凝固、結晶和回復、再結晶

1、凝固、結晶和回復、再結晶,材料人考研清華輔導,崔彥發(fā)、張曉陽,凝固與結晶,崔彥發(fā) 2016-6-18,1,1.1 復習提要,一些基本的概念容易混淆——多理解，找到其中的共同點和不同點比如微觀長大方式，微觀結構，宏觀長大方式等等可以出的題型比較多——多理解，要會推算公式計算可以有均勻形核與非均勻形核、平衡凝固、成分過冷等簡答可以有偏析、鑄錠組織和凝固方法觀察和總結，多前后聯(lián)系比如涉及形核長大的可以就會有結晶、再結晶、固態(tài)相

2、變等，形核功、長大速率、臨界形核半徑；比如涉及到溫度與數(shù)目/速率關系的考慮到阿倫尼烏斯公式比如固溶體長大和擴散,1.2金屬結晶,定義凝固：物質由液態(tài)轉變成固態(tài)的過程結晶：物質從液態(tài)（溶液或熔融狀態(tài)）或氣態(tài)形成晶體。本質物質中的原子由近程有序排列向遠程有序排列的過程。結晶過程晶體形核 → 晶體長大,1.2.1金屬結晶-形核,形核的條件必要條件：過冷度大于零（ ΔT = Tm – Tn > 0 ），即實際

3、結晶熱力學溫度<理論結晶熱力學溫度充要條件：過冷；結構起伏，能量起伏形核的驅動力和阻礙力驅動：單位體積液、固兩相的吉布斯自由能差：△Gv·V 阻礙：形成固態(tài)產(chǎn)生新相的界面能：△A·γ,ps 聯(lián)想：固態(tài)燒結的驅動力？回復再結晶的驅動力？,均勻形核+球核,物質狀態(tài)總是趨于局部能量最低的形式，在臨界半徑＜r*，將自發(fā)溶解；只有＞r*才能穩(wěn)定長大,1.2.1金屬結晶-形核,非均勻形核+球缺,觀察可得，增加了

4、SL界面、SM界面，但減少了LM界面。,1.2.1金屬結晶-形核,1.2.1金屬結晶-長大,宏觀長大方式液固界面所具有的形態(tài),決定因素：溫度梯度正溫度梯度，過冷越來越小生長越來越慢，快的收到抑制，最終成為平面負溫度梯度，過冷越來越大，生成越來越開，形成樹枝狀,微觀長大方式原子進入晶核表面的方式,決定因素：界面結構1、粗糙界面——界面微觀上有一半位置空位，因此可以接受原子生長，這種方式叫連續(xù)長大3、光滑界面——空位極少，無

5、法連續(xù)長大，只能以均勻形核的方式在界面上形成一個原子層厚度的二維晶核2、光滑界面——空位極少但若存在螺型位錯露頭，則沿著此位錯頭生長,1.2.1金屬結晶-長大,微觀界面結構-粗糙：金屬型,,微觀界面結構-光滑：有機型,,1.3單相固溶體,1.3.1單相固溶體平衡凝固,條件假定：無限、慢冷、固相充分擴散、液相充分混合；相圖中液相線/固相線簡化為直線。平衡分配系數(shù)：凝固時，合金重新分配的程度。,1.3.2單相固溶體非平衡凝固,,Sch

6、eil,1.3.2單相固溶體非平衡凝固,當界面處的固相增加dfs時，其排出溶質量為△C，相應地使剩余液相的濃度升高dcl,概念：固溶體不平衡凝固時，由于液-固界面前沿液相中溶質原子的富集，即使在正的實際溫度梯度下，這部分液體中實際溫度低于理論凝固溫度，從而處于過冷狀態(tài)的現(xiàn)象本質：濃度的不同 → 凝固點溫度不同 → 過冷條件：第一是固~液界面前沿溶質的富集而引起成分再分配第二是固~液界面前方液相的實際溫度分布，或溫度分布梯度

7、必須達到一定的值。,1.3.3單相固溶體成分過冷,1.3.3單相固溶體成分過冷,計算固溶體熔點/凝固點是成分的函數(shù)界面實際溫度是溫度梯度的函數(shù)Tx＜TL即出現(xiàn)成分過冷，近似計算，成分過冷對形貌的影響無成分過冷時，界面呈平直狀；較小成分過冷時，界面呈胞狀；較大成分過冷時，界面呈樹枝狀,1：表面細晶區(qū)2：柱狀晶區(qū)3：中心等軸晶區(qū),1.4鑄錠組織,這是由于溫度較低的模壁有強烈地吸熱和散熱作用，使靠近型壁的一薄層液體產(chǎn)生

