材料科学课件：第八章 材料的变形与断裂（三）.ppt

1、 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-81第八章第八章 材料的变形与断裂（三）材料的变形与断裂（三） 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2冷变形金属的回复与再结晶概论冷变形金属的回复与再结晶概论冷变形金属冷变形金属, ,内能高内能高, ,亚稳状态亚稳状态室温下室温下: :原子难以扩散原子难以扩散, ,形变组织保持形变组织保持, ,保持加工硬化保持加工硬化、残余内应力等。、残余内应力等。加热加热: :原子扩散增强原子扩散增强, ,亚稳亚稳稳态稳态. .冷变形金属加热冷变形金属加热: :相继发生相继发生

2、回复回复, ,再结晶再结晶, ,晶粒长大晶粒长大. .加热后性能变化加热后性能变化：消除加工硬化，强度、硬度降低消除加工硬化，强度、硬度降低，塑性、韧性提高，塑性、韧性提高1.冷变形金属特点：冷变形金属特点： 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2.2.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冷变形金属冷变形金属: :随加热随加热T,T,或加热到或加热到T0.5TT0.5T熔熔后保温后保温, ,组织变化如图组织变化如图: : 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 * *形变金属及合金在退火过程

3、中的变化形变金属及合金在退火过程中的变化( (显微组织的变化显微组织的变化) )再结晶后组织恢复到变形前的程度，性能也恢复到变形前的程度再结晶后组织恢复到变形前的程度，性能也恢复到变形前的程度晶粒长大晶粒长大: :新晶粒逐渐相互合并长大新晶粒逐渐相互合并长大. . 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 ( (储存能与内应力变化储存能与内应力变化) )随随T,T,储存能逐渐释放储存能逐渐释放. .再结晶后再结晶后, ,形变储存能全部释放形变储存能全部释放. .再结晶再结晶: :内应力全部消除内应力全部消除. .* *形变金属及合金在退火过程中的变化形变金属及

4、合金在退火过程中的变化按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类：应力分为三类： 第第类内应力是存在于材料的较大区域类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的第持平衡的内应力。当一个物体的第类内应类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。宏观的尺寸变化。 第第类内应力是存在于较小范围（一个类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。 第第III类内应力是

5、存在于极小范围（几个类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。原子间距）的内应力。 在工程上通常所说的残余应力就是第在工程上通常所说的残余应力就是第类内应力类内应力。到目前为止，第。到目前为止，第类内应力的测类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。量的影响也研究得最为透彻。 除了这样的分类方法以外，工程界也习除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力

6、等等，而且一般指的都磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第是第类内应力。类内应力。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 ( (性能变化性能变化) )晶粒长大晶粒长大: :力学性能降低力学性能降低. .* *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 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 7冷变形金属在加热时先后经历了冷变形金属在加热时先后经历了回复回复、再结晶再结晶、晶粒长大晶粒长大三个阶段三个阶段在再结晶阶段在再结晶阶段从组织上看是以产生无畸变的新晶核，然后在变形金属基体内长大，形从组织上

7、看是以产生无畸变的新晶核，然后在变形金属基体内长大，形成大角度晶界的新晶粒为标志的；成大角度晶界的新晶粒为标志的；从性能上看是以力学性能（如强度、硬度）和物理性能（如电阻、储存从性能上看是以力学性能（如强度、硬度）和物理性能（如电阻、储存变形能的释放）产生急剧的变化为标志的变形能的释放）产生急剧的变化为标志的在再结晶过程在再结晶过程未进行之前未进行之前，一个相当宽的温度范围都属于回复阶段，一个相当宽的温度范围都属于回复阶段十、十、 冷变形金属的回复阶段冷变形金属的回复阶段冷变形金属在内部储存了较高的弹性畸变能，有高的位错密度（退火态金冷变形金属在内部储存了较高的弹性畸变能，有高的位错密度（退火

