再结晶和晶粒长大.pptx

第七章第七章 回复与再结晶回复与再结晶材料经塑性变形后，不仅内部组织结构与各项性材料经塑性变形后，不仅内部组织结构与各项性能均发生相应的变化，而且由于空位、位错等结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，使其处构缺陷密度的增加，以及畸变能的升高，使其处于热力学不稳定的高自由能状态。于热力学不稳定的高自由能状态。因此，经塑性变形的材料具有自发恢复到变形前因此，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。低自由能状态的趋势。u经冷塑性变形的材料经冷塑性变形的材料,通过适当的加热和保温将发生一系通过适当的加热和保温将发生一系列组织、性能的变化。列组织、性能的变化。u根据其显微组织及性能的变化情况，可将这种变化分为根据其显微组织及性能的变化情况，可将这种变化分为三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。u 了解这些过程的发生和发展规律，对于改善和控制材料了解这些过程的发生和发展规律，对于改善和控制材料的性能和组织有重要的意义。的性能和组织有重要的意义。第七章第七章 回复与再结晶回复与再结晶图 冷变形金属退火晶粒形状大小变化回复：指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能回复：指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化阶段；变化阶段；再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；过程；晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。第七章第七章 回复与再结晶回复与再结晶第一节第一节 形变金属及合金在退火过程中的变化形变金属及合金在退火过程中的变化u在回复阶段，与冷变形状态相比，光学金相组织中几乎没在回复阶段，与冷变形状态相比，光学金相组织中几乎没有发生变化，仍保持形变结束时的变形晶粒形貌；有发生变化，仍保持形变结束时的变形晶粒形貌；u在再结晶开始，首先在畸变较大的区域产生新的无畸变的在再结晶开始，首先在畸变较大的区域产生新的无畸变的晶粒核心，然后通过逐渐消耗周围变形晶粒而长大，转变晶粒核心，然后通过逐渐消耗周围变形晶粒而长大，转变成为新的等轴晶粒，直到冷变形晶粒完全消失；成为新的等轴晶粒，直到冷变形晶粒完全消失；u最后，在晶界界面能的驱动下，新晶粒会发生合并长大，最后，在晶界界面能的驱动下，新晶粒会发生合并长大，最终会达到一个相对稳定的尺寸，这就是晶粒长大阶段。最终会达到一个相对稳定的尺寸，这就是晶粒长大阶段。7.1.1显微组织的变化显微组织的变化7.1.2储存能释放与性能变化储存能释放与性能变化储存能是变形金属加热时发生回复与再结晶的驱动力。储存能是变形金属加热时发生回复与再结晶的驱动力。当变形金属加热到足够高的温度时，其中的储存能即将释当变形金属加热到足够高的温度时，其中的储存能即将释放出来。放出来。根据材料性质不同，通常根据材料性质不同，通常测定的储存能释放谱大致测定的储存能释放谱大致有三种类型。其中曲线有三种类型。其中曲线A代代表纯金属，曲线从表纯金属，曲线从B、C代代表两种不同的合金。表两种不同的合金。图变形金属退火过程中的能量释放图 冷变形金属退火时某些性能的变化7.1.2储存能释放与性能的变化储存能释放与性能的变化u强度和硬度的变化强度和硬度的变化回复阶段的硬度变化很小，而再结晶回复阶段的硬度变化很小，而再结晶阶段则下降较多。强度具有和硬度相似的变化规律。阶段则下降较多。强度具有和硬度相似的变化规律。u电阻率的变化电阻率的变化变形金属的电阻率在回复阶段巳表现明显变形金属的电阻率在回复阶段巳表现明显的下降趋势。的下降趋势。u密度的变化密度的变化变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧增高变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧增高的原因主要是再结晶阶段中位错密度显著降低所致。