分解外力在滑移方向上的分解) 或或 90 時，時， s ； s的取值的取值 ， 45 時，時， s最小，最小， 晶體易滑移；晶體易滑移； 軟取向：值大；軟取向：值大；取向因子：取向因子：cos cos 硬取向：值小。硬取向：值小。coscoscoscoscoscosAFAFcoscosss分切應力圖分切應力圖(4) (4) 滑移時晶體的轉動滑移時晶體的轉動（1 1）位向和晶面的變化）位向和晶面的變化 拉伸時拉伸時, ,滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向; ; 壓縮時，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸

11、線。壓縮時，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。 幾何硬化：幾何硬化： ， 遠離遠離4545 ，滑移變得困難；，滑移變得困難；（2 2）取向因子的變化）取向因子的變化 幾何軟化；幾何軟化； ， 接近接近4545 ，滑移變得容易。，滑移變得容易。(a) 拉伸拉伸 (b) 壓縮壓縮滑移時晶面的轉動滑移時晶面的轉動(5 )(5 )多滑移多滑移 滑移的分類滑移的分類 多滑移：在多個（多滑移：在多個（22）滑移系上同時或交替進行的滑移。）滑移系上同時或交替進行的滑移。 雙滑移：雙滑移： 單滑移：單滑移： 交滑移系：兩個或多個滑移面沿著某個共同的滑移方向交滑移系：兩個或多個滑移面沿著某個共同的滑移方向 同時或交替

12、滑移。同時或交替滑移。 (6)(6)滑移的位錯機制滑移的位錯機制 實驗數據表明晶體滑移并不是晶體的一部分相對于另實驗數據表明晶體滑移并不是晶體的一部分相對于另一部分沿著滑移面作剛性整體位移，而是一部分沿著滑移面作剛性整體位移，而是借助位錯在滑移借助位錯在滑移面上運動來逐步地進行的。面上運動來逐步地進行的。 位錯運動的阻力主要包含以下幾方面：位錯運動的阻力主要包含以下幾方面： 位錯運動的阻力首先來自于點陣阻力，位錯運動的阻力首先來自于點陣阻力， 與其它位錯的交互作用阻力；與其它位錯的交互作用阻力； 位錯交割后形成的割階與扭折；位錯交割后形成的割階與扭折； 位錯與一些缺陷發生交互作用。表明位錯與一

13、些缺陷發生交互作用。表明二、孿生（1）孿生的變形過程）孿生的變形過程 孿生：在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分孿生：在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分 沿一定的晶面和晶向發生均勻切變并形成晶體取沿一定的晶面和晶向發生均勻切變并形成晶體取 向的鏡面對稱關系。向的鏡面對稱關系。 a. 變形前變形前 b. 滑移滑移 c. 孿生孿生晶體滑移和孿生變形后的結構與外形變化示意圖晶體滑移和孿生變形后的結構與外形變化示意圖(a)孿晶面與孿生方向孿晶面與孿生方向 (b)孿生變形時晶面移動情況孿生變形時晶面移動情況 面心立方晶體孿生變形示意圖面心立方晶體孿生變形示意圖（2 2）滑移和孿生的比較）滑

14、移和孿生的比較1) 相同點：相同點：宏觀上，都是切應力作用下發生的剪切變形；宏觀上，都是切應力作用下發生的剪切變形；微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶體的一部微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對另一部分的移動過程；分沿一定晶面和晶向相對另一部分的移動過程；兩者都不會改變晶體結構；兩者都不會改變晶體結構； 從機制上看，都是位錯運動結果。從機制上看，都是位錯運動結果。 2) 不同點：不同點： 滑移不改變晶體的位相，孿生改變了晶體位向；滑移不改變晶體的位相，孿生改變了晶體位向； 滑移是全位錯運動的結果，而孿生是不全位錯運動的結果；滑移是全位錯運動的結果，而孿生

15、是不全位錯運動的結果； 滑移是不均勻切變過程，而孿生是均勻切變過程；滑移是不均勻切變過程，而孿生是均勻切變過程； 滑移比較平緩，應力應變曲線較光滑、連續，孿生則呈鋸齒狀；滑移比較平緩，應力應變曲線較光滑、連續，孿生則呈鋸齒狀； 兩者發生的條件不同，孿生所需臨界分切應力值遠大于滑移，因兩者發生的條件不同，孿生所需臨界分切應力值遠大于滑移，因此只有在滑移受阻情況下晶體才以孿生方式形變。；此只有在滑移受阻情況下晶體才以孿生方式形變。； 滑移產生的切變較大（取決于晶體的塑性），而孿生切變較小，滑移產生的切變較大（取決于晶體的塑性），而孿生切變較小，取決于晶體結構。取決于晶體結構。（3 3）孿晶的形成）

