哈尔滨理工大学材料与工程学院教案---回复与再结晶

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第八章 回复与再结晶
重点与难点
内容提要：
    冷塑性变形的金属在加热时，按加热温度及其组织、性能变化的不同，可分为回复、再结晶和晶粒长大等阶段。本章的重点是讨论回复、再结晶现象的机理、动力学过程以及对组织性能的影响。它是材料科学中的基本内容，在材料工程中起重要作用。
    回复过程发生在冷塑性变形金属加热的早期阶段。由于加热温度较低，主要表现为亚结构（如点缺陷、为错等）的变化及发生多边化过程。因而，对组织形态影响不大；对力学性能的影响也不大（强度、硬度略有降低，塑性略有提高）。主要是对变形引起的宏观应力全部消除，微观应力也可以大部分消除。
    冷塑性变形的金属加热时，其组织和性能发生显著变化的是在结晶阶段。在原变形组织的基体上重新形核和长大，从而得到无变形的新晶粒组织，这个过程称为再结晶。再结晶后金属的性能可恢复到变形前的状态。再结晶过程的驱动力是形变储存能的降低（它主要与形变量有关），再结晶动力学过程则与温度、材料成分和变形组织等因素有关。再结晶和热加工过程中都会发生晶粒长大现象（正常晶粒长大与反常晶粒长大），这在控制和改善材料晶粒大小时应予以重视。如利用回复、再结晶的基本规律可获得粗大晶粒或单晶体；可在无相变的金属中获得细小晶粒使材料强韧话；也可以在某些磁性合金中利用再结晶后的有向结构以改善磁性等。
基本要求：
（1）掌握冷塑性变形金属发生回复的条件及产生的变化；回复速率与温度的关系dx／dt＝Aexp(－Q／RT);
（2）理解T再在生产上的意义、测量方法及影响因素；
（3）理解再结晶时形核的能量条件（△Gs≦0，Es≧2ε/L），晶核长大的方向（向着高畸变能的方向）；描述再结晶分数随时间变化的J-M方程Xv＝1—exp（－г／3 NG3T4）及埃弗拉米（Avrami）方程Xv＝1－exp（－βtk）；用双对数曲线lg ln 〔1／1－xv〕＝lgβ＋klgt表示再结晶动力学的方法。
（4）理解晶粒正常长大的原因、驱动力，晶粒长大方程D1／n－D01／n＝ct ；晶粒异常长大的特点；
（5）认识动态回复过程中位错运动的特点；能够从显微组织上区分动、静态再结晶。
（6）指出热加工对材料的组织、性能的影响。
（7）了解超塑性性现象及实现超塑性的途径。
（8）熟悉下列概念及术语：
回复、多边化、低温回复、中温回复、高温回复、静态回复、动态回复；再结晶、二次结晶、再结晶温度、再结晶退火、静态再结晶、动态再结晶；临界变形度、再结晶全图、退火孪晶、再结晶织构；晶粒长大、晶界迁移；冷加工、热加工、带状组织、锻造流线；超塑性、应变速率、超细晶粒。

    扩散是物质内部由于热运动而导致原子或分子迁移的过程。在固体中，原于或分子的迁移只能靠扩散来进行。固体中的许多反应如：铸件的扩散退火、合金的许多相变、粉末烧结、离子固体的导电、外来分子向聚合物的渗透都受扩散控制。
扩散定律
8．1．1菲克第一定律

    菲克第一定律表明，只要材料中有浓度梯度，扩散就会由高浓度区向低浓度区进行，而且扩散通量与浓度梯度成正比。
8．1．2菲克第二定律

8．1．3扩散方程在生产中的应用举例
1．扩散方程在渗碳中的应用
    钢铁的渗碳是扩散过程在工业中应用的典型例子。把低碳钢制的零件放放渗碳介质中渗碳。零件被看作半无限长情况。渗碳一开始，表面立即达到渗碳气氛的碳浓度C，并始终不变。
    (8—2)式的通解为

C0为原始浓度；Cs为渗碳气氛浓度;Cx为距表面x处的浓度；为误差函数。
8．1．4扩散的驱动力及上坡扩散
    菲克定律指出扩散总是向浓度降低的方向进行的。但事实上很多情况，扩散是由低浓度处向高浓度处进行的。加固溶体中某些元素的偏聚或调幅分解。这种扩散被称为“上坡扩散”。上坡扩散说明从本质上来说浓度梯度并非扩散的驱动力。热力学研究表明扩散的驱动力是化学位梯度


    “—”号表示驱动力与化学位下降的方向一致，也就是扩散总是向化学位减少的方向进行的。
1．弹性应力作用下的扩散
2．晶界的内吸附
3．电场作用下的扩散
8．2扩散机制
    一种间隙机制，它解释了间隙固溶体中的间隙原子如H，C，N，O等小原子的扩散；另—种是空位机制解释了置换原子的扩散及自扩散现象。
8．2．1间隙扩散
    在间隙固溶体中溶质原子的扩散是从一个间隙位置跳动到近邻的另一间隙位置，发生间隙扩散。图8—3为面心立方结构的(100)晶面及该晶面上的八面体间隙。
8．2．2置换扩散
1．柯肯达尔效应
    柯肯达尔的实验如图8—5所示。将一块纯铜和纯镍对焊起来，在焊接面上级上几根细钨丝(惰性)作为标记。将试样加热到接近熔点的高温长时间保温，然后冷却。经剥层化学分析得到固8—5所示的成分分布曲线。令人惊讶的是，经扩散后惰性的钨丝向纯镍一侧移动了一段距离。因为惰性的钨丝不可能因扩散而移动。镍原于与铜原子直径相差不大，也不可能因为它们向对方等量扩散时，因原于直径差别而使界面两侧的体积产生这样大的差别。唯一的解释是镍原子向铜一侧扩散的多，铜原子向镍一侧扩散的少，使铜一侧伸长，镍一侧缩短。
2．空位扩散机制
    空位扩散机制认为晶体中存在的大量空位在不断移动位置。
    空位式扩散机制能很好地解释柯肯达尔效应，被认为是置换扩散的主要方式。
8．2．3扩散系数公式

8．3影响扩散的因素
8．3．1温度
    由(8-9)式可知D与温度成指数关系，可见温度对扩散速度影响很大。图8—8为钍在钨中扩散时，扩散系数与温度的关系。由图中可看到钍在钨中晶内扩散时，扩散系数与温度由1500℃增加到2000℃，D增加了近三个数量级。因此生产上各种受扩散控制的过程都要考虑温度的重大影响。
8．3．2固溶体类型
8．3．3晶体结构
8．3．4浓度
8．3．5合金元素的影响
8．3．6短路扩散
8．4反应扩散
    这种通过扩散而产生新相的现象被称为反应扩散或相交扩散。

习题

1．说明下列基本概念
扩散流量、扩散通量、恒稳态扩散、非恒稳态扩散、扩散激活能、全渗层深度、上坡扩散、短路扩散、反应扩散
2．为什么钢的渗碳在奥氏体中进行而不在铁索体中进行?
3．为什么往钢中渗金属要比渗碳困难?
4．什么是科肯达尔效应，解释其产生原因，它对人们认识置换式扩散机制有什么作用。

哈尔滨理工大学材料与工程学院

最后的辉煌

亲切呀!斑竹是哪个学校毕业的呀?哈理工!