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曾荣昌

第五章 材料的形变和再结晶 (5) Chapter 5 D eformation and re-crystallization of materials. 回复和再结晶 (I). 曾荣昌. 本节主要内容. 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 回复 再结晶 晶粒长大 再结晶退火后的组织. 重要概念. 回复 多边化 再结晶 晶粒长大 二次再结晶 再结晶织构. 再结晶温度 弓出形核 临界变形量 回复激活能 再结晶激活能 退火孪晶. 黄铜弹壳的季裂 (Season cracking).

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  1. 第五章 材料的形变和再结晶(5)Chapter 5 Deformation and re-crystallization of materials 回复和再结晶(I) 曾荣昌

  2. 本节主要内容 • 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 • 回复 • 再结晶 • 晶粒长大 • 再结晶退火后的组织

  3. 重要概念 • 回复 • 多边化 • 再结晶 • 晶粒长大 • 二次再结晶 • 再结晶织构 • 再结晶温度 • 弓出形核 • 临界变形量 • 回复激活能 • 再结晶激活能 • 退火孪晶

  4. 黄铜弹壳的季裂(Season cracking) • 20世纪初，英军在印度贮存的黄铜弹壳，每当雨季就频繁发生大量裂缝，当时称之为季裂。 • 经冷变形后的金属内有拉伸应力存在又处于特定环境中所发生的断裂。 • 它是含锌量超过15%的黄铜具有的一种特殊腐蚀现象。 图片来源：http://en.wikipedia.org/wiki/Season_cracking

  5. 金属经过塑性变形后，不仅内部组织结构与性能均发生相应的变化，而且由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能的升高，将使其处于热力学不稳定的高自由能状态。金属经过塑性变形后，不仅内部组织结构与性能均发生相应的变化，而且由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能的升高，将使其处于热力学不稳定的高自由能状态。 • 经过塑性变形的材料具有自发恢复到变形前低自由能的趋势。 • 冷变形金属加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大过程。 • 了解这些过程对于改善和控制金属的组织和性能具有重要意义。

  6. 5.3 回复（Recovery） • 概念：冷变形金属材料经重新加热进行退火时组织性能变化的早期阶段，即：新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。

  7. 回复：晶粒的形状和大小无可见变化； 再结晶：形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒；形核＋长大 晶粒长大： 小晶粒→大晶粒　　 驱动力：晶界表面能的降低 5.3.1显微组织的变化 热挤压镁合金AM60显微组织

  8. 5.3.2 性能和能量的变化 • 强度和硬度 • 电阻 • 内应力 • 亚晶粒尺寸 • 密度 • 储能释放

  9. １）力学性能 • 回复：硬度、强度略有下降，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。

  10. ２）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； • 电阻率：电阻在回复阶段可明显下降。 • 都与点缺陷浓度降低有关

  11. ３、内应力变化 • 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。

  12. ４、储能的释放 １）储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（-10％）变形功。 ２）存在形式 ３）储存能的释放 原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。

  13. ５、亚晶粒尺寸的变化 回复前期变化不大，回复后期亚晶粒尺寸显著增大。

  14. 5.3.3 回复动力学 纵坐标为剩余应变硬化分数1-R， R为屈服强度回复率=（σm-σr)/(σm-σ0) σm，σr和σ0-变形后、回复后和完全退火后的屈服强度 （1-R）越小，R越大，则回复程度越大。

  15. 5.3.4 回复的动力学特点 • 回复是一个弛豫过程。 • 其特点为： • 没有孕育期； • 在一定温度下，初期的回复率很大，随后即逐渐变慢，直到趋近于零。 • 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，达到此极限值所需的时间则越短； • 预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减少也有利于回复过程的加快。

  16. 回复动力学 • 回复特征可用一级反应方程来表达： （5.17） • 式中，x-冷变形导致的性能增量经加热后的残留分数，t –恒温下的加热时间，c-材料和温度有关的比例常数。c值具有典型的热激活过程的特点，可由阿累尼乌斯公式来描述： （5.18） • 式中，Q-激活能，R-气体常数，T-热力学温度，C0-比例常数

  17. 式（5.18）代入式（5.17）并积分，x0表示开始时性能增量的残留分数，则得式（5.18）代入式（5.17）并积分，x0表示开始时性能增量的残留分数，则得 • 在不同温度下，如以回复到相同程度作比较，此时上式左边为一常数，取对数，可得 • 如作lnt-1/T图，如为直线，则可由斜率求得激活能Q。

