金属学与热处理第五章

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1、 1. 形 变 金 属 材 料 退 火 过 程 中 的 组 织和 性 能 变 化2. 回 复 3. 再 结 晶 4. 晶 粒 长 大 5. 金 属 的 热 加 工 内 容 目 录 引 言形 变 储 能 弹 性 应 变 能 (312%)晶 格 畸 变 能 (8090%)退 火 将 材 料 加 热 到 一 定 温 度 保 持 一 定 时 间的 热 处 理 工 艺 ， 按 目 的 又 可 分 为 去 应力 退 火 、 成 分 均 匀 化 退 火 等 多 种 。形 变 储 能 使 金 属 内 能 升 高 ， 处 于 热 力 学 亚 稳 状 态 。 退 火 时 ，原 子 活 动 能 力 升 高 ， 形

2、变 金 属 从 亚 稳 态 向 稳 态 转 变 ， 而 形变 储 能 则 是 形 变 金 属 退 火 过 程 中 组 织 变 化 的 驱 动 力 。 第 一 节 冷 变 形 金 属 在 加 热 时 的 组 织与 性 能 变 化 1.1 回 复 与 再 结 晶回 复 冷 变 形 金 属 低 温 加 热 时 ， 显 微 组 织 无 可见 变 化 ， 但 其 物 理 、 力 学 性 能 却 部 分 恢复 到 冷 变 形 以 前 的 过 程 。再 结晶 冷 变 形 金 属 被 加 热 到 适 当 温 度 时 ， 在 变形 组 织 内 部 新 的 无 畸 变 的 等 轴 晶 粒 逐 渐取 代 变 形 晶

3、 粒 ， 而 使 形 变 强 化 效 应 完 全消 除 的 过 程 。 u 回 复 阶 段 ： 显 微 组 织 仍 为 纤 维 状 ， 无 可 见 变 化 ；u 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 。u 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 。1.2 显 微 组 织 变 化 1.2 显 微 组 织 变 化 回 复 阶 段 ： 强 度 、 硬 度 略 有 下 降 ， 塑 性 略 有 提 高 。再 结 晶 阶 段 ： 强 度 、

4、硬 度 明 显 下 降 ， 塑 性 明 显 提 高 。晶 粒 长 大 阶 段 ： 强 度 、 硬 度 继 续 下 降 ,塑 性 继 续 提 高 ， 粗 化 严 重 时 塑 性 也 下 降 。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 。形 变 储 能 ： 回 复 阶 段 部 分 释 放 ， 再 结 晶 至 长 大 初 期 完 全 释 放 。1.3 性 能 变 化力 学 性 能物 理 性 能 回 复 阶 段 ： 大 部 分 或 全 部 消 除 第 一 类 内 应 力 ，部 分 消 除 第

5、 二 、 三 类 内 应 力 ；再 结 晶 阶 段 ： 内 应 力 可 完 全 消 除 。1.4 内 应 力 变 化 所 谓 回 复 ， 即 在 加 热 温 度 较 低 时 ， 仅 因 金 属中 的 一 些 点 缺 陷 和 位 错 的 迁 移 而 引 起 的 某 些晶 内 的 变 化 。 回 复 阶 段 一 般 加 热 温 度 在 0.4Tm以 下 。 第 二 节 回 复 低 温 阶 段 点 缺 陷 的 迁 移 和 减 少 , 表 现 为 :- 空 位 与 间 隙 原 子 的 相 遇 而 互 相 中 和- 空 位 或 间 隙 原 子 运 动 到 刃 位 错 处 消 失 ， 引 起 位 错 的

6、攀 移- 点 缺 陷 运 动 到 界 面 处 消 失 。中 温 阶 段 : p 缠 结 位 错 重 新 组 合 ; p 异 号 位 错 抵 消 , 位 错 密 度 略 有 降 低 。p 亚 晶 粒 长 大 。2.1 回 复 机 制 高 温 阶 段 回 复 ：1) 位 错 攀 移 和 位 错 环 缩 小 ；2) 亚 晶 粒 合 并 ；3) 多 边 化 。 多 边 化 是 指 冷 变 形 金 属 加热 时 ， 原 来 处 于 滑 移 面 上 的位 错 ， 通 过 滑 移 和 攀 移 形 成与 滑 移 面 垂 直 的 亚 晶 界 的 过程 。 多 变 化 的 驱 动 力 是 弹 性应 变 能 的 降