8、極大地過冷，加上模壁可以作為非均勻形核的基底，因此在此一薄層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時向各個方向生長。由于晶核數(shù)目很多，在靠近模壁處形成一很細的薄層等軸晶粒區(qū),,,柱晶區(qū),表面細晶區(qū),中心等軸晶區(qū),強烈過冷,過冷減小，不再形核,中心液體溫度降低，過冷,在表層細晶區(qū)形成的同時，一方面模壁的溫度由于被液態(tài)金屬加熱而迅速升高，另一方面由于金屬凝固后的收縮，使細晶區(qū)和型壁脫離，形成一空氣層，給液態(tài)金屬的繼續(xù)散熱造成困難。此外，細品區(qū)的形成

9、還釋放出了大量的結晶潛熱，也使型壁的溫度升離，上述種種原因均使液態(tài)金屬冷卻減慢，溫度梯度變得平緩，這時開始形成柱狀晶區(qū)。,隨存柱狀晶的發(fā)展，經(jīng)過散熱，鑄錠中心部分的液態(tài)金厲全部降至熔點以下，再加上液態(tài)金屬中雜質等因素的作用，滿足了形核對過冷度的要求，于是在整個剩余液體中同時形核。,1.4鑄錠組織,回復與再結晶,張曉陽 2016-6-18,2,第十章 回復與再結晶,,本章重點：1 回復再結晶驅動力1.概述：冷變形金屬加熱時的變化過

10、程；2.回復：回復的特征、機制；3.再結晶：再結晶的特征、機制；再結晶溫度；再結晶動力學（記住公式）；4.晶粒長大過程特征；5.金屬的熱變形：動態(tài)回復、動態(tài)再結晶的機制；熱變形引起的組織與性能的變化；,第一節(jié) 概述,,塑性形變后，材料如何變化… …,1 變化的熱力學條件（驅動力）變化趨勢經(jīng)冷塑性變形的材料，由于空位、位錯等結構缺陷密度的增加，以及畸變能的升高，將處于熱力學不穩(wěn)定的高自由能狀態(tài)，具有自發(fā)恢復到變形前低自由能狀態(tài)的

11、趨勢，形變儲能即成為發(fā)生回復再結晶的驅動力。2 變化的動力學條件（擴散）是否變化常溫下，原子擴散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長時間維持。加熱可使原子擴散能力增加，冷變形金屬將依次發(fā)生回復、再結晶和晶粒長大，D=D0e-Q/RT (D0 擴散常數(shù)Q擴散激活能）,,變化過程,重中之重爛熟于心,,冷變形金屬加熱時的組織變化,回復：晶粒的形態(tài)、大小與變形態(tài)相同，但亞結構、性能已有變化再結晶：出現(xiàn)無畸變的等軸晶粒，逐步取代變形晶粒晶粒長大：再

12、結晶結束后的晶粒繼續(xù)長大,,冷變形金屬加熱時的性能變化,— 強度和硬度： 回復階段變化?。?再結晶階段變化大(與位錯密度有關)— 電阻： 回復階段已有大的變化(與點缺陷有關) — 內應力： 回復階段消除大部或全部內應力； 再結晶階段全部消除微觀內應力 — 亞晶粒尺寸： 回復階段變化??； 接近再結晶時，顯著增大— 密度： 再結晶階段急劇增高(缺陷減少) — 儲存能的

13、變化： 再結晶階段釋放多,,第二節(jié)：回復,現(xiàn)象：除內應力大大減少外，在光學顯微鏡下看不到金相組織的變化。在電子顯微鏡下觀察，點缺陷有所減少，位錯在形態(tài)上也有變化，但數(shù)量沒有明顯減少。特征：1.組織不發(fā)生變化，保持變形狀態(tài)伸長的晶粒2.宏觀一類應力全部消除，微觀二類應力大部分消除；3.一般力學性能變化不大，某些物理性能有較大變化；4.變形儲能（回復再結晶驅動力）在回復階段部分釋放。,,,回復過程機制,1.低溫回復(0.1

14、-0.3)Tm/K),主要與空位變化相關原因：金屬中的空位具有平衡濃度，冷變形形成過飽和空位在低溫回復中消失以保持平衡濃度，使能量降低。過程：空位 ~ 晶界（表面）、空位~ 位錯、空位 ~ 間隙原子（復合）、空位 ~ 空位（空位對、空位群、空位片）等發(fā)生作用。結果：空位濃度明顯降低（電阻率下降）。,,,2.中溫回復(0.3-0.5)Tm/K),主要與位錯的滑移有關，發(fā)生位錯運動和重新分布,過程：在同一滑移面上的位錯，異性相吸而消