的原因主要是再结晶阶段中位错密度显著降低所致。u内应力的变化内应力的变化金属经塑性变形所产生的第一类内应力在金属经塑性变形所产生的第一类内应力在回复阶段基本得到消除，而第二、三类内应力只有通过再回复阶段基本得到消除，而第二、三类内应力只有通过再结晶方可全部消除。结晶方可全部消除。u亚晶粒尺寸的变化亚晶粒尺寸的变化在回复的前期，亚晶粒尺寸变化不大，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。但在后期，尤其在接近再结晶时，亚晶粒尺寸就显著增大。u储能的变化储能的变化当冷变形材料加热到足以引起应力松弛的温当冷变形材料加热到足以引起应力松弛的温度时，储能就被释放出来。在回复阶段，各材料释放的储度时，储能就被释放出来。在回复阶段，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与储能释放曲存能量均较小，再结晶晶粒出现的温度对应与储能释放曲线的高峰处。线的高峰处。第二节第二节 回复回复7.2.1回复机理回复机理u约化温度：约化温度：绝对温标表示的加热温度和熔点温度之比绝对温标表示的加热温度和熔点温度之比u即即THT/Tmu0.1T/Tm0.3,低温回复低温回复;0.3T/Tm0.5,高温回复。高温回复。u（1）低温回复）低温回复 变形金属在较低温度下加热时所发生的变形金属在较低温度下加热时所发生的回复过程称为低温回复。此时因温度较低，原子活动能力回复过程称为低温回复。此时因温度较低，原子活动能力有限，一般局限于点缺陷的运动，通过空位迁移至晶界、有限，一般局限于点缺陷的运动，通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，使冷变形过程中形成的过位错或与间隙原子结合而消失，使冷变形过程中形成的过饱和空位浓度下降。对点缺陷敏感的电阻率此时会发生明饱和空位浓度下降。对点缺陷敏感的电阻率此时会发生明显下降。显下降。u（2）中温回复）中温回复变形金属在中等温度下加热时所发生的变形金属在中等温度下加热时所发生的回复过程称为中温回复。此时因温度升高，原子活动能力回复过程称为中温回复。此时因温度升高，原子活动能力也增强，除点缺陷运动外，位错也被激活，在内应力作用也增强，除点缺陷运动外，位错也被激活，在内应力作用下开始滑移，部分异号位错发生抵消，因此位错密度略有下开始滑移，部分异号位错发生抵消，因此位错密度略有降低。降低。u（3）高温回复）高温回复刃型位错可以获得足够的能量产生攀移。刃型位错可以获得足够的能量产生攀移。攀移产生了两个重要的后果：攀移产生了两个重要的后果：u 使滑移面上不规则的位错重新分布，刃型位错垂直使滑移面上不规则的位错重新分布，刃型位错垂直排列成墙，这种分布可显著降低位错的弹性畸变能，因此，排列成墙，这种分布可显著降低位错的弹性畸变能，因此，可看到对应于此温度范围，有较大的应变能释放。可看到对应于此温度范围，有较大的应变能释放。u 沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向差的位错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，即多边化结墙（小角度亚晶界），以及由此产生的亚晶，即多边化结构。构。u多边化机制多边化机制u冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积，致使晶格冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积，致使晶格弯曲，所增殖的位错杂乱分布。在高温回复过程，这些刃弯曲，所增殖的位错杂乱分布。在高温回复过程，这些刃型位错通过攀移和滑移，由原来的能量较高的水平塞积，型位错通过攀移和滑移，由原来的能量较高的水平塞积，转变为能量较低的沿垂直滑移面方向排列成位错墙，形成转变为能量较低的沿垂直滑移面方向排列成位错墙，形成小角度晶界，把原先的晶粒分割成许多取向稍有不同的亚小角度晶界，把原先的晶粒分割成许多取向稍有不同的亚晶，这种形成亚晶的过程称为多边化。晶，这种形成亚晶的过程称为多边化。