7、 低 。2.1 回 复 机 制 上 图 中 硬 化 分 数 R 表 示 为 ： R=(sm-sr)/(sm-s0)； sm、 sr、s0分 别 为 变 形 后 、 回 复 后 以 及 完 全 退 火 后 的 屈 服 应 力 。2.2 回 复 动 力 学 冷 变 形 材 料 性 能 的 回复 程 度 与 回 复 处 理 的时 间 和 温 度 有 关 。回 复 过 程 是 热 激 活 过程 ， 转 变 的 速 度 决 定于 原 子 的 活 动 能 力 。 u 降 低 应 力 （ 保 持 加 工 硬 化 效 果 ）u 防 止 工 件 变 形 、 开 裂 ， 提 高 耐 蚀 性 。2.3 回 复 应

8、用 去 应 力 退 火 p 冷 变 形 后 的 金 属 加 热 到 一 定 温 度 (一 般 大 于 0.4Tm)或 保 温 足 够 时 间 后 ， 在 原 来 的 变 形 组 织 中 产 生 了无 畸 变 的 新 晶 粒 ;p 新 生 成 的 晶 粒 逐 渐 全 部 取 代 塑 性 变 形 过 的 晶 粒 ，位 错 密 度 显 著 降 低 ， 性 能 发 生 显 著 变 化 并 恢 复 到冷 变 形 前 的 水 平 ， 这 个 过 程 称 为 再 结 晶 。p 再 结 晶 的 驱 动 力 也 是 变 形 储 能 的 降 低 。第 三 节 再 结 晶 3.1 再 结 晶 的 基 本 过 程 3

9、.2 再 结 晶 形 核再 结 晶 的 形 核 是 个 复 杂 的 过 程 。 最 初 人 们 尝 试用 经 典 的 形 核 理 论 来 处 理 再 结 晶 过 程 ， 但 计 算得 到 的 临 界 晶 核 半 径 过 大 ， 与 试 验 结 果 不 符 。大 量 实 验 表 明 ， 再 结 晶 晶 核 总 是 在 塑 性 变 形 引起 的 最 大 畸 变 处 形 成 ， 并 且 回 复 阶 段 发 生 的 多边 形 化 是 再 结 晶 形 核 的 必 要 准 备 。 回 复 阶 段 ， 塑 性 变 形 所 形 成 的 胞 状 组 织 经 多 边 化 发 展 成 亚晶 ， 其 中 亚 晶 长

10、大 形 核 的 方 式 有 亚 晶 合 并 和 亚 晶 界 移 动 两种 机 制 。3.2.1 亚 晶 粒 长 大 形 核 机 制亚 晶 粒 长 大 形 核 一 般 在 受 大 变 形 度 的 材 料 中 发 生 。 a. 亚 晶 合 并 机 制 相 邻 亚 晶 界 的 位 错 ， 通 过 滑 移 和 攀 移 转 移到 周 围 晶 界 或 亚 晶 界 上 ， 导 致 原 来 亚 晶 界的 消 失 ， 最 后 通 过 原 子 扩 散 和 位 置 的 调 整 ，使 两 个 或 多 个 亚 晶 粒 的 取 向 变 为 一 致 ， 合并 成 为 一 个 大 的 亚 晶 粒 ， 成 为 再 结 晶 的

11、晶核 。 如 上 图 ， 晶 粒 中 某 些 局 部 位 错 密 度 很 高 的 亚 晶 界 向周 边 移 动 ， 吞 并 相 邻 的 变 形 基 体 和 亚 晶 而 成 长 为 再结 晶 晶 核 。b. 亚 晶 界 移 动 机 制 当 金 属 的 变 形 度 较 小 时 ， 金 属 变 形 是 不 均 匀 的 。 若 晶 界 两 边 一个 晶 粒 的 位 错 密 度 高 ， 另 一 个 位 错 密 度 低 ， 加 热 时 晶 界 会 向 密度 高 的 一 侧 突 然 移 动 ， 高 密 度 一 侧 的 原 子 转 移 到 位 错 低 的 一 侧 ，新 的 排 列 应 为 无 畸 变 区 ，

