材料科学基础4-回复、再结晶优秀PPT.ppt
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1、 第九章第九章 回复、再结晶与热加工回复、再结晶与热加工1 1 变形金属加热时组织性能变化的特点变形金属加热时组织性能变化的特点2 2 回复回复3 3 再结晶再结晶4 4 晶粒长大晶粒长大5 5 金属的热加工金属的热加工6 6 超塑性超塑性1 1 变形金属加热时组织性能变化的特点变形金属加热时组织性能变化的特点 储能是促使冷变形金属发生变化的驱动力。观察冷变形金属加热时的变化,从储能释放及组织结构和性能的变化来分析,可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。一、一、变形金属加热时变形金属加热时显微组织的变化显微组织的变化二、二、变形金属加热时变形金属加热时储能的释放储能的释放A:纯金属B:不纯的金
2、属C:合金三、三、变形金属加热时变形金属加热时性能的变化性能的变化2 2 回复回复一、回复动力学一、回复动力学1回复动力学曲线回复动力学回复动力学特点特点:(1)回复过程没有孕育期,随着退火的开始进行,发生软化。(2)在一定温度下,初期的回复速率很大,以后逐渐变慢,直到最后回复速率为零。(3)每一温度的回复程度有一极限值,退火温度越高,这个极限值也越高,而达到此极限所需时间则越短(4)回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。2 2回复动力学方程回复动力学方程 设P为冷变形后在回复阶段发生变化的某种性能,如临界切应力,P0为变形前该性能的值,P=P-P0为加工硬化造成的该性能的增量,与晶体中晶体
3、缺陷的体积浓度CP成正比。P-P0=P=K CP (1)将(1)式对时间t求导,得出CP与P随时间的变化率为:(2)缺陷的变化是一个热激活的过程,设激活能为Q,仿照化学动力学的方法,对一级反应,反应速度与浓度的一次方成比例则(2)式变为:将(1)式代入:(3)积分得:(4)由(4)式得出:回复阶段性能随时间而衰减,服从指数规律。如果采用两个不同的温度将同一冷变形金属的性能回复到同样的程度,则回复动力学方程回复动力学方程例:已知锌单晶的回复激活能Q=20000cal/mol,在0回复到残留75%的加工硬化需5min,请问在27和-50回复到同样程度需多长时间?解:(min)min13(天)测量出
4、几个不同温度下回复到相同P值所需的时间,利用(4)式并取对数,得到:从 关系可求出激活能,利用Q以推断可能的回复机制。二、回复机制二、回复机制 一般认为是点缺陷和位错在退火过程中发生运动,从而改变了它们的组态和分布。1.低温回复:回复的机制主要是过剩空位的消失,趋向于平衡空位浓度。2.中温回复:其主要机制是位错滑移导致位错重新组合;异号位错会聚而互相抵消以及亚晶粒长大。3.高温回复:回复机制是包括攀移在内的位错运动和多边化,以及亚晶粒合并。三、回复退火的应用三、回复退火的应用 主主要要用用作作去去应应力力退退火火,使使冷冷加加工工金金属属在在基基本本上上保保持持加加工工硬硬化化的的状状态态下下
5、降降低低其其内内应应力力,以以稳稳定定和和改改善善性性能能,减减少少变变形和开裂,提高耐蚀性。形和开裂,提高耐蚀性。3 3 再结晶再结晶 冷冷变变形形后后的的金金属属加加热热到到一一定定温温度度后后,在在原原来来的的变变形形组组织织中中产产生生无无畸畸变变的的新新晶晶粒粒,而而且且性性能能恢恢复复到到变变形形以以前前的的完完全全软软化化状状态态,这这个个过过程程称称为为再再结结晶。晶。其驱动力为冷变形时所产生的储能。其驱动力为冷变形时所产生的储能。一、再结晶的形核与长大一、再结晶的形核与长大1形核1).亚晶粒粗化的形核机制一般发生在冷变形度大时 A.亚晶合并形核,适于高层错能金属。再结晶的形核