u显然，高温回复多边化过程的驱动力主要来自应变能的下显然，高温回复多边化过程的驱动力主要来自应变能的下降。多边化产生的条件：降。多边化产生的条件：u在滑移面上有塞积的同号刃型位错。在滑移面上有塞积的同号刃型位错。u塑性变形使晶体点阵发生弯曲。塑性变形使晶体点阵发生弯曲。u 须加热到较高的温度，使刃型位错能够产生攀移运动。须加热到较高的温度，使刃型位错能够产生攀移运动。图 回复过程中的位错攀移与滑移图 位错在多边化过程中重新分布u在产生单滑移的单晶体中多边化过程最为典型；而在在产生单滑移的单晶体中多边化过程最为典型；而在多晶体中，由于容易发生多滑移，不同滑移系上的位多晶体中，由于容易发生多滑移，不同滑移系上的位错往往缠结在一起，会形成胞状组织，故多晶体的高错往往缠结在一起，会形成胞状组织，故多晶体的高温回复机制比单晶体更复杂，但从本质上看也包含位温回复机制比单晶体更复杂，但从本质上看也包含位错的滑移和攀移。通过攀移使同一滑移面上异号位错错的滑移和攀移。通过攀移使同一滑移面上异号位错相抵消，位错密度下降，位错重排成较为稳定的组态，相抵消，位错密度下降，位错重排成较为稳定的组态，构成亚晶界，形成回复后的亚晶结构。构成亚晶界，形成回复后的亚晶结构。u从上述回复机制可以理解，回复过程中电阻率的明显下降，从上述回复机制可以理解，回复过程中电阻率的明显下降，主要是由于过量空位的减少和位错应变能的降低；内应力主要是由于过量空位的减少和位错应变能的降低；内应力的降低主要是由于晶体内弹性应变的基本消除；硬度及强的降低主要是由于晶体内弹性应变的基本消除；硬度及强度的下降不多则是由于位错密度下降不多，亚晶还较细小度的下降不多则是由于位错密度下降不多，亚晶还较细小之故。之故。u据此，回复退火主要是用作去应力退火，使冷加工的材料据此，回复退火主要是用作去应力退火，使冷加工的材料在基本上保持加工硬化状态的条件下降低其内应力，以避在基本上保持加工硬化状态的条件下降低其内应力，以避免变形并改善工件的耐蚀性。免变形并改善工件的耐蚀性。u总之，通过回复机制，可使点缺陷数目减少，位错互毁，总之，通过回复机制，可使点缺陷数目减少，位错互毁，位错从滑移面转入亚晶界，使位错密度降低，降低能量，位错从滑移面转入亚晶界，使位错密度降低，降低能量，同时使亚晶尺寸增大，位向差变大。同时使亚晶尺寸增大，位向差变大。7.2.2回复动力学回复动力学u回复过程在加热后立刻回复过程在加热后立刻开始，没有孕育期；开始，没有孕育期；u回复开始的速率很大，回复开始的速率很大，随着时间的延长，逐渐降随着时间的延长，逐渐降低，直至趋于零；低，直至趋于零；u加热温度越高，最终回加热温度越高，最终回复程度也越高；复程度也越高；u变形量越大，初始晶粒变形量越大，初始晶粒尺寸越小，都有助于加快尺寸越小，都有助于加快回复速率。回复速率。图 同一变形度的Fe在不同温度下加热时屈服强度的回复动力学曲线u实验表明，短时间回复时，实验表明，短时间回复时，其激活能与空位迁移澈活其激活能与空位迁移澈活能相近，长时间回复时，能相近，长时间回复时，其激活能与铁的自扩散激其激活能与铁的自扩散激活能相近。活能相近。u在回复的开始阶段，其主在回复的开始阶段，其主要机制是空位的迁移，而要机制是空位的迁移，而在后期则以位错攀移机制在后期则以位错攀移机制为主。为主。7.2.3回复退火的应用回复退火的应用u回复处理在工业上一般用于去除形变加工后的内应力，因回复处理在工业上一般用于去除形变加工后的内应力，因此也常称作去应力退火。此也常称作去应力退火。第三节第三节 再结晶再结晶u实验表明，再结晶是一个形核长大过程，即通常在变形金实验表明，再结晶是一个形核长大过程，即通常在变形金属中能量较高的局部区域优先形成无畸变的再结晶晶核，属中能量较高的局部区域优先形成无畸变的再结晶晶核，然后通过晶核逐渐长大称为等轴晶，从而完全取代变形组然后通过晶核逐渐长大称为等轴晶，从而完全取代变形组织的过程。与一般相变存在区别，没有晶体结构转变。织的过程。与一般相变存在区别，没有晶体结构转变。u研究表明，再结晶形核机制一般根据其形变量的不同，存研究表明，再结晶形核机制一般根据其形变量的不同，存在如下一些形式：弓出形核机制、亚晶合并机制和亚晶蚕在如下一些形式：弓出形核机制、亚晶合并机制和亚晶蚕食机制。食机制。7.3.1再结晶的形核再结晶的形核u1.