8、态金属的位错密度约为属的位错密度约为108/cm2，强烈冷变形后可达，强烈冷变形后可达1012/cm2），且位错缠结成），且位错缠结成胞不规则分布，也伴有大量的空位胞不规则分布，也伴有大量的空位弹性畸变能的减小弹性畸变能的减小是回复和再结晶的驱动力，而晶粒长大则是力图使界面是回复和再结晶的驱动力，而晶粒长大则是力图使界面能减小的结果。能减小的结果。概念概念:冷变形金属在加热温度不高时冷变形金属在加热温度不高时,仅因金属中的一些点缺陷和位错迁移而引仅因金属中的一些点缺陷和位错迁移而引起亚结构和某些性能变化起亚结构和某些性能变化.晶粒外形无明显变化晶粒外形无明显变化. 材料科学基础材料科学基础 第

9、第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 81 1、回复阶段性能与组织的变化、回复阶段性能与组织的变化在回复阶段，可观察到以下现象：在回复阶段，可观察到以下现象：（1 1）宏观内应力经过低温加热（一般在）宏观内应力经过低温加热（一般在200200250250）后，大部分去除，而）后，大部分去除，而微观应力仍然残存；微观应力仍然残存；（2 2）电阻率电阻率 / / 降低降低。CuCu、AgAg、AlAl线材预先在线材预先在90K90K下变形，在室温下变形，在室温（293K293K）下导电性能可逐渐恢复，相对原始变形态来说，电阻率下降）下导电性能可逐渐恢复，相对原始变形态来说，电阻率下降30

10、30，而与此同时硬度和流变应力却觉察不出有什么变化；而与此同时硬度和流变应力却觉察不出有什么变化；（3 3）硬度和流变应力的变化随金属不同而异）硬度和流变应力的变化随金属不同而异 密排六方金属密排六方金属ZnZn、CdCd在室温下就可绝大部分地去除冷变形产生的加工硬在室温下就可绝大部分地去除冷变形产生的加工硬化；化； CuCu、 黄铜直到加热至黄铜直到加热至350350，其硬度没有明显变化；，其硬度没有明显变化； FeFe在在350350以上就看到部分加工硬化的去除。以上就看到部分加工硬化的去除。（4）显微组织至少在光学显微镜下）显微组织至少在光学显微镜下看不出任何变化，看不出任何变化，在高温

11、回复时，在在高温回复时，在电镜下看到晶粒内的胞状位错结构转变为亚晶电镜下看到晶粒内的胞状位错结构转变为亚晶 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 9在回复阶段，对那些能察觉到有部分加工硬化去除的金属，可研究温度与时在回复阶段，对那些能察觉到有部分加工硬化去除的金属，可研究温度与时间对硬化去除的影响间对硬化去除的影响如如Fe在在0经过经过5预变形，然后在不同温度下每隔一定时间测量其残留应变预变形，然后在不同温度下每隔一定时间测量其残留应变硬化（见右图），其中硬化（见右图），其中1R为残留应变硬化分数，为残留应变硬化分数，R为回复部分为回复部分有：有：1R 0

12、 m 式中式中 为回复退火后的流变应力；为回复退火后的流变应力； 0为完全退火后加工硬化能全部消除的流变应力；为完全退火后加工硬化能全部消除的流变应力； m为退火前即冷变形态的流变应力为退火前即冷变形态的流变应力。2、回复动力学、回复动力学图中显示，回复起始阶段硬化去除程度较快，然后逐渐减图中显示，回复起始阶段硬化去除程度较快，然后逐渐减慢；慢；预形变量越大，起始的回复速率也越大预形变量越大，起始的回复速率也越大减小晶粒尺寸也会使回复加快减小晶粒尺寸也会使回复加快在每一恒定温度下，回复的时间关系为：在每一恒定温度下，回复的时间关系为：1Rbalnt材料在一定变材料在一定变形温度、应变和形温度、