6、再结晶的形核亚晶粒粗化的形核之之-B.亚晶粒长大形核 适于低层错能金属,通过亚晶合并和亚晶长大,使亚晶界与基体间的取向差增大,直至形成大角度晶界,便成为再结晶的核心再结晶的形核再结晶的形核-(2)原有晶界弓出的形核机制 一般发生在形变较小的金属中,变形不均匀,位错密度不同2再结晶的长大再结晶的长大 形核之后,无畸变核心与周围畸变的旧晶粒之间的应变能差是核心长大的驱动力,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。二、再结晶动力学二、再结晶动力学1恒温动力学曲线 冷轧60%的含Si3.25钢的等温再结晶曲线再结晶恒温动力学曲线特点(1)具有S形特征,存在孕育期(2)再结
7、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。再结晶恒温动力学方程2 2Johnson-MehlJohnson-Mehl(约翰逊(约翰逊梅厄)方程梅厄)方程=1-exp(-G3N 4/3):已再结晶体积分数 N:形核速度G:长大速度 :退火保温时间3Avrami(阿弗瑞米)方程:=1-exp(-ktn):已再结晶体积分数 k,n:系数t:退火保温时间 阿弗瑞米方程较约翰逊梅厄方程更为适用。三、三、影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素 通通 常常 把把 再再 结结 晶晶 温温 度度 定定
8、义义 为为 经经 过过 严严 重重 冷冷 变变 形形 的的 金金 属属(70%70%),加加热热1 1小小时时,再再结结晶晶体体积积占占到到总总体体积积的的95%95%的的温温度度。另另外外,有有的的文文献献把把保保温温30-60min30-60min,开开始始发发生生再再结结晶晶或或完完成成50%50%再再结结晶晶的的温温度度定定义义为为再再结结晶晶温温度度,因因此此,引引用用再再结结晶晶温温度度时时,必必须须注意它的具体条件注意它的具体条件。对于工业纯金属,其起始再结晶温度与熔点之间存在下列关系:对于工业纯金属,其起始再结晶温度与熔点之间存在下列关系:T T再再=(0.3-0.40.3-0
9、.4)T T熔1 1退火温度影响形核和长大退火温度影响形核和长大 N=N0exp(-QN/RT),G=G0exp(-QG/RT)N0、G0:常数常数 Q QN、Q QG:形核激活能和长大激活能:形核激活能和长大激活能 升高退火温度,将显著提高形核率和升高退火温度,将显著提高形核率和G G,再结晶速度加快。,再结晶速度加快。影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之2 2变变形形程程度度:变变形形程程度度增增高高,再再结结晶晶速速度度加加快快,再再结结晶晶温温度降低,并逐步趋于一稳定值度降低,并逐步趋于一稳定值。例1:纯Zr 当面积缩减13%时,557完成等温再
10、结晶需40h 当面积缩减51%时,557完成等温再结晶需16h:例例2 2影影响响再再结结晶晶速速率率与与再再结结晶晶温温度度的的主主要要因因素素之之3 3微量溶质原子或杂质:微量溶质原子或杂质:微微量量溶溶质质原原子子或或杂杂质质提提高高金金属属的的再再结结晶晶温温度度,降降低低再再结结晶速度晶速度材 料 50%再结晶的温度()备 注光谱纯铜140Cu的原子半径为1.28光谱纯铜加入0.01%Ag205Ag的原子半径为1.44 光谱纯铜加入0.01%Cd305Cd 原子半径为1.52 影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之4 4第二相:第二相:第二相可能