小变形量的小变形量的晶界弓出形核机制晶界弓出形核机制 u对于变形程度较小的金属（一般小于对于变形程度较小的金属（一般小于20%），再结晶晶核），再结晶晶核往往采用弓出形核机制生成。往往采用弓出形核机制生成。图 晶界弓出形核图 晶界弓出形核模型u2.亚晶合并亚晶合并机制机制 u某些取向差较小的相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆某些取向差较小的相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆散并转移到其它亚晶界上，导致亚晶界的消失而形成亚晶散并转移到其它亚晶界上，导致亚晶界的消失而形成亚晶间的合并，同时由于不断有位错运动到新亚晶晶界上，因间的合并，同时由于不断有位错运动到新亚晶晶界上，因而其逐渐转变为大角度晶界。而其逐渐转变为大角度晶界。图 亚晶合并形核机制图 亚晶蚕食机制u3.亚晶蚕食亚晶蚕食机制机制 u某些取向差较大的亚晶界具有较高的活性，可以直接吞食某些取向差较大的亚晶界具有较高的活性，可以直接吞食周围亚晶，并逐渐转变为大角晶界，实际上是某些亚晶的周围亚晶，并逐渐转变为大角晶界，实际上是某些亚晶的直接长大。直接长大。7.3.2再结晶动力学再结晶动力学图 同一变形度的Fe在不同温度等温退火后的再结晶曲线图 铝经冷轧40%并再结晶退火时的ln1/(1-Xv)与时间的双对数坐标关系材 料再结晶温度材 料再结晶温度铜（99.999%）120镍30%铜600无氧铜210电解铁400铜5%锌320低碳钢540铜5%铝290镁（99.99%）65铜2%铍370镁合金230铝（99.999%）85锌10铝（99.0%）240锡-3铝合金320铅-3镍（99.99%）370钨（高纯）1200-1300镍（99.4%）630钨（含显微气泡）1600-23007.3.3影响再结晶的因素影响再结晶的因素u1.温度温度u加热温度越高，再结晶转加热温度越高，再结晶转变速度越快，完成再结晶变速度越快，完成再结晶所需时间越短。所需时间越短。图 同一变形度的Fe在不同温度等温退火后的再结晶曲线u2.变形程度变形程度u金属的冷变形程度越大，金属的冷变形程度越大，其储存的能量亦越高，再其储存的能量亦越高，再结晶的驱动力也越大，因结晶的驱动力也越大，因此不仅再结晶温度随变形此不仅再结晶温度随变形量增加而降低，同时等温量增加而降低，同时等温再结晶退火时的再结晶速再结晶退火时的再结晶速度也越快。度也越快。u3.微量溶质原子微量溶质原子u微量的溶质原子的存在对微量的溶质原子的存在对再结晶影响巨大。溶质或再结晶影响巨大。溶质或者杂质原子与位错、晶界者杂质原子与位错、晶界相互作用，偏聚在位错及相互作用，偏聚在位错及晶界处，对位错的运动及晶界处，对位错的运动及晶界的迁移起阻碍作用，晶界的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶的形核因此不利于再结晶的形核长大，阻碍再结晶，使再长大，阻碍再结晶，使再结晶温度升高。结晶温度升高。图 合金元素对铁再结晶温度影响u4.原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸u原始晶粒越小，则由于晶界较多，其变形抗力愈大，形变原始晶粒越小，则由于晶界较多，其变形抗力愈大，形变后的储存能较高，因此再结晶温度降低。后的储存能较高，因此再结晶温度降低。u此外，再结晶形核通常是在原晶粒边界处发生，所以原始此外，再结晶形核通常是在原晶粒边界处发生，所以原始晶粒尺寸愈小，形核率越大。晶粒尺寸愈小，形核率越大。u5.分散相粒子分散相粒子u当合金中溶质浓度超过其固溶度后，就会形成第二相，多当合金中溶质浓度超过其固溶度后，就会形成第二相，多数情况下，这些第二相为硬脆的化合物，在冷变形过程中，数情况下，这些第二相为硬脆的化合物，在冷变形过程中，一般不考虑其变形，所以合金的再结晶也主要发生在基体一般不考虑其变形，所以合金的再结晶也主要发生在基体上。上。