3.3冷變形加工金屬在加熱時組織和性能變化

1、3.3 冷變形加工的金屬在加熱時組織與性能的變化The Microstructure and Property Changes of Cold Deformed Metals during Heating,塑性變形時,有一小部分能量儲存在金屬內(nèi)部，成為儲存能。儲存能使塑性變形的金屬的自由能升高，熱力學上處于亞穩(wěn)狀態(tài)，有自發(fā)恢復到變形前低自由能的穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢。常溫下，原子活動能力很小，擴散速度不足，亞穩(wěn)狀態(tài)無明顯變化。若

2、溫度升高，原子活動能力增強，擴散速度增加，冷變形金屬就會由亞穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，引起組織和性能變化。 儲存能就是這一系列變化過程的驅(qū)動力。,3.3 冷變形加工的金屬在加熱時組織與性能的變化,變化過程隨著溫度的升高可分為回復、再結(jié)晶和晶粒長大三個階段。,3.3.1 回復（Recovery）,回復：冷變形金屬在低溫加熱時，在光學顯微組織發(fā)生改變前，產(chǎn)生的某些結(jié)構(gòu)和性能變化的過程。,Smith W F. Foundation

3、s of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,加熱溫度（<0.2～0.35Tm） 顯微組織仍為纖維狀， 無可見變化；力學性能基本保持加工硬化， 僅強度和硬度稍有下降， 塑性略有提高。內(nèi)應(yīng)力↓↓ 耐蝕性↑↑ 電阻↓↓,Strength：強度Ductility：延展性Hardness：硬度Internal residual str

4、esses,回復,3.3.1 回復（Recovery）,產(chǎn)生回復的機理：點缺陷特別是空位的運動和位錯短距離遷移 使晶格畸變減小，內(nèi)應(yīng)力明顯下降?？瘴坏囊莩?——空位比較容易移動，如可以移至晶界或位錯處而消失，也可聚合起來形成空位對、空位群，還可與間隙原子相互作用而消失，結(jié)果使點缺陷密度明顯下降。多邊形化 ——由于位錯運動使其由冷塑性變形時的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植迹?/p>

5、成亞晶界，稱為多邊形化過程。,多邊形化過程是位錯從高能態(tài)的混亂排列向低能態(tài)的規(guī)則排列移動的過程。,3.3.1 回復（Recovery）,生產(chǎn)中的應(yīng)用：去應(yīng)力退火—是利用回復階段的低溫加熱處理，既可保留加工硬化的效果又可降低內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織，以減輕變形和翹曲，并改善工件耐蝕性，降低電阻率。冷拉鋼絲卷制彈簧。對鑄件和焊接件及時進行去應(yīng)力退火以防止變形和開裂，也是通過回復過程來實現(xiàn)的。,退火是一種金屬熱處理工藝，指的是將金屬緩慢加熱

6、到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻（通常是緩慢冷卻，有時是控制冷卻）。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向；細化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷；均勻材料組織和成分，改善材料性能或為以后熱處理做組織準備。,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,1.再結(jié)晶：冷變形加工的金屬被加熱至較高溫度（高于回復溫度）時，在變形組織（拉長、壓扁及破碎晶粒）的基體上產(chǎn)生新的無畸變的晶核

7、，并迅速長大形成等軸晶粒，逐漸取代全部變形組織，也是形核長大過程。,冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,冷變形(變形量為38%)黃銅580ºC保溫15分后的的再結(jié)晶組織,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,2.特點性能上，強度、硬度↓↓ 塑性、韌性↑↑ 內(nèi)應(yīng)力完全消除再結(jié)晶與結(jié)晶、重

8、結(jié)晶 的根本區(qū)別： 無相變，無恒定轉(zhuǎn)變溫度， 無晶格類型的變化,工程上為了消除加工硬化現(xiàn)象，降低硬度，提高塑形，使壓力加工能繼續(xù)進行，廣泛采用再結(jié)晶退火（中間退火）。,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,機理簡介 冷變形金屬的再結(jié)晶是通過形核-長大方式完成的。形核是在變形后由破碎晶粒中無畸變的小晶塊（即低能晶塊） 作為核心長大為晶核的。晶核的長大則是通過晶界的遷移成長為新的等軸晶

