回复与再结晶

重点与难点

内容提要：

    晶体在外力的作用下发生形变.当外力较小时形变是弹性的,即卸载后形变也随之消失.这种可恢复的变形就称为弹性变形.但是,当外加应力超过一定值(即屈服极限)时,卸载后变形就不能完全消失,而会留下一定的残余变形或永久变形.这种不可恢复的变形就称为塑性变形.

    晶体的弹性和材料的微观组织(或结构)关系不大,而晶体的塑性(和强度)则对微观组织(结构)十分敏感.

    本章的重点时讨论单晶体的塑性变形方式和规律,并在此基础上讨论多晶体和合金的塑性变形特点及位错机制,以便认识材料强韧化的本质和方法,合理使用,研制开发新材料.

    从微观上看,单晶体塑性变形的基本方法有两种:滑移和孪生.滑移和孪生都是剪应变,即在剪应力作用下晶体的一部分相对与另一部分沿着特定的晶面和晶向发生滑移.在滑移时,改特定晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向,一个滑移面和位于该面上的一个滑移方向便组成一个滑移系统.类似的,在孪生时,该特定晶面和晶向分别称为孪生面和孪生方向,一个孪生面和位于该面上的一个孪生方向组成一个孪生系统.

    多晶体及合金的塑性变形,其基本方式也是滑移和孪生.不过,也各有其特点,如多晶体变形时,就会受晶粒取向及晶界的影响;而合金变形时还会受到第二相的影响.

    陶瓷晶体的塑性变形与金属不同.除了与结合键(共价键、离子键)的本性有关外,还与陶瓷晶体中的滑移多少、位错的柏氏矢量大有关.所以,仅有那些以离子键为主的单晶体陶瓷可以进行较多的塑性变形.

    许多高聚物在一定的条件下都能屈服,有些高聚物在屈服之后产生很大的塑性变形,但这与金属材料的屈服现象有着本质上的差别.高聚物的变形受温度的影响很大:在Tg以下,材料是钢硬的,只有弹性变形;在Tg附近,呈粘弹性或皮革状;在Tg以上呈橡胶态;接近Tm时呈粘性流动。

基本要求：

(1)熟悉滑移、孪生变形的主要特点;滑移系统及schmid定律(T=σm=Tk)

(2)能用位错理论解释晶体的滑移过程,滑移带和滑移线的形成,滑移系的特点;

(3)理解加工硬化、细晶强化、弥散强化、固溶强化等产生的原因和它的实际意义;

(4)了解聚合物及陶瓷塑性变形的特点;

(5)熟悉材料塑性变形后内部组织及性能的变化,这些变化的实际意义;

(6)了解屈服现象与应变实效,它对生产有什么危害及如何消除?

(7)熟悉下列概念及术语:滑移、滑移线、滑移带、滑移系、滑移面、滑移方向、临界分切应力、多滑移;孪生、孪晶、孪晶面、孪生方向;取向因子、屈服现象、吕德斯带、应变时效、柯氏气团;固溶强化、有序强化、细晶强化、弥散强化、第二相强化;纤维组织、胞状亚结构、位错网络、加工硬化、择优取向、变形织构、内应力.

 

回复、再结晶与晶粒长大是冷变形金属加热过程中经历的基本过程。

7．1形变金属及合金在退火过程中的变化

7．1．1显微组织的变化

    将冷塑性变形的金属材料加热到0.5T熔温度附近，进行保温，随时间的延长。第一阶段显微组织无变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状，称为回复阶段。第二阶段完全变成新的等轴晶粒，称为再结晶阶段。第三阶段称为晶粒长大阶段。

7．1．2储存能释放与性能变化

    冷塑变时，外力所作的功尚有一小部分储存在形变金属内部，这部分能量叫储存能。图7—2是三种不同类型的储存能释放谱。曲线A为纯金后、B与c为合金储存能释放谱。每条曲线都有一峰值，高峰开始出现对应再结晶开始，在此之前为回复。回复期A型纯金属储存能释放少，C型储存能释放最多。储存能的释放使金属的对结构敏感的性质发生不同程度的变化。

7．2回复

7．2．1回复机理

    低温回复主要涉及点缺陷的运动。空位或间隙原子移动到晶界或位错处消失，空位与间隙原子的相遇复合，空位集结形成空位对或空位片，使点缺陷密度大大下降。

    中温回复时．随温度升高．原子活动能力增强，位错可以在滑移面上猾移或交滑移，使异号位错相通相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化。

    高温回复，原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。主要机制是多边化。

    冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积，致使晶格弯曲，所增殖的位错杂乱分布

    高温回复过程中，这些刃位错便通过攀移和滑移，由原来能量较高的水平塞积。

7．2．2回复动力学

    图7—5为经拉伸变形的纯铁在不同温度下加热时，屈服强度的回复动力学曲线。（L—R)为剩余加工硬化分数，t为退火时间。

7．3再结晶

    冷变形后的金属加热到一定温度之后，在变形基体中，重新生成无畸变的新晶粒的过程叫再结晶。再结晶包括生核与长大两个基本过程，

7．3．1再结晶的形核

1．小变形量的弓出形核机制

2．亚晶合并机制

3．亚晶蚕食机制

7．3．2再结晶动力学

    对恒温再结晶动力学人们作过大量研究。图7—10为纯铜经98％冷轧，在不同温度下 等温再结晶．已经再结晶的体积分数xv与等温时间t的关系曲线。具有典型的形核，长大过程的动力学特征。等温温度越高，孕育期越短，再结晶速度越快。等温的每个温度下，再结晶速度开始很小，随xv的增加而逐渐增大，并在大约50％处达到最大，然后又逐渐减小。