  18. 例题 • 铁的回复激活能为88.9KJ/mol,如果将经冷变形的铁在400℃下进行回复处理，使残留加工硬化为60%需160min，问在450 ℃下回复处理至同样效果需要多长时间？ • 根据公式 • 那么

  19. 回复机制 • 低温回复 回复主要与点缺陷的迁移有关。 冷变形产生了大量点缺陷-空位和间隙原子 点缺陷所需的热激活较低，因而在较低温度下可进行。

  20. 点缺陷可迁移至晶界或表面消失方式： • 空位与位错的交互作用； • 空位与间隙原子的重新结合； • 空位聚合形成空位对/空位群/空位片-坍塌成位错环

  21. 中温回复 • 发生位错运动和重新分布 • 主要与位错的滑移有关： • 同一滑移面上的异号位错可以相互吸引而抵消； • 位错偶极子的两条位错线相消。

  22. 高温回复 • 高温（～0.3Tm）时，刃型位错可获得足够的能量产生攀移（climb）。 • 攀移产生2种重要的结果： • 刃型位错垂直排列成墙：使滑移面上不规则排列的位错重新分布，显著降低位错的弹性畸变能。 • 形成多边化结构（polygonization） ：沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙—小角度亚晶界，以及由此产生的亚晶。 • 驱动力：应变能的降低。

  23. 多边化产生的条件 • 塑性变形使晶体点阵发生弯曲； • 在滑移面上有塞积的同号刃型位错； • 须加热到较高温度，使刃位错产生攀移运动。

  24. 攀移 同号刃型位错

  25. 镁合金的塑形变形 • <200℃时，基面滑移 • >200℃锥面滑移

  26. 3、回复退火（去应力退火） 使冷加工的金属件在基本上保持加工硬化状态的条件下 • 降低其内应力（主要为第一内应力）； • 减轻工件的翘曲和变形； • 降低电阻率； • 提高材料的耐蚀性； • 改善其塑性和韧性； • 提高工件使用时的安全性。

  27. 三、再结晶 概念：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的情况。 驱动力：变形金属经回复后未被释放的储存能

  28. 再结晶过程—形核+长大 • 经过冷塑性变形后的金属材料在加热到较高温度时(一般大于0.4Tm)，可以发生晶粒的重新改组。 • 同结晶过程类似，首先在材料中形成新的无畸变的小晶粒。 • 这些小晶粒消耗周围发生过变形的晶体而不断长大，同时也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替变形过的晶体。 • 思考：再结晶过程是不是相变过程?

  29. “再结晶的转变不是相变” 原因： • 变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于同一个相； • 再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没有确定的转变温度。 • 再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化后可以发生可逆变化。 • 发生再结晶的热力学驱动力是冷塑性变形晶体的畸变能，也称为储存能。

  30. 再结晶晶核是现存于局部高能量区域内的，以多边化形成的亚晶为基础形核。再结晶晶核是现存于局部高能量区域内的，以多边化形成的亚晶为基础形核。 再结晶形核机制有： （1）晶界弓出形核 （2）亚晶形核 1）再结晶时，晶核是如何产生的？

  31. （1）晶界弓出形核 • 概念：变形度较小(一般<20%)的金属，再结晶晶核多以晶界弓出形核，即应变诱导晶界移动或凸出形核机制。

  32. 弓出形核过程 • 当变形度较小时，各晶粒变形不均匀引起位错密度的不同。 • B晶粒因变形较大而具有较高的位错密度，经多边化后，形成的亚晶尺寸也较为细小。为了降低系统自由能，晶界处A晶粒的亚晶将开始通过晶界弓出而凸入B晶粒中，以吞噬B晶粒中亚晶的方式形成无畸变的再结晶晶核。

  33. 弓出形核能量条件 • 晶界向高位错密度处移动扫过的无畸变区体积为dV，面积为dA，由此引起的再结晶核心弓出的晶界由位置I到位置II时总自由能的变化： II • 对于任意曲面，可以定义两个主曲率半径r1和r2，当这个曲率移动时，有 • 如果该曲率为球面，则r1=r2=r， I 图50 晶界弓出形核模型

  34. 当弓出界面为球面时， • 晶界弓出的能量条件：Es≥2γ/L • 再结晶的形核将在现成晶界上两点距离为2L，而弓出距离大于L的凸起处进行。 • 使弓出距离达到L所需的时间即为再结晶的孕育期。

  35. 晶界弓出形核这种现象在铜、镍、银、铝及铝—铜合金中曾直接观察到.晶界弓出形核这种现象在铜、镍、银、铝及铝—铜合金中曾直接观察到.