u当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并在颗粒当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并在颗粒周围留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗粒周围周围留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗粒周围畸变严重，促进再结晶，降低再结晶温度；畸变严重，促进再结晶，降低再结晶温度；u当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生明显聚当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生明显聚集，因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结晶晶核集，因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结晶晶核的长大过程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作用，因的长大过程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作用，因此使得再结晶过程更加困难，提高再结晶温度。此使得再结晶过程更加困难，提高再结晶温度。7.3.4再结晶后晶粒大小再结晶后晶粒大小图 变形量与再结晶后晶粒尺寸的关系u1.变形度的影响变形度的影响u当变形程度继续增加至某当变形程度继续增加至某一量时（一般在一量时（一般在2%10%），此时的畸变能刚），此时的畸变能刚能驱动再结晶的进行，最能驱动再结晶的进行，最终得到的晶粒尺寸特别粗终得到的晶粒尺寸特别粗大，这一变形度常称为临大，这一变形度常称为临界形变量。界形变量。图 低碳钢变形度及退火温度对再结晶晶粒大小的影响u2.退火温度的影响退火温度的影响u再结晶退火温度对刚完成再结晶退火温度对刚完成再结晶时的晶粒尺寸影响再结晶时的晶粒尺寸影响较小，但是提高再结晶退较小，但是提高再结晶退火温度可使再结晶速度加火温度可使再结晶速度加快，临界变形量减小。快，临界变形量减小。第四节第四节 晶粒长大晶粒长大图 Mg-3Al-0.8Zn合金退火组织 a.正常再结晶，b.晶粒长大，c.二次再结晶u晶粒长大过程中，如果长大的结果是晶粒尺寸分布均匀的，晶粒长大过程中，如果长大的结果是晶粒尺寸分布均匀的，那么这种晶粒长大称为正常长大。那么这种晶粒长大称为正常长大。u晶粒长大的过程实际上就是一个晶界迁移过程，从宏观上晶粒长大的过程实际上就是一个晶界迁移过程，从宏观上来看，晶粒长大的驱动力是界面能的降低，而从晶粒尺度来看，晶粒长大的驱动力是界面能的降低，而从晶粒尺度来看，驱动力主要是由于晶界的界面曲率所造成的。来看，驱动力主要是由于晶界的界面曲率所造成的。u晶界移动方向总是指向曲率中心。晶界移动方向总是指向曲率中心。7.4.1晶粒的正常长大晶粒的正常长大u影响晶粒长大的因素影响晶粒长大的因素u（1）温度）温度u温度越高，晶界迁动速度越大，晶粒长大速度温度越高，晶界迁动速度越大，晶粒长大速度u越大。越大。uu0为常数，为常数，Q为晶粒长大的激活能。为晶粒长大的激活能。u（2）杂质与合金元素）杂质与合金元素u金属中微量元素对晶粒长金属中微量元素对晶粒长大有显著影响。如在区熔大有显著影响。如在区熔锡中加入锡中加入0.005%（原子）（原子）的银、铅、铋，就可显著的银、铅、铋，就可显著降低晶界的迁动速度，增降低晶界的迁动速度，增加晶界迁动激活能。加晶界迁动激活能。图 铅在300时晶界迁动速度与锡含量的关系u（3）第二相质点）第二相质点u弥散分布的第二相粒子阻弥散分布的第二相粒子阻碍晶界移动，可使晶粒长碍晶界移动，可使晶粒长大受到抑制。大受到抑制。u第二相粒子越细小，数量第二相粒子越细小，数量越多，阻碍晶粒长大能力越多，阻碍晶粒长大能力越强。越强。u（4）相邻晶粒的位相差）相邻晶粒的位相差u小角度晶界界面能低，界小角度晶界界面能低，界面移动的驱动力小，晶界面移动的驱动力小，晶界移动速度低。移动速度低。u界面能高的大角度晶界可界面能高的大角度晶界可动性高。动性高。7.4.2晶粒的异常长大晶粒的异常长大u冷形变金属在初次再结晶刚完成时，晶粒是比较细小的。冷形变金属在初次再结晶刚完成时，晶粒是比较细小的。