再结晶形核和长大在线视频

同学们

这节课我们继续学习冷变形金属的再结晶

首先我们看一下再结晶晶核的形成与长大

那么再结晶晶核的形成主要有两种形核机制

第一种呢是晶界弓出形核机制

那么这样一种形核机制主要针对的是

变形程度比较小的金属

一般呢变形量小于20%

再结晶晶粒呢

往往采用弓出形核机制生成

那么变形度比较小的时候

变形在各个晶粒中的分布不均匀

处于软取向的晶粒变形程度比较大

那么处于硬取向的晶粒变形程度比较小

对于这样一个A B两个晶粒

那么B晶粒的变形程度较大

形变以后的位错密度比较高

回复阶段形成的亚晶的尺寸也比较小

为了降低系统的能量

在再结晶温度下晶粒某处会向B晶粒弓出

并吞食B晶粒中的亚晶

形成缺陷含量大大降低的晶核

那么什么样的晶粒才能采用

这样一种弓出形核的机制进行形核呢

我们看一下

对于A B这样两个晶粒

我们刚才说B晶粒的形变程度比较大

所以它的这个A晶粒

会向B晶粒内部弓出形核

那么如果晶界弓出两端的ab是固定的

那么它的表面能也固定

那么刚开始阶段随着ab弓出弯曲

那么它的半径r会逐渐减小

δG值会增加

那么当r达到最小值

也就是说ab距离的一半的时候

那么δG将达到最大值

那么随着这样一个形核的过程的不断进行

如果继续弓出

由于r的增大

而使得δG会减小

所以晶界将自发的向前推移

因此我们就可以通过建立这样一个能量关系

推导得到一段长为2L的晶界

其弓出形核的能量条件ES

大于2倍的表面能除以L

那么这是我们在实际观察过程中

发现的低应变的纯铝的

弓出形核的这样一个过程

那么第二种形核机制是亚晶形核机制

对应于冷变形程度较大的金属

再结晶核心往往采用亚晶形核机制形成

当金属的变形程度较大的时候

在高温回复阶段

由于位错组成的胞状亚结构将发生多边形化

形成回复亚晶

因为它的形变量很大

每个晶粒的变形程度都相差不大

晶界两侧晶粒内畸变能比较相近

再结晶核心形成

不能以晶界突出形核方式形成

而是直接借助晶粒内

某些无应变的亚晶形成核

对于某些取向差

比较小的相邻亚晶边界上的位错网络

可以通过解离

拆散并转移到其他亚晶界上

导致亚晶界的消失或者亚晶之间的合并

在合并过程形成的新的亚晶的晶界

不断吸纳位错

而形成了大角度晶界

形成我们的再结晶晶核

由于合并过程需要有位错的滑移和攀移

所以呢要求金属比要有比较高的层错能

对于某些取向差很大的亚晶界

那么它具有比较高的移动性

可以直接吞食相邻的亚晶粒

这样一种形核

实质上是某些亚晶直接长大

亚晶界发生迁移

并逐渐变为大角度晶界

那么再结晶形核完成以后

就会有再结晶晶核的长大

那么如果继续升高温度

或者是延长保温时间

将会发生晶粒的长大

这是一个自发的过程

我们可以看到

黄铜的再结晶后晶粒的长大过程

那么晶粒的长大

实际上是通过晶界的迁移来进行的

是大晶粒吞并小晶粒的过程

晶粒的粗大会使金属的强度

尤其是塑性和韧性降低

那么我们可以看到黄铜再结晶

和晶粒长大各个阶段的这样一个照片

那么接下来我们看一下再结晶的动力学

图是同一变形度的这样一个

合金冷轧80%变形量的时候

在不同温度等温退火以后的再结晶曲线

通过这样一个曲线

我们把再结晶完成度等于95%的时候

作为再结晶完成的标志

那么加热的时间越长

再结晶温度越低

这样呢再结晶温度就不是一个确定的数值

那么

由于再结晶可以随着相关条件的不同

在一定的范围内发生

为了便于我们比较不同材料的再结晶情况

一般呢工业上我们所说的再结晶温度