13、应变和应变速率下的屈应变速率下的屈服极限称为其流服极限称为其流变应力。变应力。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 10但但1R 按照一般的反应速率公式，可写成：按照一般的反应速率公式，可写成： 1RAeQ/RT，式中的，式中的Q为激活为激活能，对不同的反应过程能，对不同的反应过程Q有其特定的涵义有其特定的涵义在不同温度下，如以回复到相同程度作比较，即在固定在不同温度下，如以回复到相同程度作比较，即在固定1R情况下，各回复时情况下，各回复时间自然不同，合并以上两式，可得：间自然不同，合并以上两式，可得：lnt常数常数+RQT1若以若以lnt 对对1/ T

14、 作图为一直线，则从其斜率可求出激活能作图为一直线，则从其斜率可求出激活能Q，回复程度不同，有不同的激活能回复程度不同，有不同的激活能例如例如: R0.1，Q100kJ/ mol； R0.6，Q200kJ/ mol实际上，冷变形程度、回复程度、回复温度、杂质原子及金属的种类等实际上，冷变形程度、回复程度、回复温度、杂质原子及金属的种类等许多因素都会影响回复的物理过程。许多因素都会影响回复的物理过程。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 113、 回复机制回复机制回复过程中金属内部发生的变化：回复过程中金属内部发生的变化：（2）温度较高时）温度较高时 会发

15、生位错运动和重新分布。滑移面上位错相遇时，异号位错会消失；会发生位错运动和重新分布。滑移面上位错相遇时，异号位错会消失；如两个刃型位错会形成空位或间隙原子，位错密度也略有降低。如两个刃型位错会形成空位或间隙原子，位错密度也略有降低。（1）低温时）低温时 回复主要与点缺陷的迁移有关。原因主要是：点缺陷运动所需要热激回复主要与点缺陷的迁移有关。原因主要是：点缺陷运动所需要热激活能较低，因而可以在室温或活能较低，因而可以在室温或0oC以下进行。此阶段，单个点缺陷运动到界以下进行。此阶段，单个点缺陷运动到界面面 处消失，单个空位可结合成空位对。处消失，单个空位可结合成空位对。机理机理位错多边化位错多边

16、化:冷变形金属冷变形金属在回复退火过程中在回复退火过程中,通过位错的通过位错的滑移和攀移滑移和攀移,使同号韧型位错垂使同号韧型位错垂直于滑移面方向直于滑移面方向,排列形成小角排列形成小角度晶界度晶界,这一过程称为多边化这一过程称为多边化. 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 12（3）在高温回复（）在高温回复（ 0.3Tm） 刃型位错可获得足够的能量产生攀移，其产生两个重要的后果：刃型位错可获得足够的能量产生攀移，其产生两个重要的后果：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，其可显著降低位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

17、，其可显著降低位错的弹性畸变能，对应于此温度范围内，有较大的应变能释放；错的弹性畸变能，对应于此温度范围内，有较大的应变能释放； 在晶粒内部被这种位错墙分割成许多小的完善的晶体，这些小晶体称为在晶粒内部被这种位错墙分割成许多小的完善的晶体，这些小晶体称为亚晶亚晶 亚晶之间为小角度界面，它并不是一个纯倾侧亚晶界亚晶之间为小角度界面，它并不是一个纯倾侧亚晶界位错的攀移总是与吸收或放出大量空位有关，而晶体内原子（置换式）的扩散位错的攀移总是与吸收或放出大量空位有关，而晶体内原子（置换式）的扩散是通过空位机制进行的。原子自扩散（对纯金属）的激活能空位形成能是通过空位机制进行的。原子自扩散（对纯金属）的

18、激活能空位形成能空位迁移能空位迁移能 即位错的攀移和扩散过程，在温度较高时，两者是不可分割的，且互为因果即位错的攀移和扩散过程，在温度较高时，两者是不可分割的，且互为因果（4）位错反应形成亚晶）位错反应形成亚晶 亚晶除了可通过位错攀移直接形成外，还可通过位错在重新分布后，相互作用发生位错反应而形成。例如冷变形铁在高温回复时，有两组11112位错位错反应生成反应生成 100位错，即位错，即10012- -11111112 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-813十一、冷变形金属的再结晶十一、冷变形金属的再结晶 在加热温度更高时发生再结晶，而