  36. 镁合金AZ61在120°C高温疲劳组织演化 弓出形核 Rongchang Zeng et al., Materials Science Forum 546-549 (2007) 409-412

  37. （2）亚晶形核 此机制一般是在大的变形度下发生的。当变形度较大时，晶体中位错不断增殖，由位错组成的胞状结构，将在加热过程中容易发生胞壁平直化，并形成亚晶。借助于亚晶作为再结晶的核心，其形成机制又可分为以下两种： ①亚晶合并机制 ②亚晶迁移机制

  38. ①亚晶合并机制： • 在回复阶段形成的亚晶，其相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆散以及位错的攀移和滑移，逐渐转移到周围其他亚晶界上，从而导致相邻亚晶边界的消失和亚晶合并。

  39. 合并后的亚晶，由于尺寸增大，以及亚晶界上位错密度的增加，使相邻亚晶的位向差相应增大，并逐渐转化为大角度晶界，它比小角度晶界具有大得多的迁移率。故可以迅速移动，清除其移动路程中存在的位错，使它后面留下无畸变的晶体，从而构成再结晶核心。合并后的亚晶，由于尺寸增大，以及亚晶界上位错密度的增加，使相邻亚晶的位向差相应增大，并逐渐转化为大角度晶界，它比小角度晶界具有大得多的迁移率。故可以迅速移动，清除其移动路程中存在的位错，使它后面留下无畸变的晶体，从而构成再结晶核心。 • 在变形程度较大且具有高层错能的金属中，多以这种亚晶合并机制形核。

  40. ②亚晶迁移机制： • 由于位错密度较高的亚晶界，其两侧亚晶的位向差较大，故在加热过程中容易发生迁移并逐渐变为大角度晶界，于是就可将它作为再结晶核心而长大。 • 此机制常出现在变形度很差的低层错能金属中。

  41. 思考：再结晶后的晶粒随变形度的增大而变细的原因思考：再结晶后的晶粒随变形度的增大而变细的原因 • 亚晶粒本身是在剧烈变形的基体上通过多边化形成的，几乎无位错的低能量区，它提供消耗周围的高能量区长大成为再结晶的有效核心。 • 随着变形度的增大，会产生更多的亚晶而有利于再结晶形核。

  42. 2）长大 • 再结晶形核之后，它就借界面的移动而向周围畸变区域长大。 • 界面迁移的驱动力是无畸变的新晶粒本身与周围畸变的母体（旧晶粒）之间的应变能差，晶界总是背离其曲率中心，向着畸变区域推进，直到全部形成无畸变的等轴晶粒为止。

  43. 小结 • 本堂课主要介绍了回复和再结晶机制，以及回复动力学。

  44. 第五章 材料的形变和再结晶(5)Chapter 5 Deformation and re-crystallization of materials 回复和再结晶（II） 曾荣昌

  45. 2、再结晶动力学 • 在一定变形量下，将变形金属在不同温度进行不同时间的退火，让其发生再结晶，用金相法测定发生再结晶的体积分数随时间的变化，得出恒温动力学曲线具有如图所示典型的“S”曲线特征。

  46. 特点： ①具有孕育期； ②再结晶开始速度很慢，逐渐加快，至再结晶的体积分数50%时速度达到最大，随后又逐渐变慢。 Johnson和Mehl在假定均匀形核，晶核为球形， 和G不随时间而改变，在恒温下经过时间t,已经再结晶的体积分数φR，可用下式表示

  47. 恒温再结晶的形核率是随时间的增加而呈指数关系衰减的，通常采用Avrami方程进行描述，即：恒温再结晶的形核率是随时间的增加而呈指数关系衰减的，通常采用Avrami方程进行描述，即： • 式中，B和K为常数，可通过试验确定：作 -lgt图，直线的斜率即为K，直线的截距为lgB。

  48. 等温温度对再结晶速率的影响 • 可以阿累尼乌斯公式表示 • 再结晶速率和产生某一体积分数φR所需的时间t成反比，即

  49. 3、再结晶温度 1）概念：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。 2）表征： • 金相法或硬度法测定—以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度，或以硬度下降50%所对应的温度定义为再结晶温度。 • 工业：以经过大变形量（~70%以上）的冷变形金属经1h退火能完成再结晶（>95%转变量）所对应的温度定义为再结晶温度。

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