材料科学基础第7章

2 再结晶组织 1再结晶图。
退火温度、变形量与晶 粒大小的关系图。
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2）退火孪晶:再结晶退火后出现的孪晶。是由 于再结晶过程中因晶界迁移出现层错形成的。
B 完整退火孪晶（共格）
C 不完整退火孪晶（非共格） A交角处退火孪晶（非共格） 完整判定：是否贯穿晶粒 共格判定：两侧是否平行
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退火孪晶是再结晶过程中因晶界迁移出现层错 形成的。
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第五节 金属的热变形
热加工与冷加工的区别 凡在金属的再结晶温度以下进行的塑性变形称 为冷加工；而在再结晶温度以上进行的塑性变 形称为热加工。 冷加工常常产生加工硬化；热加工通常不会带 来强化效果。
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热加工温度：T再<T热加工<T固－100～200℃。 热加工本质：变形中加工硬化与动态软化同时 进行的过程 热变形过程中动态软化包括动态回复和动态再 结晶两种方式。热变形停止后，高温下还会发 生静态回复和静态再结晶。
经验公式 工业纯金属：T再＝(0.35～0.45)Tm。
合金：T再＝(0.4～0.9)Tm。
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注：用于生产中再结晶退火温度一般比上述温 度高100～200℃。
①变形量越大，驱动力越大，再结晶 温度越低； 影响因素 ②纯度越高，再结晶温度越低； ③加热速度太低或太高，再结晶温度 提高。
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四 影响再结晶的因素
回复——冷变形金属加热时，尚未发生光学显 微组织变化前（即再结晶前）的微观结构及性 能的变化过程。 驱动力：弹性畸变能的降低。
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特点： 组织不变； 力学性能基本不变； 内应力明显下降。
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1 低温回复
温度：（0.1～0.3Tm）
特点：温度较低，原子活动能力有限，主要局限 于点缺陷的运动，空位浓度显著下降。 2 中温回复 温度：（0.3～0.5Tm） 特点：原子活性能力增强，位错也被激活，位错 密度也有所下降
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过程：大吃小
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2 异常长大的原因
1）温度过高造成细小、弥散的第二相粒子的局 部溶解，使得个别晶界在长大中不受钉扎或者 钉扎极少。
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2）少数位向差大的大角度晶界有较高的迁移 率，此处晶粒能迅速长大。 3）热蚀钩钉扎晶界。使少数晶粒边界可迁移， 便易发生二次再结晶。
4）个别大尺寸初始晶粒，晶界迁移率高于其他 晶界，就会迅速长大。
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回复阶段：显微组织为纤维状，无可见变化； 再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转 变为新的无畸变的等轴晶粒。 晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相 对稳定的形状和尺寸。
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二 性能变化
1 物理性能
密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急 剧升高； 电阻：电阻在回复阶段可明显下降
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2 力学性能
二 再结晶动力学 （1）再结晶速度与温度的关系（热激活过程） v再＝Aexp(-QR/RT) （2）规律 开始时再结晶速度很小，在体积分数为50％时 最大，然后减慢。
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三 再结晶温度 1 再结晶与相变的区别 共同点：①形核-长大过程； ②都使组织形态发生了彻底改变； ③转变动力学也有固态相变特点。 区别： ①再结晶前后各晶粒的点阵结构类型和成分都 未变化。 ②再结晶温度不像结晶那样有确定的转变温度。
带状组织和纤维 组织有何异同
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热加工的优点 1）可持续大变形量加工。 2）动力消耗小。 3）提高材料质量和性能
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三 超塑性 超塑性：某些材料在特定变形条件下呈现的 特别大的延伸率。
条件：晶粒细小、温度范围（0.5～0.65Tm）、 应变速率小（1～0.01%/s）。
本质：多数观点认为是由晶界的滑动和晶粒 的转动所致。
动态回复、动态再结晶、 静态回复、静态再结晶区别
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一 动态回复与动态再结晶 1 动态回复：在塑变过程中发生的回复。
动态回复过程中的微观变化：
热变形开始阶段 位错密度增加
稳定阶段
位错密度基本恒定
软化过程的实现：通过韧型位错的攀 移、螺位错的交滑移，使异号位错对 消、位错密度降低的结果。
由于加工硬化和软 化达到平衡，位错 增殖和消失平衡
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动态回复中的组织： （1）也发生多边化(类似静态回复)，形成亚晶。 亚晶在稳定阶段保持等轴状态和恒定尺寸。 （2）动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶， 故仍呈纤维状
亚晶的尺寸受变形速率与变形温度的影响，变形速率 越小，变形温度越高，生成的亚晶尺寸也越大。
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动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。
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五 再结晶晶粒大小的控制 再结晶晶粒的平均直径
d=k[G/N]1/4
存在临界变形量，生产 中应避免临界变形量。
变形度为2%~8%时， 再结晶后的晶粒特别粗 大，此时的变形度即所 谓临界变形度