11、促进,也可能阻碍再结晶,主要取决第二相可能促进,也可能阻碍再结晶,主要取决于基体上第二相粒子的大小及其分布于基体上第二相粒子的大小及其分布。设粒子间距为设粒子间距为 ,粒子直径为,粒子直径为didi:1m1m,di0.3m di0.3m 第第 二二 相相 粒粒 子子 降降 低低 再再 结结 晶晶 温温 度度,提提 高高 再结晶速度再结晶速度 1m1m,di0.3m di0.3m 第二相粒子提高再结晶温度,降低第二相粒子提高再结晶温度,降低 再结晶速度再结晶速度合 金(m)di对再结晶的影响Cu+B4C52m促进Cu+Al2O32.5300阻碍Cu+Co+SiO20.5-1.0m800阻碍影响再
12、结晶速率与再结晶温度的主要因素之影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之5 5原始晶粒原始晶粒 原始晶粒细小使再结晶速度增加,再结晶温度原始晶粒细小使再结晶速度增加,再结晶温度 降低。降低。6 6加热速度加热速度 极快的加热或加热速度过于缓慢时,再结晶速度极快的加热或加热速度过于缓慢时,再结晶速度降低,再结晶温度上升。降低,再结晶温度上升。7 7加热时间加热时间 在一定范围内延长加热时间会降低再结晶温度在一定范围内延长加热时间会降低再结晶温度例:例:纯纯AlAl的加热时间与再结晶温度的关系的加热时间与再结晶温度的关系:加热时间14天40小时6小时1分钟5秒T再254060100150四、再结晶后
13、晶粒大小的控制四、再结晶后晶粒大小的控制再再 结结 晶晶 后后 晶晶 粒粒 尺尺 寸寸 d d与与 G G和和 之之 间间 存存 在在 下下 列列 关关 系系:d=d=常常 数数(G/NG/N)1/41/4)上上式式表表明明:增增大大形形核核率率或或减减小小长长大大速速率率G G可可以以得得到到细细的的再再结结晶晶晶晶粒粒 1 1变形程度变形程度对应于再结晶后对应于再结晶后得到特别粗大晶得到特别粗大晶粒的变形程度称粒的变形程度称为为“临界变形度临界变形度”,一般为一般为2-10%2-10%,当变形量超过临当变形量超过临界变形度以后,界变形度以后,随变形度增加,随变形度增加,再结晶晶粒变细。再结
14、晶晶粒变细。四、再结晶后晶粒大小的控制之四、再结晶后晶粒大小的控制之2 2原始晶粒大小原始晶粒大小 原始晶粒越细,再结晶后晶粒越细原始晶粒越细,再结晶后晶粒越细。四、再结晶后晶粒大小的控制之四、再结晶后晶粒大小的控制之-3 3退火温度退火温度 当变形程度和保温时间一定时,退火温度当变形程度和保温时间一定时,退火温度越高,所得到的晶粒越粗大。越高,所得到的晶粒越粗大。如图,如图,H68H68合金随终轧温度由合金随终轧温度由a a至至d d的的的提高,再结晶晶粒越大的提高,再结晶晶粒越大 四、再结晶后晶粒大小的控制之四、再结晶后晶粒大小的控制之4.4.加热速度加热速度 加热速度很慢将使晶粒粗化加热
15、速度很慢将使晶粒粗化 5 5合金元素及第二相合金元素及第二相 在在其其他他条条件件相相同同的的情情况况下下,凡凡延延缓缓再再结结晶晶及及阻阻碍碍晶晶粒粒长长大大的的合合金金元元素素或或杂杂质质均使金属再结晶后得到细晶粒组织均使金属再结晶后得到细晶粒组织。五、再结晶全图五、再结晶全图 将变形程度、退火温度与再结晶后晶将变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系(保温时间一定)表示在一个立体图上,就构成了粒大小的关系(保温时间一定)表示在一个立体图上,就构成了“再结再结晶全图晶全图”。六、再结晶织构六、再结晶织构1 1定义定义:冷变形金属在再结晶过程中形成的织构。冷变形金属在再结晶过程中形成的织构
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