7-2再結(jié)晶晶粒長大與熱變形加工特點7-2Recrystallizationgraingrowthandcharacteristicofhotdeformationprocessing

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Metallgraphy7-2Recrystallizationgraingrowth再結(jié)晶晶粒長大金屬在再結(jié)晶剛完成時，一般得到的是細的等軸晶粒。如果繼續(xù)保溫或提高退火溫度，就會發(fā)生晶粒相互吞并而長大的現(xiàn)象，即“晶粒長大過程”。a.正常長大：均勻長大b.異常長大：非均勻長大、二次再結(jié)晶

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Metallgraphy7-2Recrystallizationgraingrowth再結(jié)晶晶粒長大a.正常長大：指晶體中有許多晶粒獲得長大的條件，晶粒的長大是連續(xù)地、均勻地進行的，晶粒長大過程中晶粒的尺寸是比較均勻的，晶粒平均尺寸的增大也是連續(xù)的。b.異常長大：少數(shù)再結(jié)晶晶粒急劇長大的現(xiàn)象。將再結(jié)晶完成后的金屬繼續(xù)加熱至某一溫度以上，或更長時間的保溫，會有少數(shù)晶粒優(yōu)先長大，成為特別粗大的晶粒，而其周圍較細的晶粒則逐漸被吞食掉，整個金屬由少數(shù)比再結(jié)晶后晶粒要大幾十倍甚至幾百倍的特大晶粒組成。

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Metallgraphy7-2Recrystallizationgraingrowth再結(jié)晶晶粒長大b.異常長大：少數(shù)再結(jié)晶晶粒急劇長大的現(xiàn)象。晶粒異常長大示意圖硅鐵二次再結(jié)晶的反常晶粒

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Metallgraphy7-2Recrystallizationgraingrowth影響再結(jié)晶晶粒大小的因素Factorsaffectingrecrystallizationa.變形量Amountofstrainb.退火溫度Annealingtemperaturec.原始晶粒尺寸initialgrainsized.微量溶質(zhì)元素Tracesoluteelementse.第二分散相Theseconddispersedphasef.加熱速度和加熱時間Heatingspeedandholdingtime上述這些因素影響再結(jié)晶（速率和溫度）過程，也會影響到再結(jié)晶后的晶粒大小。控制再結(jié)晶后的晶粒大小是材料生產(chǎn)的一個重要問題。

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Metallgraphy7-2Recrystallizationgraingrowth影響再結(jié)晶晶粒大小的因素a.變形量

（1）變形程度很小時，不足以引起再結(jié)晶，所以，再結(jié)晶退火前后晶粒度不變。（2）變形程度達到2%~10%時，金屬中僅有部分晶粒發(fā)生變形致使變形很不均勻，再結(jié)晶時形核數(shù)目少，再結(jié)晶后晶粒大小極不均勻，有利于晶粒發(fā)生相互吞并而長大，最終形成異常粗大的晶粒。對應(yīng)于再結(jié)晶后得到特別粗大晶粒的變形程度稱為“臨界變形度”，一般為2-10%。（3）當變形量超過臨界變形度以后，隨變形度增加，變形趨于均勻，再結(jié)晶形核率增加，最終形成的晶粒就越小。

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Metallgraphy7-2Recrystallizationgraingrowth影響再結(jié)晶晶粒大小的因素b.退火溫度再結(jié)晶退火時加熱溫度越高，金屬的晶粒尺寸越大。當加入溫度一定時，時間過長也會使晶粒長大，但其影響不如溫度的影響大。8高純鋁變形75%260-30min再結(jié)晶剛開始280-30min再結(jié)晶晶粒增多400-30min晶粒長大550-30min晶粒急劇長大退火溫度對晶粒度的影響350-30min再結(jié)晶基本完成

