《金属热加工原理》PPT课件.ppt

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1、1,一、再结晶过程的特征,再结晶是一种形核和长大的过程。靠原子的扩散进行。冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶段发生的。,特点：1、组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒；2、力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧下降，塑性迅速升 高，应变硬化全部消除，恢复到变形前的状态；3、变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应力（点阵畸变）消除，位错密度明显降低。,11-8 再结晶,2,二、再结晶的形核,由于再结晶形核的区域不同，形核方式有：亚晶粒合并形核，亚晶粒长大形核，凸出形核。,1、亚晶粒合并形核,相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度，位错发生攀移和滑移并入到邻

2、近的晶界中。这样两个亚晶粒就合并成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行。,3,这种形核方式一般出现在冷变形量很大的金属中。通过再结晶前多边化形成较小的亚晶，亚晶界曲率不大，不易迁移，但某些亚晶界中的位错可通过攀移和滑移而迁移走，使亚晶界消失，亚晶合并。,4,2、亚晶粒迁移形核,当变形量很大时，较大的无应变亚晶（多边化时产生）为基础直接长大，吞食周围的亚晶，亚晶界向周围迁移。由于变形大，位错密度高，亚晶界曲率大，易于迁移。亚晶界迁移过程中清除并吸收其扫过亚晶的位错，使迁移亚晶界的位错增多，变成大角度晶界。当尺寸超过临界晶核时就成了再结晶的核心。,5,3、弓出形核,当冷变形量较小

3、时，再结晶在原晶界处形核。,对于多晶体，不同晶粒的变形程度不同，变形大的位错密度高，畸变能高；变形小的位错密度低，畸变能低。低畸变区向高畸变区伸展，以降低总的畸变能。,6,AB为两个不同位错密度区的边界（大角度晶界），两区域的单位体积自由能差为Gv。若AB向高密度位错晶粒（）弓出V的体积，形成无畸变新晶核，相应增加晶界面积A,弓出形核的能量条件是弓出晶界移动造成相应界面能上升和体积自由能降低。,7,这一过程体系的自由能变化 G=-GvV+A 导出形核过程自发进行的热力学条件为 Gv-A/V 其中为晶核单位面积的界面能晶核为球形，则 A/V=2/R（R为球半径）晶界弓出的能量条件变成 Gv-2/

4、R 球半径的最小值为Rmin=L，此时晶界弓出的最大阻力为2/L晶核继续长大时，体系自由能下降，过程自发进行。因此，R=L为再结晶的临界晶核尺寸，晶界弓成半球形之前的一段时间为再结晶形核的孕育期,8,再结晶晶核形成之后，晶核借界面的移动向周围畸变区长大，这个界面移动的驱动力仍然是储能，即无畸变新晶粒与周围畸变的旧晶粒之间的应变能差当各个新晶粒彼此接触，原来变形的旧晶粒全部消失时，再结晶过程即告完成，此时的晶粒大小即为“再结晶的初始晶粒度”,高密度位错区域,9,三、再结晶动力学,再结晶动力学是研究再结晶过程的速率问题，即建立再结晶体积分数和形核率、长大速率以及时间之间的关系。,（1）具有S形特征

5、，存在孕育期（2）再结晶速率开始时很小，然后逐渐加快，再结晶体积分数约为0.5时，速度达到最大值，随后逐渐减慢（3）温度越高，转变速度越快,10,恒温再结晶时的形核率是随时间增长而衰减的。当形核率I随时间呈指数关系衰减时，用阿弗拉密方程来描述恒温再结晶。即：XR=1-exp（-Btk）式中B、k均为系数，可由实验确定,上式推导可得出：,金属的再结晶时一个热激活过程，再结晶速度V再与温度T关系如下：V再=A*exp(-QR/RT)V再与产生一定量再结晶体积分数所需的时间t成反比，则：1/t=A*exp(-QR/RT)取对数推导得出：,11,再结晶温度并不是一个确定的物理常数，它随许多因素而改变。

6、再结晶有开始发生的温度和完成的温度之分，工程上所说的再结晶温度是指完成再结晶的温度。再结晶温度定义：经过严重冷变形的金属（70%）保温1h再结晶完成95%所对应的温度,对于工业纯的金属，其起始再结晶温度与熔点之间存在下列关系：T再=(0.30.4)T熔式中T熔温度是指绝对温度不适用于合金和高纯（纯度高于99.99%）金属,12,四、影响再结晶的因素,1、温度,加热温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结晶组织需要的时间越短。,13,2、变形程度,变形程度越大，储能越多，再结晶驱动力越大，因此变形程度越大，再结晶速度越快。,3、材料的纯度,微量的溶质原子对再结晶影响巨大。,溶质或杂质原子