12、这 个 区 域 就 是 再 结 晶 核 心 。 3.2.2 晶 界 凸 出 形 核 机 制 和 结 晶 形 核 方 式 类 似 ， 晶 界 弯 曲 后 ， 一 方 面 晶 界的 弯 曲 面 因 面 积 增 加 会 增 加 界 面 能 ， 另 一 方 面 形核 区 中 原 变 形 区 内 有 应 变 能 的 释 放 。3.2.2 晶 界 凸 出 形 核 机 制 晶 界 凸 出 形 核 现 象 在 铜 、 镍 、 银 、 铝 及铝 -铜 合 金 中 曾 直 接 观 察 到 。 变 形 晶 粒 晶 界 附 近 的 原 子移 动 到 新 的 未 变 形 晶 粒 上 ，从 而 可 以 减 少 变 形 应

13、 变 能 ，新 晶 粒 不 断 长 大 到 相 遇 ，最 后 全 部 为 新 晶 粒 ， 再 结晶 完 成 。 t0 时 间 t半径R dR/dt = G晶 粒 彼 此 接 触孕 育 期3.3 核 心 的 长 大 原 子 结 合 力 大 ， 熔 点 高 的 材 料 ， 再 结 晶 进 行 较 慢 ； 材 料 的 纯 度 ， 纯 净 材 料 如 纯 金 属 ， 进 行 较 快 ， 而 溶入 了 其 它 元 素 ， 特 别 是 易 在 晶 界 处 存 在 聚 集 的 元 素时 ， 将 降 低 再 结 晶 的 速 度 ； 第 二 相 质 点 特 别 是 呈 弥 散 分 布 时 ， 将 明 显 降 低

14、 再 结晶 的 速 度 。 材 料 因 素3.4 影 响 再 结 晶 的 因 素 加 热 温 度 愈 高 ， 再 结 晶 速 度 愈 快 ； 变 形 量 大 ， 弹 性 畸 变 能 大 ， 再 结 晶 速 度 也 快 。工 艺 因 素变 形 量 过 小 ， 形 变 储 能 不 能 满 足 形 核 的 基 本 要 求 时 ， 再 结晶 就 不 能 发 生 。发 生 再 结 晶 需 要 一 定 的 变 形 量 ， 称 为 临 界 变 形 量 C， 大 多金 属 材 料 的 临 界 变 形 量 在 210%之 间 。3.4 影 响 再 结 晶 的 因 素 再 结 晶 刚 完 成 时 ， 得 到 的

15、是等 轴 细 晶 粒 组 织 。 继 续 提 高退 火 温 度 或 延 长 保 温 时 间 ，就 会 发 生 晶 粒 相 互 吞 并 而 长大 的 现 象 ， 晶 粒 长 大 包 括 均匀 长 大 的 正 常 长 大 过 程 和 反常 的 长 大 过 程 。第 四 节 晶 粒 长 大 4.1 正 常 的 晶 粒 长 大4.1.1 晶 粒 长 大 的 动 力 晶 粒 的 长 大 是 一 自 发 过 程 ， 其 驱 动 力 是 降 低 其 总 界 面能 。 长 大 过 程 中 ， 晶 粒 变 大 ， 则 晶 界 的 总 面 积 减 小 ，总 界 面 能 也 就 减 小 。为 减 小 表 面 能 ，

16、 晶 粒 长 大 的 热 力 学 条 件 总 是 满 足 的 ，长 大 与 否 还 需 满 足 动 力 学 条 件 ， 这 就 是 界 面 的 活 动 性 。而 温 度 是 影 响 界 面 活 动 性 的 最 主 要 因 素 。 为 降 低 表 面 能 ， 弯 曲 晶 界 趋 于平 直 化 ， 即 晶 界 向 曲 率 半 径 中心 移 动 以 减 小 表 面 积 。 II 当 三 个 晶 粒 相 交 晶 界 夹 角 不 等 于 120o时 ，则 晶 界 总 是 向 角 度 较 锐 的 晶 粒 方 向 移 动 ，力 图 使 三 个 夹 角 趋 于 相 等 。 其 原 因 是 由于 大 角 度 晶