如果继续保温或提高加热温度，晶粒将渐渐长大，这种长如果继续保温或提高加热温度，晶粒将渐渐长大，这种长大是大多数晶粒几乎同时长大的过程。大是大多数晶粒几乎同时长大的过程。u如将再结晶完成后的金属继续加热超过某一温度，则会有如将再结晶完成后的金属继续加热超过某一温度，则会有少数几个晶粒突然长大，它们的尺寸可能达到几个厘米，少数几个晶粒突然长大，它们的尺寸可能达到几个厘米，而其他晶粒仍保持细小。最后小晶粒被大晶粒吞并，整个而其他晶粒仍保持细小。最后小晶粒被大晶粒吞并，整个金属中的晶粒都变得十分粗大。这种晶粒长大叫做异常晶金属中的晶粒都变得十分粗大。这种晶粒长大叫做异常晶粒长大或二次再结晶。粒长大或二次再结晶。u二次再结晶的一般规律：二次再结晶的一般规律：u二次再结晶中形成的大晶粒不是重新形核后长大的，它二次再结晶中形成的大晶粒不是重新形核后长大的，它们是初次再结晶中形成的某些特殊晶粒的继续长大。们是初次再结晶中形成的某些特殊晶粒的继续长大。u这些大晶粒在开始时长大得很慢，只是在长大到某一临这些大晶粒在开始时长大得很慢，只是在长大到某一临界尺寸以后才迅速长大。界尺寸以后才迅速长大。u二次再结晶完成以后，有时也有明显的织构。这种织构二次再结晶完成以后，有时也有明显的织构。这种织构总是和初次再结晶得到的织构明显地不同。总是和初次再结晶得到的织构明显地不同。u和正常的晶粒长大一样，二次再结晶助驱动力也是晶界和正常的晶粒长大一样，二次再结晶助驱动力也是晶界能。能。u要发生二次再结晶，加热温度必须在某一温度以上。通要发生二次再结晶，加热温度必须在某一温度以上。通常最大的晶粒尺寸是在加热温度刚刚超过这一温度时得到常最大的晶粒尺寸是在加热温度刚刚超过这一温度时得到的。当加热温度更高时，得到的二次再结晶晶粒的尺寸反的。当加热温度更高时，得到的二次再结晶晶粒的尺寸反而较小。而较小。u晶粒的异常长大一般是在晶粒正常长大过程被分散相粒晶粒的异常长大一般是在晶粒正常长大过程被分散相粒子、结构或表面热蚀沟等强烈阻碍情况下发生的。子、结构或表面热蚀沟等强烈阻碍情况下发生的。第五节第五节 金属的热变形金属的热变形u热变形或热加工指金属材料在再结晶温度以上的加工变形。热变形或热加工指金属材料在再结晶温度以上的加工变形。u前面讨论的回复和再结晶是在金属冷形变后的加热过程中前面讨论的回复和再结晶是在金属冷形变后的加热过程中发生的，称为静态回复和再结晶。发生的，称为静态回复和再结晶。u金属在较高的温度下形变时，回复和再结晶会在形变过程金属在较高的温度下形变时，回复和再结晶会在形变过程中相继发生，这种回复和再结晶称为动态回复和动态再结中相继发生，这种回复和再结晶称为动态回复和动态再结晶。这是在通常的热加工时发生的过程。在发生回复和再晶。这是在通常的热加工时发生的过程。在发生回复和再结晶时，由形变造成的加工硬化与由动态回复，动态再结结晶时，由形变造成的加工硬化与由动态回复，动态再结晶造成的软化同时发生。晶造成的软化同时发生。u第一阶段是微应变阶段。第一阶段是微应变阶段。u第二阶段表现为曲线的斜第二阶段表现为曲线的斜率逐渐下降，材料开始均率逐渐下降，材料开始均匀塑性变形，即开始流变，匀塑性变形，即开始流变，并发生加工硬化。并发生加工硬化。u第三阶段称为稳定流变阶第三阶段称为稳定流变阶段。在达到第三阶段后，段。在达到第三阶段后，即可实现持续形变。即可实现持续形变。7.5.1动态回复动态回复图 动态回复时的真应力应变曲线u在第一阶段，金属中的位错密度可由在第一阶段，金属中的位错密度可由10101011m-2增至增至10111012m-2。u位错密度在第二阶段继续增大，到第位错密度在第二阶段继续增大，到第3阶段可达阶段可达10141015m-2，和冷形变时相同，随着位错密度的增大，金，和冷形变时相同，随着位错密度的增大，金属中形成位错缠结和位错胞。位错密度的增大导致了回复属中形成位错缠结和位错胞。位错密度的增大导致了回复过程的发生，位错消失的速率随应变的增大不断增大，最过程的发生，位错消失的速率随应变的增大不断增大，最后终于使位错增殖与位错消失达到平衡，不再发生加工硬后终于使位错增殖与位错消失达到平衡，不再发生加工硬化的稳态流变阶段。化的稳态流变阶段。u在这个阶段，位错构成亚晶界，形成亚晶粒。