材料科学基础第九章ppt课件概要.ppt

《材料科学基础第九章ppt课件概要.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础第九章ppt课件概要.ppt（20页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第九章材料的回复与再结晶,(Chapter 9 Recovery and Recrystallization of Materials),9.1 冷变形金属在加热时的组织、性能变化,1 组织的变化,(recovery)：晶粒的形态和大小与变形态相同，但亚结构及性能已有变化,(recrystallization)：出现无畸变的等轴晶粒，逐步取代变形晶粒,(grain growth)：再结晶结束后的晶粒继续长大,加热时间延长或加热温度升高,Brass(Cu-Zn),33%CW,3s at 580,4s at 580,8s at 580,completely RC,15min at 580,grai

2、n growth,10min at 700,grain growth,2 性能的变化,强度和硬度(strength and hardness)：变化小，再结晶阶段变化大,电阻(resistance)：回复阶段已有大的变化,内应力(inner stress)：回复阶段消除大部或全部内应力，再结晶阶段全部消除微观内应力,亚晶粒尺寸：回复阶段变化小,密度(density)：再结晶阶段急剧变化（缺陷减少）,储存能的变化：再结晶阶段释放多,9.2 回复（Recovery）,1 回复动力学(recovery kinetics),回复是冷变形金属在退火时发生组织性能变化的早期阶段，在此阶段内物理或力学性能的

3、回复是随温度和时间而变化的,定义剩余应变硬化分数（1-R），R为屈服强度回复率,R=（m-r）/（m-0）,m：变形后的屈服强度r：回复后的屈服强度0：完全退火后的屈服强度,(1)没有孕育期(no incubation period)；,(2)在一定温度下，初期回复率大，随后逐渐变慢，直至趋近于零；,(3)预变形量越大，起始回复率也越快,回复特征可用一级反应方程表示,t为恒温下的加热时间，x为冷变形导致的性能增量经加热后的残余分数；,在不同温度下，如以回复到相同程度作比较，可得：,(4)每一温度的回复程度有一极限值，温度越高，该值越高，达到极限值所需时间越短；,lnt=A+Q/（RT）,可求出

4、回复激活能,积分得：,回复是一个驰豫过程(relaxation process)，其特点：,2 回复机制(recovery mechanism),(1)低温回复：点缺陷密度急剧下降，宏观上电阻率变化大,(2)中温回复：位错运动（滑移）和重新分布,(3)高温回复：刃型位错可以获得足够能量攀移，发生多边化(polygonization),多边化即位错通过滑移和攀移，在沿垂直于 滑移面方向上排列，形成具有一定取向差的 位错墙（小角度晶界），由此产生亚晶(sub-grain,sub-structure,mosaic structure)，这种结构称为多边化结构,层错能高的金属易发生多边化，层错能低的多

5、边化困难,在随后的过程中，亚晶粒将迁移而使亚晶粒 合并长大,9.3 再结晶（Recrystallization）,1 再结晶过程,1)形核：以多边化形成的亚晶为基础形核,(1)晶界凸出形核,再结晶是冷变形金属加热到一定温度后，在原变形组织中 重新产生了无畸变的新晶粒，性能发生明显的变化并恢复 到变形前状况的过程,再结晶是显微组织重新改组的过程，可以基本消除冷变形的影响,是一个形核和长大的过程：再结晶晶核 长大,再结晶无晶体结构的变化,A晶粒变形小，亚晶尺寸大；B晶粒变形大，亚晶尺寸小,A晶粒中的某些亚晶凸入B晶粒中，吞噬B晶粒中的亚晶，形成无畸变 的再结晶晶核，降低系统的自由能,(2)亚晶形核

6、,a)亚晶合并机制：,1)形核(cont),位错的运动使一些亚晶界上的位错转移到周围 其它亚晶上，导致亚晶的合并；,合并后的亚晶的晶界上位错密度增加，逐渐转化 为大角度晶界，从而具有更大的迁移率，这种晶 界移动后留下无畸变的晶体，构成再结晶核心,此机制常出现在变形程度较大且具有,2)长大(growth)：,b)亚晶迁移机制：,(2)亚晶形核(cont),1)形核(cont),位错密度较高的亚晶界，其两侧的亚晶位相差大；,在加热过程中这些亚晶界容易迁移而成为大角度 晶界，从而成为再结晶核心,此机制常出现在变形程度很大且具有 低层错能的材料中。,驱动力是新晶粒与周围畸变母体之间的应变能差,长大是再

7、结晶晶核形成之后，借界面的移动 向周围畸变区域长大的过程,当变形晶体中全部形成 再结晶结束,2 再结晶动力学(kinetics of recrystallization),再结晶过程取决于形核率N 和长大速率G的大小；,再结晶过程有孕育期；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，随后逐渐变慢,1）再结晶的特点,2）约翰逊-梅厄方程（Johnson-Mehl equation）,它适用于均匀形核，而不适用于有选择性形核的情形（如形核优先在晶界等）,假定均匀形核，晶核为球形，形核率N和长大速率G不随时间改变，,则再结晶的体积分数：,3）阿弗拉密方程(Avrami equat

