金屬塑性變形理論

Theoryofmetalplasticdeformation

第四講LessonFour回復與再結晶2023/1/112第三章塑性加工時組織性能的變化主要內容MainContent冷加工退火時的回復與再結晶熱加工時的回復與再結晶2023/1/1133.3冷加工退火時的回復與再結晶經(jīng)塑性變形的材料具有自發(fā)恢復到變形前低自由能狀態(tài)的趨勢。當冷變形金屬加熱時會發(fā)生回復、再結晶和晶粒長大等過程。了解這些過程的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，對于改善和控制金屬材料的組織和性能具有重要的意義。2023/1/114回復、再結晶和晶粒長大回復——是指新的無畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結構和性能變化的階段；再結晶——是指出現(xiàn)無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程；晶粒長大——是指再結晶結束之后晶粒的繼續(xù)長大。2023/1/1153.3.1回復冷變形金屬在低于再結晶溫度下加熱時，顯微組織與強度、硬度均不發(fā)生明顯變化，只有某些物理性能和微細結構發(fā)生變化。這是由于原子在微晶內只能進行短距離擴散，使點缺陷和位錯在退火過程中發(fā)生運動，從而改變了它們的數(shù)量和分布。在回復階段，由于不發(fā)生大角度晶界的遷移，所以晶粒的形狀和大小與變形態(tài)的相同，仍保持著纖維狀或扁平狀，從光學顯微組織上幾乎看不出變化。2023/1/116低溫回復（0.1~0.2Tm）機理：點缺陷運動移至晶界、位錯處空位＋間隙原子空位聚集（空位群、對）消失缺陷密度降低2023/1/117中溫回復（0.2~0.3Tm）：位錯滑移異號位錯相遇而抵銷位錯纏結重新排列亞晶粒長大位錯密度降低高溫回復（0.3~0.5Tm）：多邊化（亞晶粒）位錯攀移（＋滑移）位錯垂直排列（亞晶界）彈性畸變能降低2023/1/118多邊形化前、后刃型位錯的排列情況2023/1/1193.3.2再結晶在再結晶階段，首先是在畸變度大的區(qū)域產(chǎn)生新的無畸變晶粒的核心，然后逐漸消耗周圍的變形基體而長大，直到形變組織完全改組為新的、無畸變的細等軸晶粒為止。2023/1/11102023/1/1111再結晶的形核與長大

形核亞晶長大形核機制（變形量較大時）亞晶合并形核亞晶界移動形核（吞并其它亞晶或變形部分）晶界凸出形核（變形量較小時）（晶界弓出形核，凸向亞晶粒小的方向）長大驅動力：畸變能差方式：晶核向畸變晶粒擴展，直至新晶粒相互接觸注：再結晶不是相變過程2023/1/1112具有亞晶組織的晶間凸出形核示意圖2023/1/1113再結晶動力學再結晶速度與溫度的關系開始時再結晶速度很小，在體積分數(shù)為0.5時最大，然后減慢。2023/1/1114再結晶晶粒分數(shù)同一變形度的Fe-0.03C-0.5Mn-0.19Nb合金冷軋80%在不同溫度等溫退火后的再結晶曲線2023/1/1115再結晶溫度經(jīng)嚴重冷變形（變形量>70%）的金屬或合金，在1h內能夠完成再結晶的（再結晶體積分數(shù)>95%）最低溫度。