17、 界 的 表 面 张 力 与 位 向 无 关 ，几 乎 相 等 ， 即 T A=TB=TC ， 因 此 三 夹 角 必须 相 等 各 为 120o OOI IIIII TATBTC 4.1.2 晶 界 移 动 的 规 律 二 维 坐 标 中 ， 晶 界 边 数 少 于 6的 晶 粒 （ 其 晶 界外 凸 ） 必 然 逐 步 缩 小 乃 至 消 失 。 而 边 数 大 于 6的 晶 粒 （ 晶 界 内 凹 ） 则 逐 渐 长 大 。 当 晶 界 边数 为 6时 ， 晶 界 很 平 直 且 夹 角 为 120o时 ， 则 晶界 处 于 稳 定 状 态 ， 不 再 移 动 ， 要 达 到 这 样 的

18、平 衡 状 态 需 要 很 长 的 保 温 时 间 。4.1.2 晶 界 移 动 的 规 律 p 可 溶 解 杂 质 及 合 金 元 素 溶 质 原 子 都 能 阻 碍 晶 界 移 动 ， 特 别 是 晶 界 偏 聚 (内 吸 附 )显著 的 原 子 ， 能 有 效 降 低 晶 界 的 界 面 能 ， 拖 住 晶 界 使 之 不 易移 动 ， 温 度 很 高 时 ， 吸 附 在 晶 界 的 溶 质 原 子 被 驱 散 ， 其 抑制 作 用 减 弱 乃 至 消 失 。p 温 度 ： 晶 界 移 动 速 率 可 表 示 为 ： G=G0exp(-QG/RT)； G 0为 常 数 ， QG为 晶 界

19、 迁 移 激 活 能 。 通 常 一 定 温 度 下 晶 粒 长大 到 一 定 尺 寸 就 不 再 长 大 了 ， 提 高 温 度 晶 粒 会 继 续 长 大 。 4.1.3 影 响 晶 界 移 动 的 因 素 小 角 度 晶 界 的 界 面 能 小于 大 角 度 晶 界 的 界 面 能 ，而 驱 使 界 面 移 动 的 力 又与 界 面 能 成 正 比 ， 因 此前 者 的 迁 移 速 度 要 小 于后 者 。4.1.4 影 响 晶 界 移 动 的 因 素p 相 邻 晶 粒 的 位 向 差 p 不 溶 解 的 第 二 相 r F f a bfs周 长 2rcosf 颗 粒 s 晶 界弥 散

20、的 第 二 相 质 点 对 于 阻碍 晶 界 的 运 动 有 重 要 作 用 。右 图 中 当 运 动 的 晶 界 遇 到球 形 (简 化 起 见 )第 二 相 质点 时 ， 第 二 相 质 点 对 晶 界运 动 产 生 阻 力 。如 果 达 到 平 衡 ， 则 阻 力 必 须 等 于 总 张 力 在 垂 直 方 向 的 分 力 。晶 界 与 质 点 接 触 的 周 长 为 : L=2rcosf; 所 以 总 张 力 为 : 2rscosf；它 在 垂 直 方 向 的 分 量 则 应 为 ： 2rscosfsinb； 而 b = 90 o a f 4.1.4 影 响 晶 界 移 动 的 因 素

21、 所 以 平 衡 时 总 阻 力 应 为 ：F = 2rs cosf sin(90o a f) = 2rs cosf cos(a-f)对 于 固 定 材 料 体 系 和 质 点 ，质 点 和 晶 粒 间 的 表 面 张 力 固定 ， a也 不 变 ， 而 f随 晶 界 与质 点 的 相 对 位 置 而 变 化 。对 f求 极 值 ， 令 dF/df=0， 则 有 ： f=a/2， 代 入 上 述 表 达 式 中 可 得 ： max= 2rs cosf cos(a-f) = 2rs cos2a /2 = rs(1+ cosa)若 单 位 体 积 中 二 相 质 点 个 数 为 Nv， 当 单 位