19、在此之前变形金属的力学性能和物在加热温度更高时发生再结晶，而在此之前变形金属的力学性能和物 理性能都是逐渐变化的，但只要加热到理性能都是逐渐变化的，但只要加热到某一确定值某一确定值（或者说是一个很窄（或者说是一个很窄 的温度范围），就可看到力学性能和物理性能急剧变化，加工硬化可以的温度范围），就可看到力学性能和物理性能急剧变化，加工硬化可以 完全消除，完全消除，性能可恢复到未变形前的退火状态性能可恢复到未变形前的退火状态。 显微组织也发生明显变化，由拉长的变形晶粒变为新的等轴晶粒显微组织也发生明显变化，由拉长的变形晶粒变为新的等轴晶粒再结晶现象再结晶现象 再结晶的实际意义再结晶的实际意义冷变形

20、而产生强烈的加工硬化，导致加工工艺（如拉拔线冷变形而产生强烈的加工硬化，导致加工工艺（如拉拔线材）不能继续进行时，中间必须进行再结晶退火材）不能继续进行时，中间必须进行再结晶退火 同时也是改变金属组织结构与性能的一种方法，特别是对同时也是改变金属组织结构与性能的一种方法，特别是对 那些在固态下没有相变的金属材料，在适当的场合下可以应用。那些在固态下没有相变的金属材料，在适当的场合下可以应用。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-814概念概念:冷变形金属加热到一定温度后冷变形金属加热到一定温度后(T0.4T熔熔),在原来变形组在原来变形组织

21、中重新产生了无畸变的新晶粒织中重新产生了无畸变的新晶粒,性能恢复到完全软化状态（冷性能恢复到完全软化状态（冷变形前的状态）变形前的状态）,这一过程称为这一过程称为再结晶再结晶.再结晶是一个先再结晶是一个先产生无畸变的晶核产生无畸变的晶核，然后再在变形的金属基体中长大的过，然后再在变形的金属基体中长大的过程，但是再结晶转变没有程，但是再结晶转变没有晶体结构和化学成分晶体结构和化学成分的改变。（的改变。（本质上再结晶不本质上再结晶不属于相变）属于相变）在畸变的晶体中形成无畸变的晶在畸变的晶体中形成无畸变的晶核，晶核不断的长大，再结晶完核，晶核不断的长大，再结晶完成后，获得等轴晶粒。成后，获得等轴晶

22、粒。再结晶是形核和晶核长大的过程再结晶是形核和晶核长大的过程 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-8151、 再结晶的形核再结晶的形核 再结晶的转变驱动力是晶体的再结晶的转变驱动力是晶体的弹性畸变能弹性畸变能，从而晶核必然，从而晶核必然是产生在是产生在高畸变区域高畸变区域, 若晶核本身无畸变，且畸变能的降低足若晶核本身无畸变，且畸变能的降低足以弥补新晶核形成时所增加的界面能，这使系统的能量降低，以弥补新晶核形成时所增加的界面能，这使系统的能量降低，晶核就会进一步增大。晶核就会进一步增大。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形

23、与断裂材料的变形与断裂 2022-2-816再结晶核心实际上是再结晶核心实际上是“现成的现成的”，它已存在，它已存在畸变能较大的区域，不需要原子逐个积累到超畸变能较大的区域，不需要原子逐个积累到超过某一临界尺寸。过某一临界尺寸。实际观察到的再结晶核心首先产生在实际观察到的再结晶核心首先产生在大角度大角度界面界面上，如晶界、相界面、孪晶或滑移带界面上，如晶界、相界面、孪晶或滑移带界面上，也可能产生在晶粒内某些特定的位向差上，也可能产生在晶粒内某些特定的位向差较较大的亚晶大的亚晶上（右图）上（右图）对于再结晶核心产生在大角度的晶界上，照对于再结晶核心产生在大角度的晶界上，照Beck所提出的模型，也