高純金屬：T再＝(0.25~0.35)Tm工業(yè)純金屬：T再＝(0.35~0.45)Tm

合金：T再＝(0.4~0.9)Tm2023/1/1116影響再結晶溫度的因素變形量越大，驅動力越大，再結晶溫度越低；純度越高，再結晶溫度越低；加熱速度太低或太高，再結晶溫度提高2023/1/1117影響再結晶的因素退火溫度。溫度越高，再結晶速度越大變形量。變形量越大，再結晶溫度越低；隨變形量增大，再結晶溫度趨于穩(wěn)定；變形量低于一定值，再結晶不能進行。原始晶粒尺寸。晶粒越小，驅動力越大；晶界越多，有利于形核。2023/1/1118微量溶質元素。阻礙位錯和晶界的運動，不利于再結晶。第二分散相。間距和直徑都較大時，提高畸變能，并可作為形核核心，促進再結晶；直徑和間距很小時，提高畸變能，但阻礙晶界遷移，阻礙再結晶。2023/1/1119再結晶晶粒大小的控制變形量。存在臨界變形量，生產(chǎn)中應避免臨界變形量。原始晶粒尺寸。晶粒越小，驅動力越大，形核位置越多，使晶粒細化。合金元素和雜質。增加儲存能，阻礙晶界移動，有利于晶粒細化。溫度。變形溫度越高，回復程度越大，儲存能減小，晶粒粗化；退火溫度越高，臨界變形度越小，晶粒粗大。2023/1/1120由圖中的曲線可以看出，當溫度一定時，變形程度越大，再結晶后晶粒越?。划斪冃纬潭纫欢〞r，溫度越高，再結晶退火以后的晶粒越大。在低變形程度時出現(xiàn)一個晶粒尺寸非常大的區(qū)，即是由于臨界變形量所造成的；當強烈冷變形且在高溫下退火時也會產(chǎn)生特別粗大的晶粒。這是由于發(fā)生了二次再結晶的緣故。為獲得強度高的細晶組織，在制定塑性加工工藝時，就要避開臨界變形區(qū)和二次再結晶區(qū)。2023/1/11213.3.3晶粒長大在晶界表面能的驅動下，新晶粒互相吞食而長大，從而得到一個在該條件下較為穩(wěn)定的尺寸，稱為晶粒長大階段。長大方式：正常長大；異常長大（二次再結晶）2023/1/1122正常長大再結晶后的晶粒均勻連續(xù)的長大。驅動力：界面能差。界面能越大，曲率半徑越小，驅動力越大。晶粒的穩(wěn)定形狀晶界趨于平直晶界夾角趨于120°

二維坐標中晶粒邊數(shù)趨于6，晶界外形趨于穩(wěn)定的正六邊形。2023/1/1123晶界向曲率中心移動，趨向于平直化晶粒邊界少于6的晶粒在縮小和消失2023/1/1124影響晶粒長大的因素溫度。溫度越高，晶界易遷移，晶粒易粗化。分散相粒子。阻礙晶界遷移，降低晶粒長大速率。雜質與合金元素。降低界面能，不利于晶界移動。晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界，因而前者的移動速率低于后者。2023/1/1125異常長大少數(shù)再結晶晶粒的急劇長大現(xiàn)象。機理釘扎晶界的第二相溶于基體再結晶織構中位向一致晶粒的合并大晶粒吞并小晶粒2023/1/1126再結晶晶粒的異常長大2023/1/11273.3.4性能變化強度與硬度回復階段的硬度變化很小，約占總變化的1／5，而再結晶階段則下降較多。可以推斷，強度具有與硬度相似的變化規(guī)律。上述情況主要與金屬中的位錯機制有關，即回復階段時，變形金屬仍保持很高的位錯密度，而發(fā)生再結晶后，則由于位錯密度顯著降低，故強度與硬度明顯下降。2023/1/1128電阻變形金屬的電阻在回復階段已表現(xiàn)明顯的下降趨勢。因為電阻率與晶體點陣中的點缺陷（如空位、間隙原子等）密切相關。點缺陷所引起的點陣畸變會使傳導電子產(chǎn)生散射，提高電阻率。它的散射作用比位錯所引起的更為強烈。因此，在回復階段電阻率的明顯下降就標志著在此階段點缺陷濃度有明顯的減小。