22、 面 积 的 晶 界 移 动 2r距 离 时 ，横 切 的 颗 粒 数 为 ： N = 2rNv p 不 溶 解 的 第 二 相 r F f a bfs周 长 2rcosf 颗 粒 s 晶 界 因 此 作 用 在 单 位 面 积 晶 界 上 的 总 阻 力 为 ：F总 = Fm axN = 2r2s Nv(1+ cosa)另 一 方 面 ， 对 于 球 形 晶 粒 （ 半 径 为 R） ， 驱 动 其 晶 界 移 动 的 驱动 力 P为 ： P = 2s/R阻 力 驱 动 力 平 衡 时 有 ： 2s/R=2r2s Nv (1+cosa )因 此 ： R = r2 Nv (1+cosa )-1

23、由 于 Nv为 单 位 体 积 中 二 相 质 点 个 数 , 则 其 体 积 分 数 为 ：f = 4r 3Nv /3； 将 Nv换 算 成 体 积 分 数 f 代 入 得 ：若 a角 在 迁 移 过 程 中 保 持 不 变 ， 则 ： frKR= = acos1 134frR p 不 溶 解 的 第 二 相 讨 论 ： frKR =p 不 溶 解 的 第 二 相lR是 平 衡 状 态 下 的 晶 粒 半 径 ， 也 即 是 该 条 件 下 晶 粒 长 大 的 极 限尺 寸 。l晶 粒 长 大 的 极 限 尺 寸 与 二 相 颗 粒 的 半 径 成 正 比 ， 与 颗 粒 的 体 积分 数

24、成 反 比 。l二 相 颗 粒 愈 细 小 ， 数 量 愈 多 ， 则 对 晶 粒 长 大 的 阻 滞 能 力 愈 强 。l二 相 颗 粒 对 晶 粒 长 大 的 阻 碍 作 用 主 要 取 决 于 其 大 小 和 体 积 分 数 ，而 二 相 颗 粒 本 身 的 性 质 影 响 相 对 较 小 ， 因 为 它 只 影 响 a值 。l应 用 实 例 ： 灯 泡 W丝 中 加 ThO 2质 点 ； 钢 中 含 有 Al2O3或 AlN质点 、 Mg中 加 入 微 量 Zr， Al中 含 有 MnAl6质 点 ， 均 可 明 显 阻 止 加热 时 晶 粒 的 长 大 。 再 结 晶 晶 粒 通 常

25、 缓 慢 均 匀 长 大 ， 但 如 有 少 数 晶 粒 处 在 特 别 有利 的 环 境 ， 它 们 将 吞 食 周 围 晶 粒 ， 迅 速 长 大 ， 这 种 现 象 称 为晶 粒 的 异 常 长 大 。 早 期 的 研 究 以 为 异 常 长 大 也 是 形 核 和 核 心的 生 长 过 程 ， 因 此 称 为 “ 二 次 再 结 晶 ”4.2 晶 粒 的 非 正 常 长 大 异 常 长 大 的 实 质 是 一 次 再 结 晶 后 的 长 大 过 程 中 ， 某 些 晶 粒的 环 境 特 殊 而 产 生 的 优 先 长 大 ， 不 存 在 再 次 形 核 过 程 。异 常 长 大 导 致

26、 晶 粒 分 布 严 重 不 均 ， 长 大 后 期 可 能 造 成 材料 晶 粒 尺 寸 过 大 ， 对 材 料 的 性 能 带 来 十 分 不 利 的 影 响 。 基 本 条 件 :正 常 晶 粒 长 大 过 程被 (第 二 分 散 相 微粒 、 织 构 ） 强 烈阻 碍 。驱 动 力 ：界 面 能 变 化 。 (不是 重 新 形 核 )4.2 晶 粒 的 非 正 常 长 大 钉 扎 晶 界 的 第 二 相 溶 于 基 体 . 机 制 再 结 晶 织 构 中 位 向 一 致 晶 粒 的 合 并 . 大 晶 粒 吞 并 小 晶 粒 .对 组 织 和 性 能 的 影 响 织 构 明 显 各 向