15、失；在不同滑移面上的位錯，通過空位凝聚消除半原子面或空位逃逸制造半原子面而消失。,,,3.高溫回復(>0.5Tm/K),多邊形化：1.穩(wěn)定多邊形化：同號刃型位錯沿滑移面上塞積而導致點陣彎曲的晶體中發(fā)生，位錯發(fā)生運動和重排，形成位錯壁，組成亞晶界。驅動力：應變能的下降。,,,2.再結晶前多邊形化：在變形后具有位錯胞結構的晶體中發(fā)生，變形后位錯塞積在位錯胞壁，加熱發(fā)生多邊形化的過程時引起位錯的重新分布和部分消失，形成亞晶界。比較

16、：兩類多邊形化的形成取決于變形程度，小變形發(fā)生穩(wěn)定多邊形化，大變形發(fā)生再結晶前多邊形化。穩(wěn)定多邊形化會阻礙以后的再結晶過程，再結晶前多邊形化會促進再結晶過程。多邊形化溫度受金屬純度、層錯能的影響。,,,：,,3.回復動力學,,第三節(jié)：再結晶,定義：冷變形金屬加熱到一定溫度后，在原變形組織中重新產(chǎn)生了無畸變的等軸新晶粒，性能發(fā)生明顯的變化、并恢復到變形前狀況的過程（脫胎換骨?。?1.再結晶過程的特征：（1）組織發(fā)生變化，由冷變形的

17、伸長晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒。（2）力學性能發(fā)生急劇變化，強度、硬度急劇降低，塑性提高，恢復至變形前狀態(tài)。（3）變形儲能在再結晶過程中全部釋放。三類應力消除，位錯密度降低。,注意：無晶體結構、化學成分的變化，不是相變；新晶粒長大通過短程擴散；再結晶程度依賴于溫度和時間,,再結晶性能變化,,— 硬度明顯下降：正在消除加工硬化的影響— 儲能釋放明顯提高：將釋放90%的變形總儲能，用于再結晶的形核與長大— 亞晶粒尺寸明顯變大：新的晶粒替代

18、亞晶?！?電阻率持續(xù)下降：無畸變新晶粒出現(xiàn)，點缺陷減少,,再結晶過程機制,1.晶界弓出形核（應變誘導晶界移動、凸出形核）,特點：變形程度較小時（小于20% CW），晶粒間變形不均勻、位錯密度不同，相應亞晶尺寸不同；為降低系統(tǒng)的自由能，位錯密度小的晶粒中的亞晶通過晶界凸入另外晶粒中，以吞食方式開始形成無畸變的再結晶晶核,,,2.亞晶轉動、聚合形核,特點：變形程度較大時，或層錯能較高,亞晶合并機制： 層錯能較高時，相鄰亞晶界上的位錯網(wǎng)絡通

19、過解離、拆散、位錯的攀移、滑移，逐漸轉移到周圍其它亞晶界上，導致亞晶合并；合并后的亞晶的晶界上位錯密度增加，逐漸轉化為大角度晶界，從而具有更大的遷移率，這種晶界移動后留下無畸變的晶體，成為再結晶核心,,,3.亞晶界遷移、亞晶長大形核,亞晶遷移機制：層錯能較低時，位錯密度較大的亞晶界，向位向差較大的周圍亞晶方向遷移，并逐漸轉化為大角晶界，成為成核中心并長大,,再結晶核心的長大,長大實質：具有臨界曲率半徑的大角界面向變形基體遷移消耗變形基體

20、至全部消失 驅動力：新晶粒與周圍畸變母體之間的應變能差。低能區(qū)兼并高能區(qū),這個長大，是指晶核的長大，即再結晶過程中的長大 區(qū)別于再結晶晶粒長大，即晶核形成后的長大,,第四節(jié)：晶粒長大,晶粒長大：再結晶結束后，材料通常得到新的細小的無畸變的等軸晶粒，若繼續(xù)提高加熱溫度或延長加熱時間，引起晶粒進一步長大的現(xiàn)象驅動力：總晶界能的降低按特點分類：— 正常長大：大多數(shù)晶粒幾乎同時逐漸均勻長大— 異常長大：少數(shù)晶粒突發(fā)性的不均勻長大,,