24、是变形的两个相邻晶粒所提出的模型，也是变形的两个相邻晶粒内，其位错胞的尺寸相差悬殊（内，其位错胞的尺寸相差悬殊（图图838），），晶核产生于晶核产生于位错胞尺寸大位错胞尺寸大的晶粒一侧，长入到的晶粒一侧，长入到有有小位错胞小位错胞晶粒内，即伸向晶粒内，即伸向畸变能较高畸变能较高的区域的区域以减小畸变能以减小畸变能. 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大1.形核机制形核机制(1)晶界弓出晶界弓出小变形量小变形量时时,各晶粒各晶粒形变形核形变形核不均匀不均匀,变形小的晶粒向变形度大的亚晶粒一侧弓出变形小的晶粒向变形度大的亚

25、晶粒一侧弓出形成无形成无畸变晶核畸变晶核(2)亚晶合并亚晶合并变形大时变形大时:多边形化的亚晶合并为再结晶晶核多边形化的亚晶合并为再结晶晶核.(3)亚晶蚕食亚晶蚕食变形大时，低密度位错的亚晶蚕食途变形大时，低密度位错的亚晶蚕食途中遇到的位错。中遇到的位错。2.长大长大再结晶晶核形成后再结晶晶核形成后,自发长大自发长大,形成无畸变的新等轴形成无畸变的新等轴晶粒晶粒. 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-8182、 再结晶动力学再结晶动力学 在一定变形量下，将变形金属在不同温度下退火，测定发生再结晶在一定变形量下，将变形金属在不同温度下退火，测

26、定发生再结晶的体积分数随时间的变化；的体积分数随时间的变化； 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-819下图表明再结晶的动力学与回复不同下图表明再结晶的动力学与回复不同: :(1)(1)在每一固定温度下，转变曲线形成如在每一固定温度下，转变曲线形成如S S，发生再结晶需要一孕育期，退火温度越高，发生再结晶需要一孕育期，退火温度越高，孕育期越短孕育期越短(2) (2) 开始再结晶时，转变速率很低，随着开始再结晶时，转变速率很低，随着转变量增加，转变速率逐渐增大，到转变转变量增加，转变速率逐渐增大，到转变量为量为5050时，速率最快（中间范围是

27、一直时，速率最快（中间范围是一直线）转变量再增加，速率又减慢。线）转变量再增加，速率又减慢。(3) 退火温度越高，转变曲线渐向左退火温度越高，转变曲线渐向左移移, 即转变加速即转变加速;(4) 如在恒定温度下，变形量不同，如在恒定温度下，变形量不同，也会有不同的再结晶速率（也会有不同的再结晶速率（图图840）变形量越大，再结晶速率越大变形量越大，再结晶速率越大返回返回 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-820当再结晶是三维的，当再结晶是三维的，K在在34之间；再结晶是二维的（如薄板），之间；再结晶是二维的（如薄板），K在在23之间；再结晶

28、是一维的（如线材），之间；再结晶是一维的（如线材），K在在12之间之间如对前式取对数，则有：如对前式取对数，则有：lgln 1x1=Klgt lgBlgln 1x1作作lgt图图，得直线的斜率得直线的斜率 K，在一定温度范围，在一定温度范围内内 K 值几乎不随温度而变值几乎不随温度而变阿弗拉米提出的再结晶动力学方程阿弗拉米提出的再结晶动力学方程 1exp(Bt K) 式中，式中， 在在t时间已经再结晶的时间已经再结晶的体积分数体积分数, B和和K为常数为常数 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-821 再结晶速率再结晶速率V再温度再温度T的

29、关系符合阿罗尼乌斯的关系符合阿罗尼乌斯(Arrhenius）公式:V再 = Aexp(-Q/RT). 式中 Q 再结晶激活能；R 气体常数 再结晶速率与产生某一体积分数的再结晶所需要的时间成反比，即再结晶速率与产生某一体积分数的再结晶所需要的时间成反比，即故故在两个不同温度在两个不同温度T1、T2进行等温退火，若要产生同样程度的再结进行等温退火，若要产生同样程度的再结晶所需的时间分别为晶所需的时间分别为t1、t2，则，则 此式在生产上此式在生产上极为有用。极为有用。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-8223 、影响再结晶的因素、影响再结