27、 异 性 优 化 磁 导 率 性 能 不 均 降 低 强 度 和 塑 韧 性 晶 粒 粗 大 提 高 表 面 粗 糙 度4.2 晶 粒 的 非 正 常 长 大 p 再 结 晶 温 度 p 再 结 晶 后 的 晶 粒 尺 寸 p 其 它 组 织 变 化 第 五 节 再 结 晶 后 的 组 织 5. 1 再 结 晶 温 度 再 结 晶 并 不 是 只 能 在 固 定 的 温 度 以 上 才 能 发 生 ， 而 是 温 度愈 高 ， 转 变 速 度 愈 快 。再 结 晶温 度 定 义 为 在 一 定 时 间 内 完 成 再 结 晶 所 对应 的 温 度 ， 通 常 规 定 在 一 小 时 内 再 结

28、晶 完 成 95%所 对 应 的 温 度 为 再 结 晶 温 度再 结 晶 温 度 与 材 料 的 类 型 、 纯 度 有 关 ， 而 且 和 材 料 冷 变 形程 度 也 有 关 。 再 结 晶 温 度 随 着 变 形 量 的 增 加 而 降 低 ， 最 终有 一 下 限 值 ， 对 于 工 业 纯 金 属 来 讲 ， 经 验 表 明 最 低 再 结 晶 温 度 在 0.35TM左 右 ， 一 般 再 结 晶 温 度 用 0.4TM来 估 计 。 在 临 界 变 形 量 以 下 ， 材 料 不 发 生再 结 晶 ， 维 持 原 来 的 晶 粒 尺 寸 ；在 临 界 变 形 量 附 近 ， 刚

29、 能 形 核 ，因 核 心 数 量 很 少 而 再 结 晶 后 的 尺寸 很 大 ， 有 时 甚 至 可 得 到 单 晶 ；一 般 情 况 随 着 变 形 量 的 增 加 ， 再 结 晶 后 的 晶 粒 尺 寸 不 断 减 小 ；当 变 形 量 过 大 (70%)后 ， 可 能 产 生 明 显 织 构 ， 在 退 火 温 度 高 时发 生 晶 粒 的 异 常 长 大 。5.2 影 响 再 结 晶 后 的 晶 粒 尺 寸 因 素1) 预 变 形 量 退 火 温 度 高 ， 完 成 再 结 晶 用的 时 间 少 ， 长 大 的 时 间 就 长 ，所 以 随 退 火 温 度 的 提 高 而 晶粒 尺

30、 寸 增 大 。再 结 晶 退 火 一 般 均 采 用 保 温 2小 时 ， 保 证 再 结 晶 充 分 完 成而 晶 粒 不 过 分 长 大 ， 延 长 保 温 时 间 显 然 会 造 成 晶 粒 尺 寸 的长 大 。 5.2 影 响 再 结 晶 后 的 晶 粒 尺 寸 因 素2)退 火 温 度 和 时 间 5.2 影 响 再 结 晶 后 的 晶 粒 尺 寸 因 素3)杂 质 无 论 是 固 溶 于 晶 体 内 的 异 类 原 子 ， 还 是在 材 料 组 织 中 存 在 的 第 二 相 质 点 ， 特 别是 弥 散 分 布 时 ， 都 将 促 进 再 结 晶 后 的 晶粒 细 化 。4)原

31、 始 晶 粒 大 小 在 其 他 条 件 相 同 时 ， 材 料 变 形 前 的晶 粒 尺 寸 愈 细 小 ， 晶 界 面 多 ， 有 利形 核 ， 再 结 晶 后 的 晶 粒 也 细 小 。5)变 形 温 度 材 料 变 形 温 度 较 高 ， 或 再 结 晶 退 火 前 进行 较 有 效 的 回 复 处 理 ， 因 降 低 了 畸 变 能 ， 可 使 再 结 晶 后 的 晶 粒 变 粗 。 p 应 避 免 在 临 界 变 形 量 ；p 同 时 一 次 不 宜 进 行 过 大 的 变 形 ， 防 止 产 生 组 织 织 构 或出 现 晶 粒 的 异 常 长 大 ；p 严 格 控 制 再 结