都是指的经过较大变形量的金属

一般变形量要大于70%

在一小时内

完成再结晶体积分数95%所对应的温度

那么实验表明

对于许多工业的纯金属而言

在上述条件下再结晶的温度

和它的熔点之间有这样一个关系式

那么实际上我们通常呢

再结晶退火的温度要比我们计算得到的

这样一个再结晶温度稍高一些

那么再结晶不是一个恒温的过程

它是从某一个温度开始

在一个温度范围内连续进行的过程

发生再结晶的最低温度

我们称为再结晶温度

那么影响再结晶温度的因素有哪些呢

首先变形程度

金属材料的预变形程度越大

再结晶温度越低

那么当变形程度达到一定值以后

再结晶温度趋于某一个最低值

也就是最低再结晶温度

我们说纯金属的最低在结晶温度和熔点之间

它有一个近似的关系

我们在应用这个公式进行计算的时候

我们需要注意的是

我们公式里的T是绝对温度

我们要换成这样一个绝对温度来进行计算

那么第二点原始晶粒尺寸会影响再结晶温度

原始晶粒越小

由于晶界比较多

它的变形抗力会比较大

形变以后的储存能比较高

所以呢再结晶温度会降低

那么此外再结晶形核

通常是在原始晶粒的晶界处容易形核

所以原始晶粒尺寸越小

形核率和长大速度越大

所以形成的再结晶晶粒更小

而再结晶的温度也降低

那么第三个

第二相颗粒也会影响再结晶温度

在多数情况下

合金中的第二相颗粒都是硬脆的化合物

在冷变形的过程中

一般呢它不可以发生变形

所以合金的再结晶也主要发生在机体上

这样一些第二相颗粒对于基体再结晶的影响

主要是由于第二相的尺寸和分布决定的

当第二相颗粒比较粗的时候

变形时位错会绕过颗粒

并且呢在颗粒周围留下位错环

或者在塞积在颗粒附近

从而造成颗粒周围畸变严重

因此会促进再结晶

降低再结晶温度

那么当第二相颗粒比较小的时候

分布比较均匀的时候

不会使得位错发生明显的聚集

因此对再结晶的形核的作用影响不大

相反的

如果对再结晶晶核的长大过程中的位错运动

或晶界迁移

相反

那么第二相颗粒

会对再结晶晶核的长大过程中的

位错运动和晶界迁移起到阻碍的作用

因此呢使得再结晶过程更加困难

可以提高再结晶的温度

第四

金属的纯度也会影响再结晶温度

金属中的微量元素或者杂质

尤其是高熔点元素会阻碍扩散和晶界迁移

使得再结晶的温度明显提高

那么再结晶的加热速度和加热时间

也会影响再结晶温度

提高加热速度

会使再结晶推迟到更高的温度发生

延长加热时间

使原子的扩散充分

再结晶的温度会降低

生产中我们把消除加工硬化的热处理

称为再结晶退火

那么再结晶退火的温度

比再结晶温度要高100~200度

那么再结晶以后

晶粒的大小符合约翰逊-梅厄方程

那么有很多影响因素也会影响

再结晶以后的晶粒大小

第一点变形度

那么通过这样一个图

我们发现在临界变形量附近

再结晶晶粒的尺寸是比较大的

那么随着变形量的继续增加

那么再结晶后的晶粒大小会逐渐降低

那么实际上

预变形度的影响

实际上是变形均匀程度的影响

当变形程度很小的时候

晶格畸变小

不足以引起再结晶

那么当变形达到2%~10%的时候

那么只有少数的晶粒发生了变形

变形不均匀

再结晶晶粒大小的相差比较悬殊

容易互相吞并和长大

那么再结晶以后

晶粒特别粗大

这个变形度呢

我们叫做临界变形度

那么超过临界变形度以后

随着变形程度的增加

变形越来越均匀

再结晶时候形核量大而且均匀

使得再结晶以后的晶粒细而均匀

达到一定的形变量以后

晶粒度基本不发生了变化