7．3．3影响再结晶的因素

    影响再结晶的因素主要有以下几个方面：

1．温度

    热温度越高，再结晶转变速度V再越快，完成再结晶所需的时间也越短。

2．变形程度

    金属的变形度越大储存能也越多，再结晶驱动力也越大，因此再结晶速度也越低。工业

3．微量溶质原子

    不利于再结晶的形核与长大，阻碍再结晶，使再结晶温度升高。

4．原始晶粒尺寸

    晶粒越细，变形抗力越大，冷变形后储存能越多，再结晶温度越低。

5．分散相粒子

    分散相粒子直径较大，粒子间距较大的情况下，再结晶被促进：而小的粒子尺寸和小的粒子间距，再结晶被阻碍。

7．3．4再结晶后晶粒大小

1．变形度的影响

    变形量很小时，储存能少，不足以发生再结晶，故退火后晶粒尺寸不变：能发生再结晶的最小变形度通常在2％—8％范围内，此时驱动力小，形核率低，最终能长大的晶粒个数少，再结晶退火后晶粒特别粗大，称为“临界变形度”；超过临界变形度随变形度增加，储存能增加．从而使再结晶驱动力增加，导致生核率N与长大率G同时增加，但由于N增加速率大于G，同时增加．但由于N增加速率大于G，故再结晶后的晶粒得到细化。对于有些合金，当变形量相当大时再结晶晶粒义会更新粗化，这是晶粒异常长大造成的。

2．退火温度的影响

    提高退火温度，不仅使再结晶的晶粒长大，而且使临界变形度变小，临界变形度越小，再结晶后的晶粒也越粗大。

7．4晶粒长大

    冷变形金属在完成再结晶后，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）。

7．4．1晶粒的正常长大

    再结晶刚刚完成，得到细小的无畸变等轴晶粒，当升高温度或延长保温时间，晶粒仍可继续长大，若均匀地连续生长叫正常长大。

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。

    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。

2．晶粒的稳定形貌

    实际的二维晶粒如图7—20所示，较大的晶粒往往是六边以上。

3．影响晶粒长大的因素

(1)温度温度越高晶粒长大速度越快。一定温度下，晶粒长到极限尺寸后就不再长大，但提高温度后晶粒将继续长大。

(2)杂质与合金元素杂质及合金元素渗入基体后能阻碍晶界运动。

(3)第二相质点弥散分布的第二相粒子阻碍晶界的移动，可使晶粒长大受到抑制。

4．相邻晶粒的位向差

    晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关，小角度晶界界面能低，故界面移动的驱动力

小，晶界移动速度低，界面能高的大角度晶界可动性高。

 

7．4．2晶粒的异常长大

    异常晶粒长大又称不连续晶粒长大或二次再结晶，是—种特殊的晶粒长大现象。

    发生异常长大的条件是，正常晶粒长大过程被分散相粒子，织构或表面热蚀沟等强烈阻碍，能够长大的晶粒数目较少，致使晶粒大小相差悬殊。晶粒尺寸差别越大，大晶粒吞食小晶粒的条件越有利，大晶粒的长大速度也会越来越快，最后形成晶粒大小极不均匀的组织。

二次再结晶形成非常粗大的晶粒及非常不均匀的组织，从而降低了材料的强度与塑性。因此在制定冷变形材料再结晶退火工艺时．应注意避免发生二次再结晶。

7．5金属的热变形

    热变形或热加工指金属材料在再结晶温度以上的加工变形。工业生产个，高温进行的锻造，轧制等压力加工属热加工。热加工过程中，在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。

7．5．1 动态回复

    动态回复主要发生在曾错能高的金属材料的热变形过程中，动态回复是其主要或唯一的软化机制。

7．5．2动态再结晶

    具有动态再结晶的真应力-真应变曲线如图7-24

    随变形量增加位错密度不断增高，使动态再结晶加快，软化作用逐渐增强，当软化作用开始大于加工硬化作用时．曲线开始下降。当变形造成的硬化与再结晶造成的软化达到动态平衡时，曲线进入稳定阶段。在低应变速率下，与其对应的稳定态阶段的曲线呈波浪形变化，这是由于低的应变速率或较高的变形温度下，位错密度增加速率小，动态再结晶后，必须进一步加工硬化，才能再一次进行再结晶的形核。

    因此这种情况下，动态再结品与加工硬化交替进行：使曲线呈波浪式。层错能偏低的材料如铜及其合金，奥氏体钢等易出现动态再结晶。故动态再结晶是低错能金属材料热交形的主要软化机制。

7．5．3热加工后的组织及性能

    金属高温塑性好，变形抗力低．可进行大量的塑变，使铸锭中的组织缺陷明显改善。如使气泡焊合提高了材料的致密度和机械性能，改善了组织。

    热加工过程中，某些枝晶偏析，晶界杂质偏聚．夹杂物或第二相粒子将随变形的进行,

    沿加工变形方向分布，在浸蚀的宏观磨面上，可看到沿变形方向分布的．形态呈纤维状的“流线”。

 

习题

1．名词解释

2．何为一次再结晶和二次再结晶?发生二次再结晶的条件有哪些?

3．动态回复与动态再结晶的真应力一真应变曲线有何差异?试解释之。