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Metallgraphy影響再結(jié)晶晶粒大小的因素c.原始晶粒尺寸原始晶粒越細，再結(jié)晶后晶粒越細。細晶粒金屬的晶界面積大，所以儲存能高的區(qū)域多，形成的再結(jié)晶核心也多，故使再結(jié)晶后的晶粒尺寸減小。再結(jié)晶后的晶粒尺寸,mm原始晶粒尺寸,mm

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Metallgraphy7-2Recrystallizationgraingrowth影響再結(jié)晶晶粒大小的因素

d.微量溶質(zhì)元素e.第二相在其他條件相同的情況下，凡延緩再結(jié)晶及阻礙晶粒長大的合金元素或雜質(zhì)及第二相均使金屬再結(jié)晶后得到細晶粒組織。f.加熱速度和加熱時間加熱速度很慢將使晶粒粗化。

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Metallgraphy7-2Recrystallizationgraingrowth退火孿晶退火孿晶出現(xiàn)在晶粒長大階段。退火孿晶的存在細化了原始晶粒，而且孿晶界能量低，很穩(wěn)定，耐蝕，可以改善性能。

退火孿晶黃銅的退火孿晶

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化熱變形加工由于在常溫下進行塑性變形會引起金屬的加工硬化，即出現(xiàn)變形抗力增大、塑性下降，這使得對某些尺寸較大或塑性低的金屬在常溫下難以進行塑性變形。生產(chǎn)上通常采用在加熱條件下進行塑性變形。熱變形或熱加工指金屬材料在再結(jié)晶溫度以上的加工變形。工業(yè)生產(chǎn)中，高溫進行的鍛造、軋制和擠壓等壓力加工屬熱加工。熱加工過程中，在金屬內(nèi)部同時進行著加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個相反的過程。熱加工工藝視頻：軋制、熱擠壓、鍛造、沖孔、錘上模鍛、拔長等。

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化熱加工與冷加工

從金屬學(xué)的角度，將再結(jié)晶溫度以上進行的壓力加工稱為熱加工，發(fā)生硬化、回復(fù)、再結(jié)晶。而將再結(jié)晶溫度以下進行的壓力加工稱為冷加工，發(fā)生加工硬化。

例如鎢的再結(jié)晶溫度約為1200℃，因此，即使在1000℃進行變形加工也屬于冷加工。

熱加工溫度：T再<T熱加工<T固－100～200℃

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化熱加工的特點在熱加工過程中，金屬同時進行著兩個過程：形變強化和再結(jié)晶軟化。塑性變形使金屬產(chǎn)生形變強化，而同時發(fā)生的再結(jié)晶(稱為動態(tài)再結(jié)晶)過程又將形變強化現(xiàn)象予以消除。因此，熱加工時一般不產(chǎn)生明顯加工硬化現(xiàn)象。

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化熱加工過程熱加工時，硬化過程與軟化過程是同時進行的，按其特征不同，可分為下述五種形式：

(1)動態(tài)回復(fù)

(2)動態(tài)再結(jié)晶其中（1）、（2）是在溫度和載荷聯(lián)合作用下發(fā)生的。

(3)亞動態(tài)再結(jié)晶

(4)靜態(tài)再結(jié)晶

(5)靜態(tài)回復(fù)其中（3）、（4）、（5）是在變形停止之后，即在無載荷作用下發(fā)生的。

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶Dynamicrecoveryanddynamicrecrystallization在金屬冷形變后的加熱過程中發(fā)生的，稱為靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶。若提高金屬變形的溫度,使金屬在較高的溫度下形變時，金屬在熱變形的同時也發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，這種與金屬熱變形同時發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶稱為動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶。動態(tài)回復(fù)：在熱加工過程中，塑性變形使金屬產(chǎn)生形變強化的同時發(fā)生的回復(fù)的現(xiàn)象。動態(tài)再結(jié)晶：在熱加工過程中，塑性變形使金屬產(chǎn)生形變強化的同時發(fā)生的再結(jié)晶的現(xiàn)象。這是在通常的熱加工時發(fā)生的過程。在發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶時，由形變造成的加工硬化與由動態(tài)回復(fù)，動態(tài)再結(jié)晶造成的軟化同時發(fā)生。