对于某一些金属当变形量大于90%的时候

再结晶后晶粒又重新出现了粗化现象

那么这个一般呢

我们认为和形成了一些织构有关系

那么这是预先变形度对再结晶晶粒尺寸的影响

我们也可以看到变形量越大

再结晶晶粒尺寸越小

第二再结晶退火温度

也会影响再结晶以后的晶粒大小

退火温度越高

临界变形度越小

再结晶以后的晶粒就会越大

另外冷变形程度和退火保温时间

也会对再结晶晶粒大小有一定的影响

第三原始晶粒的大小

那么晶界附近区域的形变情况比较复杂

因而呢这些区域的局部储存能比较高

使得晶核易于形成

细晶粒金属的晶界面积大

所以储存能高的区域多

形成的再结晶核心也多

使得再结晶以后的晶粒尺寸会减小

杂质也会影响再结晶晶粒的大小

金属中的杂质存在可以提高强度

因此呢在同样的形变量下

杂质可以通过增大冷变形金属中的储存能

从而使得再结晶时的

形核率和长大速度的比值增大

那么另外一方面呢

杂质会降低界面的迁移能力

所以它会降低再结晶完成后晶粒的长大速度

所以金属中的杂质将会使

再结晶后的晶粒尺寸变小

那么大多数晶粒长大速率差不多

几乎是均匀长大

这样一种再结晶以后的晶粒长大呢

我们称为正常长大

那么也有少数晶粒突发性的不均匀长大

我们称为晶粒的异常长大

或者二次再结晶

那么晶粒的正常长大

它的长大方式主要是再结晶完成以后

新的等轴晶完全接触

形变储存能完全释放

但是在继续保温或者升高温度的情况下

要长大主要依靠大角度晶界的移动

并吞食其他的晶粒实现

那么晶粒长大的过程呢

实际上就是一个晶界迁移的过程

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

驱动力主要是由于晶界的界面曲率造成的

有时候我们也把晶粒长大称为粗化

那么影响晶粒正常长大的因素

主要也是有很多

那么比如说温度

那么退火温度是

影响晶粒长大的最主要的因素

因为晶界的迁移和原子扩散有关

温度越高

扩散系数越大

晶界越容易迁移

所以晶粒越容易粗化

那么分散相的颗粒也会影响晶粒的正常长大

当晶界迁移遇到分散相颗粒的时候往往受阻

从而呢降低了晶粒的长大速率

分散相微粒的数量越多越细小

对晶界的阻碍作用越大

那么晶粒越细小

那么金属中的

固溶的微量溶质或者杂质的存在

会阻碍晶界的移动

那么使得

整个再结晶后晶粒的长大速度会降低

那么晶界的能量很高

对于某一些溶质或者杂质原子有吸附作用

这样一些偏聚在晶界的溶质

或杂质原子会形成气团

能对于位错的运动起到钉扎的作用

那么我们可以看到微量的锡

对于纯铅

某些特殊位向差的晶界的移动速率的影响

远小于对一般位向差晶界的影响

或者说有当有微量锡存在的时候

某些特殊晶界的移动速率

要比一般的晶界快得多

那么晶粒间的位向差

也会影响再结晶晶粒的正常长大

一般的情况下晶界能越高

晶界越不稳定

那么它的迁移率也越大

一般小角度晶界

或者呢具有孪晶结构的晶界

由于其晶界能比普通大角度晶界低

从而表现出比较小的晶界迁移率

那么

表面热蚀沟

也会影响经再结晶晶粒的正常长大

金属材料在高温下长时间加热的时候

晶界与金属表面相交处

为了达到表面张力的平衡

那么会通过和表面扩散形成热蚀沟

那么如果晶界从这个热蚀沟移开

就会增加晶界面积

从而增加晶界能

因此热蚀沟的存在

对于晶界的移动会提供一个约束力

所以金属板越薄

其晶界和表面相交的区域

所占的晶界的总面积比例越大

热蚀沟对于晶界迁移的约束作用会越突出

好

以上就是我们这节课的全部内容

谢谢大家