亚晶粒却始在这个阶段，位错构成亚晶界，形成亚晶粒。亚晶粒却始终保持等轴状。终保持等轴状。7.5.2动态再结晶动态再结晶图 动态再结晶的真应力-真应变曲线u在较高的应变速率下，再结晶曲线也可分为三个阶段，即在较高的应变速率下，再结晶曲线也可分为三个阶段，即加工硬化阶段加工硬化阶段(0c)、动态再结晶的初始阶段、动态再结晶的初始阶段(cs)稳稳态流变阶段态流变阶段(s)。u当应变速率低时，由于位错增殖速度小，在发生动态再结当应变速率低时，由于位错增殖速度小，在发生动态再结晶软化后，继续进行再结晶的驱动力减小，再结晶软化作晶软化后，继续进行再结晶的驱动力减小，再结晶软化作用减弱，以致不能与新的加工硬化平衡，从而重新发生硬用减弱，以致不能与新的加工硬化平衡，从而重新发生硬化，曲线重新上升。等到位错再度积累到一定程度，使再化，曲线重新上升。等到位错再度积累到一定程度，使再结晶又占上风时，曲线又重新下降。这种反复变化的过程结晶又占上风时，曲线又重新下降。这种反复变化的过程将不断进行下去，变化周期大致不变，但振幅逐渐衰减。将不断进行下去，变化周期大致不变，但振幅逐渐衰减。7.5.3热加工后的组织及性能热加工后的组织及性能u改善铸态组织，减少缺陷热变形可焊合铸态组织中的改善铸态组织，减少缺陷热变形可焊合铸态组织中的气孔和疏松等缺陷，增加组织致密性，井通过反复的形变气孔和疏松等缺陷，增加组织致密性，井通过反复的形变和再结晶破碎粗大的铸态组织，减小偏析，改善材料的机和再结晶破碎粗大的铸态组织，减小偏析，改善材料的机械性能。械性能。u形成流线和带状组织使材料性能各向异性。热加工后，形成流线和带状组织使材料性能各向异性。热加工后，材料中的偏析、夹杂物、第二相、晶界等将沿金属变形方材料中的偏析、夹杂物、第二相、晶界等将沿金属变形方向呈断续、链状和带状延伸，形成流动状的纤维组织，称向呈断续、链状和带状延伸，形成流动状的纤维组织，称为流线。为流线。u晶粒大小的控制。晶粒大小的控制。图 低碳钢中的带状组织u超塑性的定义超塑性的定义u超塑性是指材料在一定的超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件和外部内部（组织）条件和外部（环境）条件下（如温度、（环境）条件下（如温度、应变速率等），呈现出异应变速率等），呈现出异常低的流变抗力、异常高常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延的流变性能（例如大的延伸率）的现象伸率）的现象。图 超塑性7.5.4超塑性超塑性u超塑性的历史及发展：超塑性的历史及发展：u超塑性现象最早的报道是在超塑性现象最早的报道是在1920年，年，ROSENHAIN等发现等发现Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时，可以弯曲近合金在低速弯曲时，可以弯曲近180度。度。u1934年，英国的年，英国的C.P.PEARSON发现发现Pb-Sn共晶合金在室温共晶合金在室温低速拉伸时可以得到低速拉伸时可以得到2000%的延伸率。的延伸率。u1945年前苏联的年前苏联的A.A.BOCHVAR等发现等发现Zn-Al共析合金具共析合金具有异常高的延伸率并提出有异常高的延伸率并提出“超塑性超塑性”这一名词。这一名词。u1964年，美国的年，美国的W.A.BACKOFEN对对Zn-Al合金进行了系合金进行了系统的研究，并提出了应变速率敏感性指数统的研究，并提出了应变速率敏感性指数-m值这个新概念，值这个新概念，为超塑性研究奠定了基础。为超塑性研究奠定了基础。u超塑性的分类：超塑性的分类：u按照实现超塑性的条件（组织、温度、应力状态等）一般按照实现超塑性的条件（组织、温度、应力状态等）一般分为以下几种：分为以下几种：u恒温超塑性或第一类超塑性。根据材料的组织形态特点也恒温超塑性或第一类超塑性。根据材料的组织形态特点也称之为微细晶粒超塑性。称之为微细晶粒超塑性。u相变超塑性或第二类超塑性，亦称转变超塑性或变态超塑相变超塑性或第二类超塑性，亦称转变超塑性或变态超塑性。性。u其它超塑性（或第三类超塑性）：在消除应力退火过程中其它超塑性（或第三类超塑性）：在消除应力退火过程中在应力作用下可以得到超塑性。在应力作用下可以得到超塑性。本章完本章完