2023/1/1129內應力在回復階段，大部或全部的宏觀內應力可以消除，而微觀內應力則只有通過再結晶方可全部消除。2023/1/1130亞晶粒尺寸在回復的前期，亞晶粒尺寸變化不大，但在后期，尤其在接近再結晶時，亞晶粒尺寸就顯著增大。2023/1/1131密度變形金屬的密度在再結晶階段發(fā)生急劇增高，顯然除與前期點缺陷數(shù)目減小有關外，主要是在再結晶階段中位錯密度顯著降低所致。2023/1/1132儲能的釋放當冷變形金屬加熱到足以引起應力松弛的溫度時，儲能就被釋放出來?；貜碗A段時各材料釋放的儲存能量均較小，再結晶晶粒出現(xiàn)的溫度對應于儲能釋放曲線的高峰處。2023/1/1133儲存能：存在于冷變形金屬內部的一小部分（～10％）變形功。存在形式儲存能的釋放：原子活動能力提高，遷移至平衡位置，儲存能得以釋放。彈性應變能（3～12％）位錯（80～90％）點缺陷回復與再結晶的驅動力2023/1/1134回復與再結晶對塑性變形金屬性能的影響2023/1/11353.4熱加工時的回復與再結晶動態(tài)回復與動態(tài)再結晶靜態(tài)回復與靜態(tài)再結晶亞動態(tài)再結晶2023/1/1136金屬材料在熱軋和擠壓時的軟化過程2023/1/11373.4.1動態(tài)回復與動態(tài)再結晶動態(tài)回復是金屬在熱變形中發(fā)生的一種軟化過程。通過位錯的攀移、交滑移和位錯從結點脫釘來實現(xiàn)的。若把變形金屬從穩(wěn)定變形階段迅速冷卻后，取樣做電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)拉長的晶粒內部出現(xiàn)了許多等軸的亞晶粒。亞晶的出現(xiàn)，標志動態(tài)回復產(chǎn)生了。

2023/1/1138動態(tài)再結晶也是金屬在熱變形中發(fā)生的一種軟化過程。其軟化作用遠大于動態(tài)回復。2023/1/1139該曲線在高應變速度下，曲線迅速升到一峰值，然后由于動態(tài)再結晶的發(fā)生而引起軟化最后接近于平穩(wěn)態(tài)。在低應變速度情況下，應力應變曲線呈波浪形。發(fā)生動態(tài)再結晶的應力應變曲線2023/1/1140在奧氏體碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、工具鋼以及黃銅、蒙乃爾、鎳基高溫合金中容易出現(xiàn)動態(tài)再結晶。在熱加工溫度較低，變形速度高時，一般不發(fā)生動態(tài)再結晶；容易出現(xiàn)動態(tài)再結晶的條件是高溫低速的條件。2023/1/1141動態(tài)再結晶后的晶粒越小，變形抗力越高。變形溫度越高，應變速度越低，動態(tài)再結晶后的晶粒就越大。因此，控制變形溫度、變形速度及變形量就可以調整熱加工材的晶粒大小與強度。2023/1/1142靜態(tài)回復金屬經(jīng)熱變形以后，形成位錯胞狀結構，使內能增高，處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)。在變形停止以后，若變形程度不超過臨界變形程度時，將會發(fā)生靜態(tài)回復。2023/1/1143影響因素隨著變形溫度的增加，驅動回復的儲存能減少，回復速率減慢?；貜退俣入S間斷期變形量的增加而增加。應變速度越高，儲存能越大，回復速度越快。合金元素對熱變形后的靜態(tài)回復速度影響也是很明顯的。固溶合金元素通常能降低堆垛層錯能，使位錯的攀移，交滑移和脫釘困難，阻止了回復的進行。析出物的存在可以起著穩(wěn)定亞晶界的作用，同樣使回復滯后。2023/1/1144靜態(tài)再結晶在熱變形后，若金屬仍處于再結晶溫度以上，則將發(fā)生靜態(tài)再結晶。重新形成無畸變的等軸晶。若條件允許新晶粒可以不斷向變形基體長大，直到變形金屬完全消失為止。2023/1/1145影響因素隨著變形溫度的增加開始再結晶的溫度增高。隨著熱變形程度的增加，開始再結晶溫度降低。熱變形速度的增加，會減少再結晶孕育期，并增加其后的再結晶速度。合金元素和雜質原子對晶界遷移具有阻礙作用，所以能延遲靜態(tài)再結晶的時間，并能細化晶