16、孿晶的形成 （1 1）形成方式）形成方式 形變孿晶：通過機械變形而產生的孿晶。形變孿晶：通過機械變形而產生的孿晶。 生長孿晶：晶體自氣態、液態或固體中長大時形生長孿晶：晶體自氣態、液態或固體中長大時形 成的孿晶。成的孿晶。 退火孿晶：變形金屬在其再結晶退火過程中形成退火孿晶：變形金屬在其再結晶退火過程中形成 的孿晶。的孿晶。（2 2）生長方式）生長方式 形核形核 長大長大（4 4）孿生的位錯機制）孿生的位錯機制孿生的極軸機制孿生的極軸機制三、晶體的扭折三、晶體的扭折 當受力的晶體處于不能進行滑移或孿生的某種取向時，它當受力的晶體處于不能進行滑移或孿生的某種取向時，它可能通過不均勻的局部塑性變形

17、來適應所作用的外力。可能通過不均勻的局部塑性變形來適應所作用的外力。 晶體的扭折示意圖晶體的扭折示意圖 伴隨著孿生的扭折現象伴隨著孿生的扭折現象 5.2.25.2.2多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形1. 1. 晶粒之間變形的協調性晶粒之間變形的協調性 （1 1）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。 （2 2）要求：各晶粒之間變形相互協調。（獨立變形會導）要求：各晶粒之間變形相互協調。（獨立變形會導 致晶體分裂）致晶體分裂） （3 3）條件：獨立滑移系）條件：獨立滑移系 5 5個。（保證晶粒形狀的自由變個。（保證晶粒形狀的自由變 化）化） 2. 2.晶界的影響晶

18、界的影響 晶界的特點：原子排列不規則；分布有大量缺陷。晶界的特點：原子排列不規則；分布有大量缺陷。晶界對變形的影響晶界對變形的影響: :滑移、孿生多終止于晶界滑移、孿生多終止于晶界, ,極少穿過。極少穿過。 雙晶拉伸雙晶拉伸（2 2）晶界的影響）晶界的影響晶粒大小與性能的關系晶粒大小與性能的關系 a a 晶粒越細，強度越高晶粒越細，強度越高( (細晶強化細晶強化：霍爾配奇公式：霍爾配奇公式) ) s s= = 0 0+kd+kd-1/2-1/2 原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。 （有尺寸限制）（有尺寸限制） 晶粒越多，變形均勻性提高，

19、由應力晶粒越多，變形均勻性提高，由應力 集中導致的開裂機會減少，可承受集中導致的開裂機會減少，可承受 更大的變形量，表現出更大的變形量，表現出高塑性高塑性。 b b 晶粒越細，塑韌性提高晶粒越細，塑韌性提高 細晶粒材料中，應力集中小，裂紋細晶粒材料中，應力集中小，裂紋 不易萌生；晶界多，裂紋不易傳不易萌生；晶界多，裂紋不易傳 播，在斷裂過程中可吸收較多能量播，在斷裂過程中可吸收較多能量, , 表現表現高高韌性韌性。5.2.3合金的塑性變形一、一、 單項固溶體合金的塑性變形單項固溶體合金的塑性變形1 1 固溶強化固溶強化 （1 1）固溶強化：固溶體材料隨溶質含量提高其強度、硬度）固溶強化：固溶體

20、材料隨溶質含量提高其強度、硬度 提高而塑性、韌性下降的現象。提高而塑性、韌性下降的現象。 （2 2）影響固溶強化的因素：（見影響固溶強化的因素：（見P183P183）銅鎳合金相圖及其固溶體性能與成分的關系銅鎳合金相圖及其固溶體性能與成分的關系（3 3）屈服和應變時效）屈服和應變時效 屈服現象：上下屈服點、屈服延伸（呂德斯帶擴展）。屈服現象：上下屈服點、屈服延伸（呂德斯帶擴展）。 應變時效應變時效：去載后立即加載不出現屈服現象；去載后放置：去載后立即加載不出現屈服現象；去載后放置一段時間或一段時間或200200加熱后再加載出現屈服。加熱后再加載出現屈服。 原因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。原