30、晶的因素临界变形度：临界变形度：在在给定温度给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量，下发生再结晶需要一个最小变形量，即通常为即通常为临界变形度临界变形度，低于此变形度，不能再结晶；，低于此变形度，不能再结晶；退火温度：退火温度：变形度越小，开始再结晶的温度越高，这也意变形度越小，开始再结晶的温度越高，这也意味着临界变形度随退火温度的升高而减小；味着临界变形度随退火温度的升高而减小； 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-823再结晶后晶粒大小主要决定于再结晶后晶粒大小主要决定于变形程度变形程度，变形量越大变形量越大，再结晶后，再结晶后的晶粒越

31、小的晶粒越小 而温度的影响，对刚完成再结晶来说，其影响很弱，随温度升高，而温度的影响，对刚完成再结晶来说，其影响很弱，随温度升高，同时增加同时增加 了形核率和生长速率，其比值没有变化，因而晶粒大小的了形核率和生长速率，其比值没有变化，因而晶粒大小的变化也很小变化也很小温度只是加速了再结晶过程，温度只是加速了再结晶过程，若若再结晶过程已完成再结晶过程已完成，随后还有一，随后还有一个晶粒长大阶段，很明显温度越个晶粒长大阶段，很明显温度越高晶粒越粗大高晶粒越粗大(见右图见右图) 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-824微量杂质元素就可明显的微量

32、杂质元素就可明显的升高升高再结晶温度再结晶温度或或推迟再结晶过程推迟再结晶过程的的进行进行微量元素是如何影响再结晶的，微量元素是如何影响再结晶的，是影响再结晶的形核，还是阻止是影响再结晶的形核，还是阻止其长大，或者是两者兼而有之？其长大，或者是两者兼而有之？在区域精炼的铅中加入极微量的在区域精炼的铅中加入极微量的Sn、Ag、和、和Au，发现在，发现在106个原个原子中只要有子中只要有1个个Au或或Ag原子界面原子界面迁移的速度就可降低两个数量级迁移的速度就可降低两个数量级（图图842），而生长的激活能），而生长的激活能从纯铅时的从纯铅时的20.9kJ/ mol增大到增大到126kJ/ mol。

33、 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-825第二相的影响：定性地说，第二相的影响：定性地说， 第二相尺寸较大第二相尺寸较大（1 m），间距较宽时，再结晶核心能在其），间距较宽时，再结晶核心能在其表面产生表面产生 在钢中常可看到再结晶核心在夹杂物在钢中常可看到再结晶核心在夹杂物MnO或第二相粒状或第二相粒状Fe3C表面上产生表面上产生 当第二相尺寸很小且较密集时当第二相尺寸很小且较密集时 ，则会阻碍再结晶的进行，则会阻碍再结晶的进行 在钢中常加入在钢中常加入Nb、V或或Al，形成，形成NbC、V4C3、AlN，这些化，这些化合物的尺寸很小，一

34、般都在合物的尺寸很小，一般都在100nm以下，可以抑制形核。以下，可以抑制形核。原始晶粒越细，或者退火时间增长，都会降低再结晶温度。原始晶粒越细，或者退火时间增长，都会降低再结晶温度。总的来说，变形金属再结晶温度不是恒定的，而受许多因素的影响，总的来说，变形金属再结晶温度不是恒定的，而受许多因素的影响，粗略估计，金属再结晶温度与其熔点有以下关系：粗略估计，金属再结晶温度与其熔点有以下关系：T再再0.4T熔熔（热（热力学温度）力学温度）表表84列出了各种金属的再结晶温度列出了各种金属的再结晶温度 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-826例如