32、晶 退 火 的 温 度 和 保 温 时 间 ， 以 保 证 再 结晶 能 充 分 完 成 而 晶 粒 不 过 分 长 大 。5.2 影 响 再 结 晶 后 的 晶 粒 尺 寸 因 素控 制 方 法 再 结 晶 晶 粒 尺 寸 和 凝 固 结 晶 一 样 ， 决 定 于 形核 率 和 长 大 速 率 的 比 值 。 为 了 防 止 再 结 晶 后晶 粒 粗 大 ， 材 料 需 要 进 行 再 结 晶 退 火 时 ： 有 些 结 构 的 金 属 及 合 金 ， 再 结 晶 退 火 后 经 常 出 现 孪 晶 组 织 ，这 种 孪 晶 称 为 退 火 孪 晶 或 再 结 晶 孪 晶 。 5.3 其

33、他 组 织 变 化 再 结 晶 织 构 材 料 的 冷 变 形 程 度 较 大 ， 如 果 产 生 了变 形 织 构 ， 在 再 结 晶 后 晶 粒 取 向 的 遗传 ， 组 织 依 然 存 在 择 优 取 向 ， 这 时 的织 构 称 为 再 结 晶 织 构 。再 结 晶 织 构 对 进 一 步 的 加 工 不 利 。 如 冲 压 再 结 晶 铜 板 形 成制 耳 。 经 常 在 Cu中 加 入 少 量 P、 Be、 Cd、 Sn等 杂 质 预 防 。退 火 孪 晶 1. 热 加 工 2. 热 加 工 时 的 软 化 机 制 3. 热 加 工 对 材 料 组 织 性 能 的 影 响 第 六

34、节 金 属 的 热 加 工 p 热 加 工 ： 再 结 晶 温 度 以 上 的 加 工 称 为 “ 热 加 工 ” 。p 温 加 工 ： 低 于 再 结 晶 温 度 高 于 室 温 的 加 工 。p 冷 加 工 ： 室 温 加 工 。6.1 何 谓 热 加 工 ？Sn的 再 结 晶 温 度 低 于 室 温 ， 因 此 室 温 下 对锡 的 加 工 即 为 热 加 工 。 在 热 加 工 的 温 度 下 ， 材 料 可 以 进 行 较 快 回 复 过 程 。 它 不 同于 静 态 回 复 ， 材 料 在 变 形 的 同 时 ， 一 方 面 变 形 在 增 加 缺 陷 ，另 一 方 面 以 回 复

35、 方 式 减 少 部 分 缺 陷 ， 某 些 性 能 因 二 者 的 同时 作 用 可 达 到 动 态 平 衡 ， 维 持 在 某 一 固 定 的 水 平 。 6.2 热 加 工 时 的 软 化 机 制 在 高 温 下 ， 塑 性 变 形 的 同 时 ， 发 生 组 织 结 构 的 软 化 ， 尽 管软 化 本 身 的 方 式 也 是 属 于 回 复 和 再 结 晶 ， 由 于 变 形 硬 化 和软 化 同 时 发 生 ， 软 化 具 有 自 己 的 特 点 ， 热 加 工 时 软 化 有 以下 类 型 ：1） 动 态 回 复 热 塑 性 变 形 再 结 晶 方 式 形 核超 过 临 界 变

36、形 量 核 心 长 大长 大 的 晶 粒 也 在 变 形超 过 临 界 量再 次 形 核 长 大6.3 热 加 工 时 的 软 化 机 制 2） 动 态 再 结 晶 3） 亚 动 态 再 结 晶6.3 热 加 工 时 的 软 化 机 制 变 形 过 程 中 形 成 的 再 结 晶 核 心 或 长 大 未 完 成的 小 晶 体 ， 在 变 形 过 程 停 止 后 的 继 续 长 大 。4） 静 态 回 复 和 静 态 再 结 晶变 形 过 程 停 止 后 ， 由 于 在 较 高 的 温 度 下 ， 这时 所 发 生 的 回 复 过 程 和 重 新 形 核 并 长 大 的 再结 晶 过 程 。 1