21、因：柯氏氣團的存在、破壞和重新形成。低碳鋼的屈服現低碳鋼的屈服現 低碳鋼應變時效低碳鋼應變時效 二、二、 多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形1. 1. 結構：基體第二相結構：基體第二相2. 2. 分類：分類：聚合型兩相合金的塑性變形聚合型兩相合金的塑性變形 彌散分布型合金的塑性變形彌散分布型合金的塑性變形聚合型合金組織聚合型合金組織Al青銅青銅 彌散型第二相合金組織鐵黃銅彌散型第二相合金組織鐵黃銅聚合型兩相合金的塑性變形聚合型兩相合金的塑性變形、兩相性能接近：按強度分數相加計算。、兩相性能接近：按強度分數相加計算。、如果兩個相中一個是塑性相，而另一個是脆性相如果兩個相中一個是塑性相，而另一個

22、是脆性相 時，則合金的塑性特征不僅取決于兩相比例，而時，則合金的塑性特征不僅取決于兩相比例，而 且與硬脆相的形狀、尺寸和分布相關。且與硬脆相的形狀、尺寸和分布相關。 彌散分布型合金的塑性變形彌散分布型合金的塑性變形、不可變形顆粒的強化作用：位錯繞過第二相粒子、不可變形顆粒的強化作用：位錯繞過第二相粒子( (粒子、粒子、 位錯環阻礙位錯運動位錯環阻礙位錯運動) )、可變形顆粒的強化作用：位錯切過第二相粒子（表面能、可變形顆粒的強化作用：位錯切過第二相粒子（表面能、 錯排能、粒子阻礙位錯運動）錯排能、粒子阻礙位錯運動）位錯切過顆粒機制位錯切過顆粒機制位錯繞過第二相粒子的示意圖位錯繞過第二相粒子的示

23、意圖5.2.45.2.4塑性變形對材料組織和性能的影響塑性變形對材料組織和性能的影響一一 、顯微組織的變化顯微組織的變化 晶粒拉長晶粒拉長; ; 形成纖維組織形成纖維組織 雜質呈細帶狀或鏈狀分布。雜質呈細帶狀或鏈狀分布。二、亞結構的變化二、亞結構的變化 形成位錯胞形成位錯胞 變形量變形量 位錯纏結位錯纏結 位錯胞位錯胞 （大量位錯纏結在胞壁，胞內位錯密度低。（大量位錯纏結在胞壁，胞內位錯密度低。) )三、性能的變化（1 1）加工硬化）加工硬化: :金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時，隨變形金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時，隨變形量的增加，材料的強度、硬度升高而塑韌性下降的現象量的增加，材料的

24、強度、硬度升高而塑韌性下降的現象（2 2）其它性能變化）其它性能變化 經塑性變形后的金屬，由于點陣畸變、位錯與空位等晶體經塑性變形后的金屬，由于點陣畸變、位錯與空位等晶體缺陷的增加，其物理性能和化學性能也會發生一定的變化。如缺陷的增加，其物理性能和化學性能也會發生一定的變化。如電阻率增加，電阻溫度系數降低，磁滯與矯頑力略有增加而磁電阻率增加，電阻溫度系數降低，磁滯與矯頑力略有增加而磁導率、熱導率下降。此外，由于原子活動能力增大，還會使擴導率、熱導率下降。此外，由于原子活動能力增大，還會使擴散加速，抗腐蝕性減弱。散加速，抗腐蝕性減弱。 四、形變織構（擇優取向） （1 1）形變織構：多晶體材料由塑

25、性變形導致的各晶粒呈擇優取向）形變織構：多晶體材料由塑性變形導致的各晶粒呈擇優取向 的組織。的組織。 絲織構絲織構：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時形：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時形 成）成）（2 2）類型）類型 板織構板織構：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平 行于主變形方向。（軋制時形成）行于主變形方向。（軋制時形成） 五、殘余應力五、殘余應力 第一類殘余應力（第一類殘余應力（ ）：宏觀內應力，由整個物）：宏觀內應力，由整個物 體變形不均勻引起。體變形不均勻引起。 1 1 分類分類 第二類殘余應力（第二類殘余應力（ ）：微觀內應力，由晶粒