21、正常晶粒長大,定義：在再結晶完成后繼續(xù)加熱或保溫過程中，在界面曲率驅動力的作用下，晶粒發(fā)生均勻長大的過程。驅動力：界面能與晶界的曲率,大多數(shù)晶粒幾乎同時長大，晶粒界面的不同曲率是造成界面遷移的直接原因，界面總是向曲率中心的方向移動，大晶粒吞并小晶粒,恒溫下，晶粒正常長大的關系式：,,,正常長大影響因素,1）溫度：溫度影響界面遷移速度，溫度越高，界面遷移速度越大，因而晶粒長大速度也越快。2）時間：正常晶粒長大時，一定溫度下，平均晶粒直

22、徑隨保溫時間的平方根而增大。3）第二相粒子：第二相粒子對界面遷移有約束力，阻礙界面遷移、晶粒長大。粒子尺寸越小，粒子的體積分數(shù)越大，極限的平均晶粒尺寸也越小。4）表面熱蝕溝：金屬在高溫下長時間加熱時，晶界與表面相交處為達到表面張力間的相互平衡，以趨向于熱力穩(wěn)定狀態(tài)，將會通過表面原子的擴散過程形成熱蝕溝。5）相鄰晶粒的位向差：晶界的界面能與相鄰晶粒間的位向差有關，小角度晶界的界面能小于大角度晶界，固小角度的移動速度小于后者。,,反常

23、晶粒長大（二次再結晶）,定義：是在一定條件下，繼晶粒正常、均勻長大后發(fā)生的晶粒不均勻長大的過程。長大過程中，晶粒尺寸相差懸殊，少數(shù)幾個晶粒擇優(yōu)生長，逐漸吞并周圍小晶粒，直至這些擇優(yōu)長大的晶?；ハ嘟佑|，周圍小晶粒消失，全部形成粗大晶粒，過程結束。,形成反常晶粒長大或二次再結晶的基本條件：穩(wěn)定基體、有利晶粒和高溫加熱。,,再結晶退火孿晶,退火孿晶的形態(tài)：（A）晶界交角處退火孿晶；（B）貫穿晶粒的完整退火孿晶；（C）一端中止于晶內的不完整孿晶

24、退火孿晶形成必須滿足能量條件，層錯能低的晶體容易形成退火孿晶,,再結晶織構,具有變形織構的金屬，經(jīng)再結晶后的新晶粒仍具有擇優(yōu)取向,再結晶織構與變形織構的關系： — 與原有的織構相一致（類似遺傳）； — 原有織構消失而代之以新的織構（類似變異）； — 原有織構消失不再產(chǎn)生新的織構再結晶織構的形成機制 — 定向生長理論：晶核位向各異，只有特殊位向的容易長大 — 定向形核理論：再結晶晶核具有擇優(yōu)

25、取向,制耳現(xiàn)象：在沖制筒形和杯形零件時，各向變形不均勻，造成薄厚不均、邊緣不齊的現(xiàn)象。,第五節(jié)：金屬的熱變形,,金屬的熱變形：金屬在再結晶溫度以上進行的加工、變形。熱變形的實質是:變形中形變硬化和動態(tài)軟化同時進行的過程，形變硬化為動態(tài)軟化所抵消，因而不顯示加工硬化作用。動態(tài)回復和動態(tài)再結晶：在熱變過程中，與形變硬化同時發(fā)生的回復、再結晶過程。,,1.動態(tài)回復：（層錯能高的金屬）動態(tài)回復是其軟化的主要方式其熱變形中的應力-應變

26、曲線有三個階段：第一階段為微應變階段，應變量約為0.1%～0.2%，曲線急劇上升；第二階段是最小流變應力σT之后的流變階段，有加工硬化，加工硬化率逐漸降低；第三階段為穩(wěn)態(tài)流變階段，應力-應變曲線為水平線，此時，加工硬化實際速率為零。,,,2.動態(tài)再結晶：對具有低層錯能的材料如銅及其合金、鎳和鎳合金，金和鈀及其合金，奧氏體鋼及奧氏體合金，不易發(fā)生交滑移和動態(tài)回復，此時，動態(tài)再結晶成為動態(tài)軟化的主要方式。熱變形中發(fā)生動態(tài)再結晶的應

27、力-應變曲線形狀取決于應變速率。,,,動態(tài)再結晶是生核與核心長大的過程。其生核機制是大角界面的遷移過程。動態(tài)再結晶具有反復形核，有限長大的特點。動態(tài)再結晶后得到等軸晶粒組織，因反復再結晶，晶粒較為細小，晶粒大小決定于應變速率和變形溫度。這種組織比靜態(tài)再結晶組織有較高的強度和硬度。,,,3.亞動態(tài)再結晶熱變形停止后，繼續(xù)進行的動態(tài)再結晶過程。,,,4.熱變形引起組織、性能的變化,1）改善鑄造狀態(tài)的組織缺陷2）熱變形形成流線，