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化動態(tài)回復(fù)機制第Ⅰ階段，金屬中的位錯密度增加，由退火態(tài)的1010~1011m-2增至1011~1012m-2；第Ⅱ階段，位錯密度繼續(xù)升高，但因動態(tài)回復(fù)的出現(xiàn)，位錯消失率也增大；第Ⅲ階段，位錯的增殖率和消失率達到平衡，位錯密度維持在1014~1015m-2。動態(tài)回復(fù)機制是位錯的攀移和交滑移，攀移在動態(tài)回復(fù)中起主要的作用。動態(tài)回復(fù)機制

有一類金屬(以Al和Al合金為代表)在熱加工時，動態(tài)回復(fù)是它們的主要軟化機制。右圖為這類金屬在熱加工時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可見有三個不同的階段：①微應(yīng)變階段。此階段塑性變形剛開始，硬化作用遠遠超過軟化作用；②動態(tài)回復(fù)的初始階段。曲線的斜率逐漸減小，“加工硬化”部分地被動態(tài)回復(fù)所引起的“軟化”抵消；③穩(wěn)態(tài)變形階段。變形過程中產(chǎn)生的位錯密度的增加已被回復(fù)過程引起的位錯密度減少所抵消。

Metallgraphy動態(tài)回復(fù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(流變曲線)

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化動態(tài)再結(jié)晶機制

動態(tài)再結(jié)晶的應(yīng)力金屬在一定溫度下以不同應(yīng)變速率變形并發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶時的s—e曲線分成三個階段：第一階段—加工硬化階段：應(yīng)力隨應(yīng)變上升很快，金屬出現(xiàn)加工硬化（0<ε<εc）。

第二階段—動態(tài)再結(jié)晶開始階段：應(yīng)變達到臨界值εc，動態(tài)再結(jié)晶開始，其軟化作用隨應(yīng)變增加而上升的幅度逐漸降低，當σ>σmax時，動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用超過加工硬化，應(yīng)力隨應(yīng)變增加而下降（εc

≤ε<εs）。

第三階段—穩(wěn)定流變階段：隨真應(yīng)變的增加，加工硬化和動態(tài)再結(jié)晶引起的軟化趨于平衡，流變應(yīng)力趨于恒定。但當ε以低速率進行時，曲線出現(xiàn)波動，其原因主要是位錯密度變化慢引起。（ε≥εs）動態(tài)再結(jié)晶機制

對于層錯能低的金屬(如銅、黃銅、不銹鋼等)，在熱加工時發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。右圖為這類金屬的變形曲線，曲線的變化也分為三個階段：①加工硬化階段，也可以說是積累能量以誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶的準備階段；②動態(tài)再結(jié)晶的初始階段；③穩(wěn)態(tài)變形階段。動態(tài)再結(jié)晶的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化動態(tài)再結(jié)晶機制動態(tài)再結(jié)晶的組織動態(tài)再結(jié)晶在應(yīng)變速率較低時通晶界弓出形核，這是由于晶界局部被纏結(jié)位錯構(gòu)成的亞晶界釘扎，同時弓出段兩側(cè)存在著較大的應(yīng)變能差；在應(yīng)變速率較高時以亞晶合并長大方式形核，這是由于位錯纏結(jié)形成較多的亞晶粒，使晶界被釘扎點間的距離縮小，可弓出段長度太小，以致弓出形核難以實現(xiàn)。其長大是通過新形成的大角度晶界及隨后移動的方式進行。其特點：反復(fù)形核、有限長大，晶粒較細。由于具有較高的位錯密度和位錯纏結(jié)存在，這種組織比靜態(tài)再結(jié)晶組織具有較高的強度和硬度。應(yīng)用：采用低的變形終止溫度、大的最終變形量、快的冷卻速度可獲得細小晶粒。

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化動態(tài)再結(jié)晶機制動態(tài)再結(jié)晶的組織