26、變）：微觀內應力，由晶粒變 形不均勻引起。形不均勻引起。 第三類殘余應力（第三類殘余應力（ ）：點陣畸變，由位錯、空）：點陣畸變，由位錯、空 位等引起。位等引起。80-90%80-90%。5.3回復與再結晶 回復：冷變形金屬在低溫加熱時，其顯微組織無可見變化，回復：冷變形金屬在低溫加熱時，其顯微組織無可見變化， 但其物理、力學性能卻部分恢復到冷變形以前的過程。但其物理、力學性能卻部分恢復到冷變形以前的過程。 再結晶：冷變形金屬被加熱到適當溫度時，在變形組織內部再結晶：冷變形金屬被加熱到適當溫度時，在變形組織內部 新的無畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形新的無畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，

27、而使形 變強化效應完全消除的過程。變強化效應完全消除的過程。5.3.1冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化一、顯微組織變化（示意圖）一、顯微組織變化（示意圖） 回復階段：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化；回復階段：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化； 再結晶階段：變形晶粒通過形核長大，逐漸轉變為新的無再結晶階段：變形晶粒通過形核長大，逐漸轉變為新的無 畸變的等軸晶粒。畸變的等軸晶粒。 晶粒長大階段：晶界移動、晶粒粗化，達到相對穩定的形晶粒長大階段：晶界移動、晶粒粗化，達到相對穩定的形 狀和尺寸。狀和尺寸。 冷變形金屬退火晶粒形狀大小變化冷變形金屬退火晶粒形狀大小變化二、二、 性能變化性能變化（1 1）

28、強度與硬度的變化）強度與硬度的變化（2 2）電阻率的變化）電阻率的變化（3 3）內應力的變化）內應力的變化（4 4）亞晶粒尺寸的變化）亞晶粒尺寸的變化（5 5）密度的變化）密度的變化（6 6）儲能的釋放）儲能的釋放5.3.2 5.3.2 回復回復一、一、 回復動力學（示意圖）回復動力學（示意圖）1. 1. 加工硬化殘留率與退火溫度和時間的關系加工硬化殘留率與退火溫度和時間的關系 ln(ln(x x0 0/x/x)=)=c c0 0t texp(exp(-Q/RT-Q/RT) )x x0 0 原始加工硬化殘留率；原始加工硬化殘留率；x x退火時加工硬化殘留率；退火時加工硬化殘留率；c c0 0比

29、例常數；比例常數；t t加熱時間；加熱時間；T T加熱溫度。加熱溫度。2. 2. 動力學曲線特點動力學曲線特點 （1 1）沒有孕育期；）沒有孕育期； （2 2）開始變化快，）開始變化快， 隨后變慢；隨后變慢； （3 3）長時間處理后，）長時間處理后， 性能趨于一平衡值。性能趨于一平衡值。 同一變形度的同一變形度的Fe在不同溫度等溫退火后的性能變化曲線在不同溫度等溫退火后的性能變化曲線1. 1. 低溫回復（低溫回復（0.10.10.3Tm0.3Tm） 移至晶界、位錯處移至晶界、位錯處 點缺陷運動點缺陷運動 空位間隙原子空位間隙原子 缺陷密度降低缺陷密度降低 空位聚集（空位群、對）空位聚集（空位群

30、、對）2. 2. 中溫回復中溫回復 （0.30.30.5Tm0.5Tm） 異號位錯相遇而抵銷異號位錯相遇而抵銷位錯滑移位錯滑移 位錯密度降低位錯密度降低 位錯纏結重新排列位錯纏結重新排列二、二、 回復機理回復機理3. 3. 高溫回復（高溫回復（0.5Tm0.5Tm） 位錯攀移位錯攀移（滑移）（滑移） 位錯垂直排列（亞晶界）位錯垂直排列（亞晶界） 多邊化（亞晶粒）多邊化（亞晶粒） 彈性畸變能降低。彈性畸變能降低。回復過程中的位錯攀移與滑移回復過程中的位錯攀移與滑移位錯在多邊化過程中重新分布位錯在多邊化過程中重新分布5.3.3 5.3.3 再結晶再結晶一一 再結晶過程再結晶過程1. 1. 形核形核

