1、金属塑性变形理论 Theory of metal plastic deformation,第四讲 Lesson Four,张贵杰 Zhang Guijie Tel：0315-2592155 E-Mail： 河北理工大学金属材料与加工工程系 Department of Metal Material and Process Engineering Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009,2019/6/26,2,第三章 塑性加工时组织性能的变化,主要内容 Main Content冷加工退火时的回复与再结晶 热加工时的回复与再结晶,2019/6/26
2、,3,3.3 冷加工退火时的回复与再结晶,经塑性变形的材料具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势。当冷变形金属加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。了解这些过程的发生和发展规律，对于改善和控制金属材料的组织和性能具有重要的意义。,2019/6/26,4,回复、再结晶和晶粒长大,回复是指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； 再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程； 晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。,2019/6/26,5,2019/6/26,6,3.3.1 回复,冷变形金属在低于再结晶温度下加热时，显微组织与强度、硬度均不发生明显变化，只有某些物理
3、性能和微细结构发生变化。这是由于原子在微晶内只能进行短距离扩散，使点缺陷和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的数量和分布。 在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着纤维状或扁平状，从光学显微组织上几乎看不出变化。,2019/6/26,7,低温回复（0.10.2Tm）,2019/6/26,8,中温回复（0.20.3Tm）：,高温回复（0.30.5Tm）：,2019/6/26,9,多边形化前、后刃型位错的排列情况,2019/6/26,10,3.3.2 再结晶,在再结晶阶段，首先是在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而
4、长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。,2019/6/26,11,2019/6/26,12,2019/6/26,13,再结晶的形核与长大,形核,亚晶长大形核机制 （变形量较大时）,亚晶合并形核,亚晶界移动形核 （吞并其它亚晶或变形部分）,晶界凸出形核 （变形量较小时）,（晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向）,长大,驱动力：畸变能差,方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新晶粒相互接触,注：再结晶不是相变过程,2019/6/26,14,具有亚晶组织的晶间凸出形核示意图,2019/6/26,15,再结晶动力学,再结晶速度与温度的关系开始时再结晶速度很小，在体积分数为0.5时最大，然后减慢
5、。,2019/6/26,16,铝在350的等温再结晶动力学曲线,2019/6/26,17,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(0.250.35)Tm 工业纯金属：T再(0.350.45)Tm 合金：T再(0.40.9)Tm,2019/6/26,18,影响再结晶温度的因素,变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低；,纯度越高，再结晶温度越低；,加热速度太低或太高，再结晶温度提高,2019/6/26,19,影响再结晶的因素,退火温度。温度越高，再结晶速度越大 变形量。变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大
6、，再结晶温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。,2019/6/26,20,微量溶质元素。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 第二分散相。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。,2019/6/26,21,再结晶晶粒大小的控制,变形量。存在临界变形量，生产中应避免临界变形量。 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多，使晶粒细化。 合金元素和杂质。增加储存能，阻碍晶界移动，有利于晶粒细化。 温度。变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶
7、粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大。,2019/6/26,22,由图中的曲线可以看出，当温度一定时，变形程度越大，再结晶后晶粒越小；当变形程度一定时，温度越高，再结晶退火以后的晶粒越大。在低变形程度时出现一个晶粒尺寸非常大的区，即是由于临界变形量所造成的；当强烈冷变形且在高温下退火时也会产生特别粗大的晶粒。这是由于发生了二次再结晶的缘故。为获得强度高的细晶组织，在制定塑性加工工艺时，就要避开临界变形区和二次再结晶区。,2019/6/26,23,3.3.3 晶粒长大,在晶界表面能的驱动下，新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。 长大方式：正常长