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六 再结晶的应用 恢复变形能力 改善显微组织 消除各向异性 提高组织稳定性
再结晶退火
再结晶温度：T再＋100～200℃。
回复：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。
再结晶：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。
晶粒长大：强度、硬度继续下降，塑性继续提 高，粗化严重时下降。
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内应力的变化
回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力， 部分消除第二、三类内应力； 再结晶阶段：内应力可完全消除。
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第二节
一
回复
回复过程中微观结构的变化机制
某些取向差较小 的相邻亚晶边界 上的位错网络通 过解离、拆散并 转移到其他亚晶 界上，导致亚晶 界的消失或亚晶 之间的合并而成 为大角度晶界。
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2） 亚晶直接长大形核（吞并其它亚晶）
某些取向差较大 的亚晶界具有较 高的移动性，可 以直接吞食相邻 亚晶粒
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晶界迁移的驱动力：相邻晶粒间的畸变能差 晶界移动的方向：背向其曲率中心
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组织：枝晶、偏析、夹 杂物沿变形方向呈纤维 状分布。 性能：各向异性。沿流 线方向塑性和韧性提高 明显。 流线的应用：流线的分布形态与零件的几何外 形一致并在零件内部封闭。不在外部露头。
例如曲轴工作时最大应力与流线平行，冲击力 与流线平行，不易断裂。
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3 形成带状组织 形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响：各向异性。 消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、 采用高温扩散退火或正火。
二次再结晶和一次再结晶的驱动力相同，长大规律相同
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3 组织和性能的影响 各向异性 织构明显 晶粒大小不均 晶粒粗大
优化磁导率 性能不均 降低强度/塑韧性 提高表面粗糙度
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三 再结晶退火的组织
1 再结晶退火
目的：软化金属为后续加工作组织准备（中间 退火）
冷变形后细化晶粒，改善组织（最终退火）
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第四节 晶粒长大
晶粒长大：再结晶过程结束之后发生的晶粒长 大过程。 条件：继续升温或者延长保温 与再结晶的驱 驱动力：界面能差； 动力比较？ 长大方式：正常长大； 异常长大（二次再结晶）
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一、晶粒的正常长大 1 晶粒的长大方式 长大是以大角度晶界迁移、晶粒相互吞食方式 进行的。
晶粒长大是通过大晶粒吞食小 晶粒，晶界向曲率中心移动的 方式进行的。
（2）动态再结晶得到等轴晶粒组织，晶粒较 为细小，晶粒大小决定于应变速率和变形温度。
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二 热加工后的组织与性能 1 改善铸锭组织。
2 形成纤维组织（流线）。
定义：热加工可使各种可变形的夹杂物会沿变 形方向拉长呈链状、带状分布，称为流线；也 称纤维组织。（不能通过回复和再结晶消除）
流线和纤维组织有 何异同？
退火温度
温度越高，再结 晶速度越大。
变形程度
变形量越大，再结晶温度越低； 随变形量增大，结晶温度趋于 稳定； 变形量低于一定值，再结晶不 能进行。
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变形程度
原始晶粒尺寸
晶粒越小，驱动 力越大；晶界越 多，有利于形核。
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微量溶质元素。
阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。
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第二相
间距和直径都较大时,提高畸变能，并可作为形 核核心，促进再结晶； 直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁 移，阻碍再结晶。
再结晶不是相变
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2 再结晶温度 定义：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度 测定方法：金相法、硬度法和X射线衍射法 实际生产中的再结晶温度： 经严重冷变形（变形量>70%）的金属或合金， 在1h内能够完成再结晶的 （再结晶体积分数 >95%）最低温度。 高纯金属：T再＝(0.25～0.35)Tm。
第七章 回复与再结晶
金属经过冷塑性变形自由能升高，处于热 力学亚稳状态。原子获得足够的活动性，冷 变形金属会自发向低能稳定态转变，这种转 变过程分为回复、再结晶和晶粒长大3个阶段。
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第一节 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
一、显微组织的变化
将经过较大冷变形量的金属用比较缓慢的速度 加热，观察组织变化可
面心立方金属的 孪晶界面能低于 一般的大角度晶 界能的程度越大， 越易形成退火孪 晶。
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3） 再结晶织构
冷变形金属在再结晶过程中形成具有择优取向 的晶粒。 特点：①与原变形织构可能一致，也可能不一 致，②与变形织构有一定的取向关系 。 形核模式： 择优形核 择优生长 再结晶织构的性能：各向异性，使得变形不均 匀，出现“制耳”。
方向恰恰和再结晶过程晶粒长大相反 图7－14 铝晶粒长大的晶界迁移
（1－迁移前的晶界位置 2－迁移后 的晶界位置）
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2 晶粒长大的驱动力 界面能差。（即总的界面能降低） 3 晶粒的稳定形状 晶粒长大的极限：晶界平直状，迁移停止。 长大后的晶粒稳定的条件：晶界趋于平直;晶界 夹角趋于120。; （由界面张力平衡规律决定）