31、 晶界弓出形核晶界弓出形核( (形變量小時形變量小時) ) 晶界弓出形核，凸向亞晶粒小的方向晶界弓出形核，凸向亞晶粒小的方向. .晶界弓出形核示意圖晶界弓出形核示意圖亞晶長大形核機制亞晶長大形核機制 （變形量較大時）（變形量較大時） 亞晶合并形核亞晶合并形核 亞晶界移動亞晶界移動( (長大長大) )形核形核( (吞并其它亞晶或變形部分吞并其它亞晶或變形部分) )亞晶合并形核機制亞晶合并形核機制亞晶直接長大形核機制亞晶直接長大形核機制一、一、 再結晶過程再結晶過程 驅動力：畸變能差驅動力：畸變能差2 2 長大長大 方式方式: :晶核向畸變晶粒擴展晶核向畸變晶粒擴展, ,至新晶粒相互至新晶粒相互

32、接觸。接觸。 注：再結晶不是相變過程。注：再結晶不是相變過程。二、再結晶動力學 規律規律 有孕育期有孕育期; ; 溫度越高溫度越高, ,變形量越大孕育期越短變形量越大孕育期越短; ;在體積分數在體積分數為為0.50.5時速率最大，然后減慢。時速率最大，然后減慢。同一變形度的同一變形度的Fe在不同溫度等溫退火后的再結晶曲線在不同溫度等溫退火后的再結晶曲線二、再結晶動力學（1）再結晶動力學決定于形核率再結晶動力學決定于形核率 和長大速率和長大速率G G的大小。的大小。 和和G G不隨時間而改變的情況下，在恒溫下經過不隨時間而改變的情況下，在恒溫下經過t t時間后，已經再時間后，已經再結晶的體積分數

33、結晶的體積分數R R可用下式表示：可用下式表示：（2 2）再結晶速度與溫度的關系）再結晶速度與溫度的關系v v再再A Aexpexp(-(-Q QR R/RT/RT) )三、再結晶溫度及其影響因素1. 1. 再結晶溫度：經嚴重冷變形（變形量再結晶溫度：經嚴重冷變形（變形量70%70%）的金屬或）的金屬或 合金，在合金，在1h1h內能夠完成再結晶的（再結晶體積分數內能夠完成再結晶的（再結晶體積分數 95%95%）最低溫度。）最低溫度。 高純金屬：高純金屬：T T再再(0.25 (0.25 0.35)Tm0.35)Tm。2. 2. 經驗公式經驗公式 工業純金屬：工業純金屬：T T再再(0.35 (

34、0.35 0.45)Tm0.45)Tm。 合金：合金：T T再再(0.4 (0.4 0.9)Tm0.9)Tm。 注：再結晶退火溫度一般比上述溫度高注：再結晶退火溫度一般比上述溫度高100100200200。三、再結晶溫度及其影響因素3. 3. 影響再結晶的因素影響再結晶的因素1)1)變形量變形量: :變形量越大，再結晶溫度越低；隨變形量增大，再結變形量越大，再結晶溫度越低；隨變形量增大，再結 晶溫度趨于穩定；變形量低于一定值，再結晶不能進行。晶溫度趨于穩定；變形量低于一定值，再結晶不能進行。2) 2) 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸: :晶粒越小，驅動力越大；晶界越多，有利于形晶粒越小，驅動力越大；

35、晶界越多，有利于形 核。核。3)3)微量溶質元素微量溶質元素: :阻礙位錯和晶界的運動，不利于再結晶。阻礙位錯和晶界的運動，不利于再結晶。4)4)第二分散相第二分散相: :間距和直徑都較大時，提高畸變能，并可作為形間距和直徑都較大時，提高畸變能，并可作為形 核核心，促進再結晶；直徑和間距很小時，提高畸變能，但阻核核心，促進再結晶；直徑和間距很小時，提高畸變能，但阻 礙晶界遷移，阻礙再結晶。礙晶界遷移，阻礙再結晶。5)5)退火溫度退火溫度: :溫度越高，再結晶速度越大。溫度越高，再結晶速度越大。四、再結晶后的晶粒大小1. 1. 再結晶晶粒的平均直徑再結晶晶粒的平均直徑d=kG/N1/42.影響再