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶動態(tài)回復(fù)在熱加工過程中占重要的地位，已發(fā)現(xiàn)有不少金屬和合金，如鋁及鋁合金、工業(yè)純鐵、鐵素體鋼、鋅等在熱加工時，無論形變多大，只發(fā)生動態(tài)回復(fù)，而不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶；其他如銅及銅合金、鎳及鎳合金、奧氏體鋼、高純度鐵等也只是當形變量很大時，才會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。動態(tài)再結(jié)晶之所以不容易發(fā)生，是由于其所要求的臨界形變量很大，在熱加工過程中，由于動態(tài)回復(fù)隨時在進行，存儲能隨時在釋放，畸變能不容易積累，因而動態(tài)再結(jié)晶不容易啟動。

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化熱變形加工的特點優(yōu)點：1、金屬變形抗力低，消耗能量少；2、金屬的塑性升高，產(chǎn)生斷裂的傾向減小；3、相對于冷變形加工不易產(chǎn)生織構(gòu)；4、在生產(chǎn)過程中，不需要中間退火。缺點：1、對薄或細的軋件保溫困難；2、加工工件的表面不如冷變形加工時光潔，尺寸也不夠準確；3、加工后金屬材料的強度、硬度不及冷變形加工；4、對有些金屬不宜進行熱變形加工，由于熱脆，如FeS。

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化熱變形加工時組織和性能的變化1、改善鑄造狀態(tài)的組織缺陷，提高材料的致密性和力學(xué)性能?？墒硅T態(tài)組織中的氣孔、氣泡、疏松及微裂紋焊合，提高金屬致密度；還可以使鑄態(tài)的粗大樹枝晶通過變形和再結(jié)晶的過程而變成較細的晶粒，某些高合金鋼中的萊氏體和大塊初生碳化物可被打碎并使其分布均勻、降低偏析等。這些缺陷的消除會使材料性能得到明顯改善，提高強度、塑性、韌性。

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化熱變形加工時組織和性能的變化2.熱變形形成流線（纖維組織），出現(xiàn)各向異性。動態(tài)再結(jié)晶形成等軸晶粒以及夾雜物(或第二相)，仍沿變形方向呈流動狀的纖維組織。順流線方向比橫向具有更高的力學(xué)性能，特別是塑性和韌性提高明顯。在制訂熱加工工藝時，要盡可能使纖維流線方向與零件工作時所受的最大拉應(yīng)力的方向一致。拖鉤的纖維組織左：模鍛鉤（合理），右：切削加工鉤（不合理）

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化熱變形加工時組織和性能的變化2.熱變形形成流線（纖維組織），出現(xiàn)各向異性。

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化熱變形加工時組織和性能的變化3.形成帶狀組織形成：熱變形時兩相合金變形或帶狀偏析被拉長，如鐵素體與珠光體成條帶狀交替分布。影響：各向異性。消除：避免在兩相區(qū)變形、減少夾雜元素含量、采用高溫擴散退火或正火。

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化熱變形加工時組織和性能的變化4.控制熱加工工藝，以獲得細小的晶粒組織。通過動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶后，在晶粒內(nèi)部都形成了亞晶粒，具有這種亞組織的材料，其強度、韌性提高，為亞組織強化，其屈服強度與亞晶尺寸之間滿足Hall-Petch關(guān)系式。

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Metallgraphy7-2熱變形加工特點及組織和性能的變化超塑性有些合金(如Ti-6Al-4V和Zn-23Al等)經(jīng)過特殊的熱處理和加工后，在外力作用下可能產(chǎn)生異乎尋常的均勻變形(某些材料在特定變形條件下呈現(xiàn)的特別大的延伸率，其延伸率高達1000%)，這種行為稱為超塑性。對具有超塑性的材料，只用一個模具或少數(shù)幾個模具就可將合金成形為非常復(fù)雜的形狀。超塑成形過程中晶界滑動示意圖

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