7、偏聚在位错和晶界处，对位错的运动和晶界的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶，使再结晶温度升高。,例如，纯铜50%再结晶的温度为140C，加入0.01%Ag后升高到205C，若加入0.01%Cd（镉）后升高到305C。,14,4、原始晶粒尺寸,其他条件相同时，原始晶粒越细，冷变形抗力越大，变形后储存能越多，再结晶温度越低。同样变形度，原始晶粒越细，晶界总面积越大，可供再结晶形核的地方越多，形核率高，再结晶速度快。,5、第二相粒子,根据粒子尺寸和间距的大小，可分为二种情况：1）粒子较粗大，间距较远促进再结晶 原因：粒子对位错运动、亚晶界迁移的阻碍作用小；另一方面，加速再结晶形核。2）粒子细小，间距小

8、阻碍再结晶 原因：粒子阻碍位错运动和亚晶界迁移，使亚晶粒生长减慢或停止，就阻碍了再结晶的形核与长大。,15,例如，钢中加入少量的V,Ti,Nb,Zr,Al时，可生成弥散分布的化合物，其尺寸、间距都很小，都会提高钢的再结晶温度。所以，含有这些元素的钢一般都有较高的使用温度。,五、再结晶后晶粒大小,再结晶后的晶粒呈等轴状，其大小受多种因素的影响，主要有变形度、退火温度、退火时间、杂质及合金成分等。,上面讨论的影响再结晶的因素，凡是促进再结晶的都会使再结晶晶粒尺寸变得更大。下面再对变形度的影响讨论一下。,16,超过临界变形度后，随变形量增加，储存能增加，使再结晶驱动力增加，形核率和长大速率同时提高，

9、但由于形核率增加更快，所以再结晶后晶粒细化。对于有些金属或合金，当变形量相当大时，再结晶晶粒又会重新粗化。这就是二次再结晶（异常长大）造成的。,退火温度对临界变形度影响很大，温度越高，临界变形度越小。临界变形度越小，再结晶后的晶粒越粗大。,变形度对再结晶后晶粒大小的影响见下图。变形量很小时，金属中储存变形能很少，不足以发生再结晶，故退火后晶粒尺寸不变。能够发生再结晶的最小变形度通常在28%范围内。但此时再结晶驱动力小，形核率低，由于再结晶后的晶粒数量少，所以晶粒特别粗大。此变形度称为临界变形度。,17,工业纯铝，不同冷变形后550再结晶退火30min（1x）临界变形度2.5,18,注意：图中纵

10、坐标，向上表示晶粒数少，尺寸大。,19,多晶体金属经过大变形量的加工后可能产生变形织构具有变形织构的金属经过再结晶退火后，织构也难以完全消除，有时还可能出现新的“再结晶织构”（或称“退火织构”）再结晶织构的位向可能和原来的变形织构相同，也可能不同，但和原织构往往具有一定的取向关系当金属板材中重叠出现几种织构时，其方向性将会减弱,六、再结晶织构,20,再结晶织构,铜板在轧制时的板织构和退火后的再结晶织构,21,某些金属板材的再结晶织构,22,再结晶织构的形成机理,1.“定向生长理论”这种理论认为在变形基体中早已存在不同取向的晶核（即回复阶段形成的亚晶），其中只有那些取向有利的晶核其晶界才能获得最

11、快的迁移速率例如面心立方金属，只有当两个晶粒的位向差为3040时，其界面移动速率最快而其他取向的晶核生长速度太慢，在竞争生长中最终被淘汰长大速率大的晶核长成取向接近的再结晶晶粒，即形成了再结晶织构,23,再结晶织构的定向生长理论,615时铝新晶粒的晶界移动速率与位向差的关系,24,2.“定向形核理论”由于变形基体中已具有很强的择优取向，再结晶形核时晶核本身也具有择优取向，这些择优取向的晶核长大后必然具有择优取向，即形成再结晶织构,透射电镜选区衍射的实验结果表明定向生长机制是起主导作用的再结晶织构是保持原变形织构的情况下，定向形核也是很可能存在的不过定向形核以后，若要最终形成再结晶织构，定向生长

12、仍然是不可少的因此有人提出了定向形核和择优生长的综合理论。织构引起金属材料各向异性,25,面心立方金属和合金（如铜、黄铜及不锈钢等）经加工及再结晶退火以后，常常会出现很清晰的孪晶组织，称为“退火孪晶”孪晶中横贯整个晶粒而互相平行的分界面为孪晶面111，它为两边的晶体所共有，这种孪晶界称为“共格孪晶界”孪晶带在晶内终止处的端面属于非共格孪晶界,七、再结晶织构,26,一般认为，退火孪晶是由于新晶粒界面在推进过程中由于某些原因（如热应力等）而出现堆垛层错造成的例如由ABCABC的堆垛顺序变为ABCABBACBA就出现了一个共格的孪晶界，并随后在晶界角处形成退火孪晶，这种退火孪晶通过大角度晶界的移动而

13、长大长大过程中，如果原子在(111)界面上又发生错堆，由CBACBBCABC又恢复到了原来的堆垛顺序，这样又产生了一个共格孪晶界，在此之间便构成了孪晶带,27,退火孪晶的形成与层错能有关铜和铜合金、奥氏体钢的层错能低，故容易形成退火孪晶铝的层错能高，就难以出现退火孪晶近年来，在体心立方金属中也发现了退火孪晶，但晶体学关系较为复杂,28,H68黄铜的退火孪晶,29,QAl7的退火孪晶（120 x）,30,冷变形金属完成再结晶后，继续加热时会发生晶粒长大。晶粒长大又可分为正常长大和异常长大（二次再结晶）。,一、晶粒的正常长大,再结晶刚完成时得到的是细小的、无畸变和内应力的等轴晶粒。温度继续升高或延