36、結晶后的晶粒大小的因素1) 1) 變形量（圖）。存在臨界變形量，生產中應避免臨界變變形量（圖）。存在臨界變形量，生產中應避免臨界變 形量。形量。2) 2) 溫度。變形溫度越高，回復程度越大，儲存能減小，晶溫度。變形溫度越高，回復程度越大，儲存能減小，晶 粒粗化；退火溫度越高，臨界變形度越小，晶粒粗大。粒粗化；退火溫度越高，臨界變形度越小，晶粒粗大。3) 3) 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驅動力越大，形核位置越原始晶粒尺寸。晶粒越小，驅動力越大，形核位置越 多，使晶粒細化。多，使晶粒細化。4) 4) 合金元素和雜質。增加儲存能，阻礙晶界移動，有利于合金元素和雜質。增加儲存能，阻礙晶界移動，有利于 晶

37、粒細化。晶粒細化。5.3.4 5.3.4 晶粒長大晶粒長大驅驅 動動 力：力：界面能降低界面能降低. .長大方式：長大方式： 正常長大；正常長大； 異常長大（二次再結晶）異常長大（二次再結晶）. .一、一、 晶粒的正常長大晶粒的正常長大1. 1. 正常長大：再結晶后的晶粒均勻連續的長大。正常長大：再結晶后的晶粒均勻連續的長大。2. 2. 驅動力：界面能降低。界面能越大，曲率半徑越驅動力：界面能降低。界面能越大，曲率半徑越 小，驅動力越大。小，驅動力越大。 ( (長大方向是指向曲率中心長大方向是指向曲率中心) )晶粒長大時晶界移動方向晶粒長大時晶界移動方向一、一、 晶粒的正常長大及其影響因素晶粒

38、的正常長大及其影響因素 晶界趨于平直晶界趨于平直; ; 3. 3. 晶粒的穩定形狀晶粒的穩定形狀 晶界夾角趨于晶界夾角趨于120;120; 二維坐標中晶粒邊數趨于二維坐標中晶粒邊數趨于6.6.4. 4. 影響晶粒長大的因素影響晶粒長大的因素(1) (1) 溫度。溫度越高，晶界易遷移，晶粒易粗化。溫度。溫度越高，晶界易遷移，晶粒易粗化。(2) (2) 分散相粒子。阻礙晶界遷移，降低晶粒長大速率。一分散相粒子。阻礙晶界遷移，降低晶粒長大速率。一 般有晶粒穩定尺寸般有晶粒穩定尺寸d和第二相質點半徑和第二相質點半徑r、體積分數、體積分數 的的 關系：關系：d=4r/3 (3) (3) 晶粒位向差。小角

39、度晶界的界面能小于大角度晶界，晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界， 因而前者的移動速率低于后者。因而前者的移動速率低于后者。(4) (4) 雜質與合金元素。雜質與合金元素。“氣團作氣團作”釘扎晶界釘扎晶界, ,不利于晶界移不利于晶界移動。動。二、二、 晶粒的異常長大晶粒的異常長大1. 1. 異常長大異常長大: :少數再結晶晶粒的急劇長大現象。少數再結晶晶粒的急劇長大現象。( (二次再結晶）二次再結晶）2.2.基本條件基本條件: :正常晶粒長大過程被正常晶粒長大過程被( (第二分散相微粒、織構）第二分散相微粒、織構） 強烈阻礙。強烈阻礙。3. 3. 驅動力：界面能變化。（不是重新形核）

40、驅動力：界面能變化。（不是重新形核）5.3.55.3.5再結晶退火后的組織再結晶退火后的組織1. 1. 再結晶退火后的晶粒大小再結晶退火后的晶粒大小( (見見P208,P208,圖圖5.63)5.63)2. 2. 再結晶織構再結晶織構: :再結晶退火后形成的織構。再結晶退火后形成的織構。 退火可將形變織構消除，也可形成新織構。退火可將形變織構消除，也可形成新織構。 擇優形核（沿襲形變織構）擇優形核（沿襲形變織構） 擇優生長（特殊位向的再結晶晶核快速長大）擇優生長（特殊位向的再結晶晶核快速長大）3. 3. 退火孿晶退火孿晶: :再結晶退火后出現的孿晶。是由于再結晶過程再結晶退火后出現的孿晶。是由于再結晶過程 中因晶界遷移出現層錯形成的。中因晶界遷移出現層錯形成的。5.4 5.4 熱變形與動態回復、再結晶熱變形與動態回復、再結晶一、一、 動態回復