8、ion),或：,k为常数,2 再结晶动力学(kinetics of recrystallization,cont),针对恒温再结晶时形核率N随时间t的增加而呈指数关系衰减,再结晶的体积分数：,当再结晶是三维时，k为3-4；,当再结晶是二维时（薄板），k为2-3；,当再结晶是一维时（丝材），k为1-2。,3)等温温度对再结晶速率的影响,再结晶速率与产生某一再结晶体积分数的时间成反比：,即：,在两个不同的恒定温度产生同样程度的再结晶时，可得：,2 再结晶动力学(kinetics of recrystallization,cont),等温温度与再结晶速率的关系：,因此：,ln1/t=lnA Q/（R

9、T）,可以比较在不同温度下等温退火完成再结晶所需时间,或：,根据lgt-1/T的关系，可以求再结晶激活能,3 再结晶温度及其影响因素,再结晶温度(recrystallization temperature)：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。,一般以显微镜中出现第一颗新晶粒的温度或硬度下降50%所对应的温度定为再结晶温度。,工业上通常以经过大变形量（70%以上）的冷变形金属，经1小时退火完成再结晶（转变量大于95%）所对应的温 度为再结晶温度。,再结晶温度,1)变形程度的影响,冷变形量越大，再结晶驱动力越大，再结晶温度越低；,3 再结晶温度及其影响因素(cont),变形量达到一定程度后，再结

10、晶温度趋于稳定,给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量（临界变形度）(critical degree of deformation),2)原始晶粒尺寸,原始晶粒细小，冷变形后储存的能量大，晶界提供较多的形核位置，再结晶温度降低,3)微量溶质原子,提高金属的再结晶温度，其原因归于溶质原子的偏聚阻碍位错的滑移和晶界的迁移，不利于再结晶的形核和长大,4)粒子(precipitates),一般，第二相粒子尺寸大，间距宽时，有利形核，促进再结晶第二相粒子尺寸小，间距密集时，阻碍再结晶,3 再结晶温度及其影响因素(cont),4 再结晶后的晶粒大小,1)变形度的影响,临界变形度：给定温度下发生再结晶需要的

11、最小变形量；临界变形度下再结晶得到特别粗大晶粒,2)退火温度的影响,退火温度对刚完成再结晶时晶粒 尺寸的影响不大；,再结晶后的晶粒尺寸d与形核率N和长大速率G的关系：,d=C（G/N）1/4,当变形度大于临界变形度后，变形度越大，晶粒越细小,降低临界变形度数值；,加速再结晶后的晶粒长大过程,9.4 晶粒长大（grain growth）,1 晶粒的正常长大及其影响因素,当合金中存在第二相颗粒时，这些颗粒对晶界的迁移有阻碍作用。,再结晶结束后，若继续提高加热温度或延长加热时间，引起晶粒进一步长大的现象。,晶粒长大的驱动力是总晶界能的降低。,晶粒比较均匀的长大称为晶粒正常长大,恒温下正常晶粒长大的关

12、系式：,Dt=Ktn=K0 exp（-Q/RT）tn,第二相的尺寸越小，数量越多，再结晶的晶粒越细小,则：,设 为晶粒停止长大时的平均直径，r 为第二相粒子的半径，f 为第二相的体积分数，,n的数值一般小于1,2 异常晶粒长大(二次再结晶,abnormal grain growth,secondary recrystallization),异常晶粒长大是当再结晶完成后的金属继续加热到 某一温度以上，少数晶粒突然反常长大的现象,异常晶粒长大的基本条件,a)正常晶粒长大过程被分散相微粒、织构等强烈阻碍，再结晶过程产生细小晶粒。,b)当进一步加热时，这些阻碍正常晶粒长大的因素一旦 消失，少数晶粒就可

13、能异常长大,硅铁中MnS的存在可能导致异常晶粒长大,9.5 再结晶织构与退火孪晶（annealing twins）,(1)与原有的织构相一致；,(2)原有织构消失而代之以新的织构；,(3)原有织构消失不再产生新的织构,1 再结晶织构(recrystallization texture),具有变形织构的金属经再结晶后的新晶粒若仍具有择优取向，则称为再结晶织构,再结晶织构与变性织构的关系,2 退火孪晶(annealing twins),(1)晶界交角处(A)；,(2)贯穿晶粒的完整退火孪晶(B)；,(3)一端中止于晶内的不完整孪晶(C),退火孪晶晶粒生长过程中形成的,退火孪晶的形态,层错能低的晶体容易形成退火孪晶,如果材料在较高温度形变时，回复和再结晶在形变过程中相继发生，则称为动态回复和动态再结晶。它们是热加工过程中的重要现象。,热轧时的组织变化,