14、长保温时间，晶粒仍可以继续长大，若是均匀地连续生长，就称为正常长大。,1、晶粒长大的驱动力,晶粒长大的驱动力从整体上看是晶粒长大前后总的界面能差。即晶粒长大后总界面积减小，总界面能降低，因而晶粒长大是自发过程。,11-9 再结晶后的晶粒长大,31,从微观上看，晶粒长大是靠晶界的迁移实现的。然而，此时晶界两边的晶体已没有能量差别，晶界会向哪边迁移？驱使晶界迁移的驱动力从何而来？,假设半径为R的球形B晶粒存在于A晶粒中：界面面积为4R2，总界面能为：E=4R2。半径R变化引起界面能的变化就是作用于晶界的力F，指向曲率中心；单位面积上的驱动力为p:,B,A,32,可见，晶界迁移的驱动力p随增大而增大

15、，随曲率半径R增大而减小。因此，弯曲的晶界将向曲率中心迁移。上图中晶粒B逐渐缩小，直至消失，晶粒A则在长大。,33,2、晶粒的稳定形貌,当3个晶粒相交于一点，两两相交于一直线时，其二维形状如图所示。由作用于O点的张力平衡可得到：1-2+2-3cos2+3-1cos1=0或 1-2/sin 3=2-3/sin 1=3-1/sin 2,由于比界面能通常为常数，所以1=2=3=120。,34,实际二维晶粒：较大的晶粒往往是六边以上，如晶粒I，晶界向内凹进；较小的晶粒往往小于六边，晶界向外凸出。,三维晶粒的稳定（平衡）形貌为十四面体，夹角为120。,晶界移动服从两个规律：1）弯曲的晶界向其曲率中心的方

16、向移动，趋于平直化2）晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动，力图使三个夹角都等于120,35,3、影响晶粒长大的因素,晶粒长大是通过晶界迁移实现的，所以影响晶界迁移的因素都会影响晶粒长大。,温度 晶界迁移是热激活过程，温度越高，晶粒长大速度越快。一定温度下，晶粒长到极限尺寸就停止，若提高温度，晶粒将继续长大。对于一定的金属，一定的温度对应着一定的晶粒尺寸。因此，控制温度，就可以获得需要的晶粒度，从而获得需要的性能。,时间 正常晶粒长大时，一定温度下，平均晶粒直径Dt与保温时间的平方根成正比：Dt=Ct1/2,36,第二相粒子 第二相粒子会阻碍晶界迁移、晶粒长大。第二相粒子的尺寸越小，体积分数越大，

17、阻碍作用越强，晶粒尺寸就会越小。,杂质及合金元素 杂质及合金元素溶入基体能够阻碍晶界迁移，特别是在晶界的偏聚，阻碍作用更加显著。,相邻晶粒的位向差 相邻晶粒间的位向差与界面能有关。小角度晶界的界面能低，晶界迁移的驱动力小，晶界迁移速度低。大角度晶界的界面能高，可动性高，晶界较容易移动。,37,二、晶粒的异常长大,再结晶完成后继续加热至高温，或保温更长时间，少数晶粒优先长大成特别粗大的晶粒,周围较细的晶粒则逐渐被吞食掉，整个组织由少数比再结晶后晶粒要大几十倍甚至几百倍的特大晶粒组成，这种晶粒的反常长大现象，称为“二次再结晶”不存在重新形核过程，在一次再结晶晶粒长大过程中某些局部区域的晶粒优先长大

18、驱动力：同正常晶粒长大，是长大前后的界面能差,38,39,发生异常长大的条件：,1、存在再结晶织构 金属冷变形时出现变形织构，一次再结晶后往往存在具有织构的再结晶组织，即再结晶织构。再结晶织构与其周围的再结晶晶粒取向接近，基本不存在大角度晶界，故晶界迁移率低。如果仅有少量的迁移率高的大角度晶界存在，就会发生二次再结晶。,2、第二相粒子分布不均匀 若局部区域第二相粒子较少，或加热温度升高使粒子溶解，则此处的晶粒便会继续长大，发生二次再结晶。,40,3、热蚀沟数量多 对于金属薄板加热条件下，在晶界与板表面相交处，由于表面张力的作用，会出现向板内凹陷的沟槽，称为热蚀沟。晶界若从热蚀沟中移出，势必会增加晶界面积，导致晶界迁移阻力增大，显然，板越薄，被热蚀沟钉扎的晶界越多。当仅有少数晶界可迁移时，便会发生二次再结晶。,二次再结晶形成非常粗大的晶粒及非常不均匀的组织，将大幅度降低材料的强度和塑性。因此，应注意避免发生二次再结晶。,