37、) 为 了 控 制 材 料 的 最 后 组 织 ， 如 晶 粒 尺 寸 ， 必 需 控 制 好 最后 的 变 形 量 和 变 形 停 止 时 的 温 度 ， 又 称 为 终 锻 温 度 ， 终锻 温 度 过 高 ， 最 后 会 导 致 材 料 的 晶 粒 尺 寸 粗 大 ， 特 别 是终 锻 变 形 量 在 临 界 变 形 量 附 近 时 ， 晶 粒 尺 寸 更 大 ， 使 材料 的 性 能 下 降 。 但 终 锻 温 度 过 低 或 变 形 量 过 大 可 能 会 在零 件 上 带 来 残 余 应 力 ， 甚 至 出 现 开 裂 。 6.4 热 加 工 对 材 料 组 织 性 能 的 影 响

38、 热 加 工 过 程 中 ， 尽 管 加 工 硬 化 和 再 结 晶 软 化 互 相 抵 消 ， 但材 料 经 过 热 加 工 后 ， 组 织 性 能 也 会 带 来 一 系 列 的 变 化 。 2) 压 力 加 工 可 以 焊 合 铸 态 材 料 中 的 气 孔 疏 松 ， 提 高 材料 致 密 度 和 性 能 。 所 以 有 些 零 件 必 须 通 过 压 力 加 工来 成 形 。 3) 压 力 加 工 可 以 打 碎 粗 大 枝 晶 和 柱 状 晶 ， 细 化 晶 粒 尺寸 ； 对 多 相 材 料 ， 反 复 的 镦 拔 ， 可 以 均 匀 材 料 的 成分 ， 都 将 有 益 于 材

39、料 的 使 用 性 能 。 4) 热 加 工 的 温 度 较 高 ， 表 面 较 易 发 生 氧 化 现 象 ， 尽 管有 一 些 精 密 锻 造 工 艺 ， 但 产 品 的 表 面 光 洁 度 和 尺 寸精 度 不 可 能 达 到 机 械 加 工 能 达 到 的 高 度 。 6.4 热 加 工 对 材 料 组 织 性 能 的 影 响 5) 在 热 加 工 时 ， 仅 在 一 个 方 向 上 变 形 ， 如 热 轧 、 拔 长等 ， 会 造 成 杂 质 或 第 二 相 沿 加 工 方 向 分 布 ， 形 成 所谓 热 加 工 纤 维 组 织 ， 有 时 也 称 为 “ 流 线 ” ， 材 料

40、的机 械 性 能 具 有 明 显 的 各 向 异 性 ， 通 常 纵 向 的 强 度 、塑 性 和 韧 性 显 著 大 于 横 向 。6.4 热 加 工 对 材 料 组 织 性 能 的 影 响 在 零 件 成 形 中 要 注 意 ， 让 流 线 与 零 件 的 受 力 方 向成 合 理 分 布 ， 才 能 保 证 或 提 高 零 件 的 质 量 水 平 。 1. 冷 变 形 后 的 金 属 重 新 加 热 以 回 复 和 再 结 晶 的 方 式 从 亚 稳态 过 渡 到 稳 定 状 态 ， 转 变 的 驱 动 力 是 冷 变 形 金 属 中 的 储存 能 。2. 讨 论 了 回 复 的 机 制 与 组 织 、 性 能 的 变 化 。3. 分 析 再 结 晶 的 机 制 及 对 组 织 、 性 能 的 变 化 ， 再 结 晶 的 温度 和 影 响 控 制 再 结 晶 后 晶 粒 尺 寸 的 因 素 。4. 回 复 和 再 结 晶 都 不 是 相 变 过 程 。5. 晶 粒 的 正 常 长 大 和 非 正 常 长 大 的 特 点 、 影 响 因 素 、 条 件和 结 果 。6. 金 属 在 高 温 下 的 变 形 方 式 及 其 应 用 特 点 。本 章 小 结 作 业 7-1； 7-4； 7-7； 7-8； 7-10