8、大；异常长大（二次再结晶）,2019/6/26,24,正常长大,再结晶后的晶粒均匀连续的长大。 驱动力：界面能差。界面能越大，曲率半径越小，驱动力越大。 晶粒的稳定形状 晶界趋于平直 晶界夹角趋于120 二维坐标中晶粒边数趋于6，晶界外形趋于稳定的正六边形。,2019/6/26,25,晶界迁移的方向,晶界向曲率中心移动，趋向于平直化,2019/6/26,26,晶界移动使三个夹角趋向于120,2019/6/26,27,晶粒边界少于6的晶粒在缩小和消失,2019/6/26,28,影响晶粒长大的因素,温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。 分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。 杂质与合金元
9、素。降低界面能，不利于晶界移动。 晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界，因而前者的移动速率低于后者。,2019/6/26,29,异常长大,少数再结晶晶粒的急剧长大现象。 机理钉扎晶界的第二相溶于基体 再结晶织构中位向一致晶粒的合并 大晶粒吞并小晶粒,2019/6/26,30,再结晶晶粒的异常长大,2019/6/26,31,3.3.4 性能变化,强度与硬度回复阶段的硬度变化很小，约占总变化的15，而再结晶阶段则下降较多。可以推断，强度具有与硬度相似的变化规律。上述情况主要与金属中的位错机制有关，即回复阶段时，变形金属仍保持很高的位错密度，而发生再结晶后，则由于位错密度显著降低，故强度与硬
10、度明显下降。,2019/6/26,32,电阻变形金属的电阻在回复阶段已表现明显的下降趋势。因为电阻率与晶体点阵中的点缺陷（如空位、间隙原子等）密切相关。点缺陷所引起的点阵畸变会使传导电子产生散射，提高电阻率。它的散射作用比位错所引起的更为强烈。因此，在回复阶段电阻率的明显下降就标志着在此阶段点缺陷浓度有明显的减小。,2019/6/26,33,内应力在回复阶段，大部或全部的宏观内应力可以消除，而微观内应力则只有通过再结晶方可全部消除。,2019/6/26,34,亚晶粒尺寸在回复的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶时，亚晶粒尺寸就显著增大。,2019/6/26,35,密度变形金属
11、的密度在再结晶阶段发生急剧增高，显然除与前期点缺陷数目减小有关外，主要是在再结晶阶段中位错密度显著降低所致。,2019/6/26,36,储能的释放当冷变形金属加热到足以引起应力松弛的温度时，储能就被释放出来。回复阶段时各材料释放的储存能量均较小，再结晶晶粒出现的温度对应于储能释放曲线的高峰处。,2019/6/26,37,储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（10）变形功。 存在形式储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。,2019/6/26,38,2019/6/26,39,3.4 热加工时的回复与再结晶,动态回复与动态再结晶 静态回复与静态再结晶 亚动态再结晶,201
12、9/6/26,40,金属材料在热轧和挤压时的软化过程,2019/6/26,41,3.4.1 动态回复与动态再结晶,动态回复是金属在热变形中发生的一种软化过程。通过位错的攀移、交滑移和位错从结点脱钉来实现的。 若把变形金属从稳定变形阶段迅速冷却后，取样做电镜观察，发现拉长的晶粒内部出现了许多等轴的亚晶粒。亚晶的出现，标志动态回复产生了。,2019/6/26,42,动态再结晶也是金属在热变形中发生的一种软化过程。其软化作用远大于动态回复。,2019/6/26,43,该曲线在高应变速度下，曲线迅速升到一峰值，然后由于动态再结晶的发生而引起软化最后接近于平稳态。在低应变速度情况下，应力应变曲线呈波浪形
13、。,发生动态再结晶的应力应变曲线,2019/6/26,44,在奥氏体碳素钢、低合金钢、不锈钢、工具钢以及黄铜、蒙乃尔、镍基高温合金中容易出现动态再结晶。 在热加工温度较低，变形速度高时，一般不发生动态再结晶；容易出现动态再结晶的条件是高温低速的条件。,2019/6/26,45,动态再结晶后的晶粒越小，变形抗力越高。变形温度越高，应变速度越低，动态再结晶后的晶粒就越大。因此，控制变形温度、变形速度及变形量就可以调整热加工材的晶粒大小与强度。,2019/6/26,46,静态回复 金属经热变形以后，形成位错胞状结构，使内能增高，处于热力学不稳定状态。在变形停止以后，若变形程度不超过临界变形程度时，将
14、会发生静态回复。,2019/6/26,47,影响因素,随着变形温度的增加，驱动回复的储存能减少，回复速率减慢。 回复速度随间断期变形量的增加而增加。 应变速度越高，储存能越大，回复速度越快。 合金元素对热变形后的静态回复速度影响也是很明显的。固溶合金元素通常能降低堆垛层错能，使位错的攀移，交滑移和脱钉困难，阻止了回复的进行。析出物的存在可以起着稳定亚晶界的作用，同样使回复滞后。,2019/6/26,48,静态再结晶在热变形后，若金属仍处于再结晶温度以上，则将发生静态再结晶。重新形成无畸变的等轴晶。若条件允许新晶粒可以不断向变形基体长大，直到变形金属完全消失为止。,2019/6/26,49,影响因素,随着变形温度的增加开始再结晶的温度增高。 随着热变形程度的增加，开始再结晶温度降低。 热变形速度的增加，会减少再结晶孕育期，并增加其后的再结晶速度。 合金元素和杂质原子对晶界迁移具有阻碍作用，所以能延迟静态再结晶的时间，并能细化晶粒。,2019/6/26,50,亚动态再结晶在热变形过程中已经形成但尚未长大的动态再结晶晶核，以及长大到中途的再结晶晶粒被遗留下来。变形停止后，当变形温度足够高时，这些晶核和晶粒还会继续长大，引起软化，此种过程称为亚动态再结晶。因为这类再结晶不需要一段形核时间，没有孕育期，所以在变形停止后进行的非常迅速。比传统的静态再结晶要快一个数量级。,