35、：例如：Al 的估算再结晶温度为的估算再结晶温度为 （660273）0.4273100（） Ag的估算再结晶温度为的估算再结晶温度为 （962273） 0.4273221 （） Fe的估算再结晶温度为的估算再结晶温度为 （1538273） 0.4273451 （） 可见估算温度是比较接近实际再结晶温度的可见估算温度是比较接近实际再结晶温度的 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-8274、 再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大再结晶完成后晶粒长大有两种类型：再结晶完成后晶粒长大有两种类型：是随温度升高或时间的增长而均匀地连续长大是随温度升高或

36、时间的增长而均匀地连续长大正常长大正常长大是不连续不均匀地长大是不连续不均匀地长大反常长大反常长大二次再结晶二次再结晶（1）晶粒的正常长大）晶粒的正常长大再结晶完成后，晶粒长大是一自发的过程，再结晶完成后，晶粒长大是一自发的过程，这是因为金属总是力求使其界面自由能最小这是因为金属总是力求使其界面自由能最小这是就整个系统来说的，晶粒长大的驱动这是就整个系统来说的，晶粒长大的驱动力是力是降低其总界面能降低其总界面能就个别晶粒长大的微观过程来说，就个别晶粒长大的微观过程来说，晶粒界晶粒界面的不同曲率面的不同曲率是造成晶界迁移的直接原因是造成晶界迁移的直接原因晶粒长大时，晶界总是向着曲率中心的方晶粒长

37、大时，晶界总是向着曲率中心的方向移动（右图），因为界面弯曲后，必然有向移动（右图），因为界面弯曲后，必然有一表面张力一表面张力2 /指向曲率中心，而力求使指向曲率中心，而力求使界面向曲率中心移动界面向曲率中心移动 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-828再结晶后晶粒长大是界面向曲率中心移动，而再结晶后晶粒长大是界面向曲率中心移动，而再结晶核心再结晶核心的的长大界面是背向曲率中心移动（见长大界面是背向曲率中心移动（见图图838），因为后者长大），因为后者长大的驱动力是减小畸变能的驱动力是减小畸变能减小表面能是晶粒长大的热力学条件，满足这个条

38、件只说明减小表面能是晶粒长大的热力学条件，满足这个条件只说明晶粒有长大的可能，但长大与否还需满足动力学体件晶粒有长大的可能，但长大与否还需满足动力学体件晶晶界的活动性界的活动性 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-829 温度是影响晶界活动性的最主要因素，晶界的活动性温度是影响晶界活动性的最主要因素，晶界的活动性B与晶界的扩散系数与晶界的扩散系数Db有以下关系：有以下关系：BDb/ RT， 而而 DbD0eQb/ RT 生产上为了阻止金属在高温下晶粒的长大，生产上为了阻止金属在高温下晶粒的长大，常加入一些合金元素，形成颗粒很小的第二相常加入

39、一些合金元素，形成颗粒很小的第二相钉扎住晶界，阻碍晶界的移动。（见右图）钉扎住晶界，阻碍晶界的移动。（见右图）其中，晶粒的最大尺寸其中，晶粒的最大尺寸D与第二相颗粒半径与第二相颗粒半径，第二相体积分数第二相体积分数 有以下关系：有以下关系：D43 此式说明，第二相颗粒半径越大，或第二相体积分数越大，晶粒的最大此式说明，第二相颗粒半径越大，或第二相体积分数越大，晶粒的最大尺寸就会越小。尺寸就会越小。 温度：越高，速度越快温度：越高，速度越快由此关系可以看出晶界移动速度因温度升高而急由此关系可以看出晶界移动速度因温度升高而急剧增大剧增大 第二相：尺寸越大或体积分数越第二相：尺寸越大或体积分数越大，

40、晶粒尺寸越小大，晶粒尺寸越小 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-830（2）二次再结晶二次再结晶一般情况下，再结晶完成后，晶粒长大随温度的增加是连一般情况下，再结晶完成后，晶粒长大随温度的增加是连续变化的续变化的但在一定条件下，对某些金属会出现当温度升高到某一数但在一定条件下，对某些金属会出现当温度升高到某一数值时，晶粒会突然值时，晶粒会突然反常地长大反常地长大，温度再升高，温度再升高，晶粒又趋于晶粒又趋于减小减小二次再结晶现象二次再结晶现象二次再结晶不是靠重新产生的晶核，而是在一次再结晶晶二次再结晶不是靠重新产生的晶核，而是在一次再结晶