9、粒的。,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,經(jīng)70%塑變的純鐵加熱時的組織變化,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,黃銅再結(jié)晶和晶粒長大各個階段的金相照片,3.3.2 再結(jié)晶（Recrystallization）,4. 再結(jié)晶溫度,再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)進行的過程，而且沒有經(jīng)過冷變形加工的金屬是不會發(fā)生再結(jié)晶。在規(guī)定時間內(nèi)，能夠完成再結(jié)晶或

10、者再結(jié)晶達到規(guī)定程度的最低溫度稱再結(jié)晶溫度（TR）。工業(yè)生產(chǎn)中，通常以經(jīng)過70%以上的大變形量的冷變形加工金屬，經(jīng)一小時退火能完全再結(jié)晶的最低溫度規(guī)定為再結(jié)晶溫度（TR） 。,4. 再結(jié)晶溫度,主要取決于變形度。金屬預(yù)變形程度ε越大，再結(jié)晶溫度越低。ε ：70%~80%,TR趨于穩(wěn)定,TR與ε的關(guān)系,金屬的純度 金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點元素起阻礙擴散和晶界遷移作用，使TR顯著提高。,影響再結(jié)晶溫度的因素：,加

11、熱時間和加熱速度 再結(jié)晶過程需要一定時間才能完成，延長加熱時間或降低加熱速度，原子擴散移動能充分進行，有利于新的再結(jié)晶晶粒充分形核和成長，可降低再結(jié)晶溫度。,原始晶粒尺寸原始晶粒越細， TR降低。,5. 再結(jié)晶溫度（TR）與再結(jié)晶退火溫度（TZ）,TR經(jīng)驗公式工業(yè)純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間的近似關(guān)系: TR≈0.4Tm（K） 其中TR、Tm為絕對溫度。金屬熔點越高, TR也越高.,生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱

12、處理稱為再結(jié)晶退火.再結(jié)晶退火溫度（TZ）比再結(jié)晶溫度高100~200℃，即 TZ=TR+(100~200)℃,例題3.2,TR℃ = (Tm℃+273)×0.4–273，如Fe的TR=(1538+273)×0.4–273=451℃,【例題3-2】 已知鐵的熔點1538℃ ，銅的熔點為1083℃ ，試估算鐵和銅的最低再結(jié)晶溫度，并確定其再結(jié)晶退火溫度。,（1）分析 TR =0.4Tm 。生產(chǎn)中再結(jié)晶退火溫

13、度的選定原則是：TZ +（100℃～200℃）。（2）解答鐵的最低再結(jié)晶溫度為TZ =0.4×(1538+273) –273=450℃ ，銅的最低再結(jié)晶溫度為TZ =0.4×(1083+273) –273=269.4℃ ；鐵的再結(jié)晶退火溫度為450+（100～200）=550℃～650℃ ，銅的再結(jié)晶退火溫度為269.4+（100～200）=369.4℃～469.4℃ 。（3）歸納 再結(jié)晶溫度經(jīng)驗公式

14、適用條件有兩個：例如在計算低碳鋼的僅適用純金屬及溫度為絕對溫度。最低再結(jié)晶溫度時，就不能直接應(yīng)用該經(jīng)驗公式，必須考慮碳元素的影響，通常在純鐵的再結(jié)晶溫度基礎(chǔ)上+（50~100）℃。,6. 再結(jié)晶退火后的晶粒度 （1）加熱溫度與保溫時間 （2）預(yù)變形度,再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響,(1)加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大,加熱溫度的影響尤為顯著，在高溫下原子活動能力更強，有利于晶界遷移，促使晶粒

15、長大。,預(yù)先變形度的影響，實質(zhì)上是變形均勻程度的影響.,圖3.18 預(yù)先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響,(2)預(yù)先變形度,6. 再結(jié)晶退火后的晶粒度 （1）加熱溫度與保溫時間 （2）預(yù)變形度,2-10%,冷變形金屬在再結(jié)晶剛完成時，一般會得到細小的等軸晶粒組織。如果繼續(xù)提高加熱溫度或者延長保溫時間，晶粒之間就會互相吞并而長大，稱為晶粒長大現(xiàn)象。1. 自發(fā)過程 減少晶界總面積，降低總界面能 驅(qū)動力——界面