41、晶粒长大的过程中，某些局部区域的晶粒产生了粒长大的过程中，某些局部区域的晶粒产生了优先长大优先长大。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-831 图图 8-46 硅钢片退火硅钢片退火1h 后后晶粒尺寸的变化晶粒尺寸的变化例如硅钢（例如硅钢（WS3）冷轧变形程度为）冷轧变形程度为50，轧，轧制成制成0.35mm 厚的薄板，当在不同温度退火一小厚的薄板，当在不同温度退火一小时，其二次再结晶晶粒的长大情况（右图）时，其二次再结晶晶粒的长大情况（右图） 图中实线表示原硅钢片中含有少量图中实线表示原硅钢片中含有少量MnS, 再结晶完成后晶粒先是均匀长

42、大，而在再结晶完成后晶粒先是均匀长大，而在920左左右发生晶粒突然长大，个别晶粒可达平均晶粒径右发生晶粒突然长大，个别晶粒可达平均晶粒径的的50倍（倍（图图847） 温度再升高时晶粒又变细温度再升高时晶粒又变细 8-46曲线曲线1表示在发生二次再结晶周围，只表示在发生二次再结晶周围，只有一次再结晶的晶粒随温度升高均匀增大的情形，有一次再结晶的晶粒随温度升高均匀增大的情形，曲线曲线2表示不含表示不含MnS夹杂的高纯度的硅钢片的晶夹杂的高纯度的硅钢片的晶粒长大与温度的关系粒长大与温度的关系 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-832二次再结晶的

43、产生：主要是再结晶后晶粒长大过程中，只有少数晶粒二次再结晶的产生：主要是再结晶后晶粒长大过程中，只有少数晶粒能优先长大，而大多数晶粒不易长大能优先长大，而大多数晶粒不易长大，这是因为：，这是因为：冷变形造成了变形织构，再结晶退火至一定温度时（如对硅钢片至冷变形造成了变形织构，再结晶退火至一定温度时（如对硅钢片至少在少在900以上）又形成了再结晶织构，当织构形成后，各个晶粒的以上）又形成了再结晶织构，当织构形成后，各个晶粒的取向趋于一致，晶粒间的位向差很小时，晶界是不易移动的，因为界取向趋于一致，晶粒间的位向差很小时，晶界是不易移动的，因为界面能是随位向差的增大而增大，直至形成大角度晶界，界面能

44、才趋于面能是随位向差的增大而增大，直至形成大角度晶界，界面能才趋于一恒定值。一恒定值。因此形成强烈织构后晶粒是不易长大的；因此形成强烈织构后晶粒是不易长大的；当加入少量杂质形成第二相（如硅铁中的当加入少量杂质形成第二相（如硅铁中的MnS）能强烈钉扎住晶）能强烈钉扎住晶界，阻碍晶界的移动，晶粒也就不会长大。界，阻碍晶界的移动，晶粒也就不会长大。 而当加热到高温，某些局部区域的而当加热到高温，某些局部区域的MnS夹杂夹杂熔解熔解，该处的晶粒便优先长，该处的晶粒便优先长大，吞并了周围的晶粒，这就形成了晶粒的反常长大。大，吞并了周围的晶粒，这就形成了晶粒的反常长大。 二次再结晶对材料的力学性能肯定有不良影响二次再结晶对材料的力学性能肯定有不良影响但对硅钢片退火是有意要形成二次再结晶的，产生强的再结晶织构（但对硅钢片退火是有意要形成二次再结晶的，产生强的再结晶织构（110）001（即高斯织构）和大晶粒，很适合制作变压器铁心等软磁材料。（即高斯织构）和大晶粒，很适合制作变压器铁心等软磁材料。