北科大材料考研试题

第七节 冷变形金属的内应力和储存能
这部分能量提高了变形晶体的能量，使之 处于热力学不稳定状态，故它有一种使变 形金属重新恢复到自由焓最低的稳定结构 状态的自发趋势，并导致塑性变形金属在 加热时的回复及再结晶过程。
第七节 冷变形金属的内应力和储存能
2 影响储存能的因素
（ 1 ）储存能随形变量的增加而增大，但增速逐 渐变缓，最后趋于饱和。 （ 2 ）加工温度越低，形变速度越大，材料的加 工硬化率越大，经受相同变形后的储存能也就越 高。 （ 3 ）加工方式的应力状态越复杂，加工时的摩 擦力越大，应力、应变的分布越不均匀，消耗的 总能量越高，储存能也就越大。
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1冷变形金属的内应力(宏观和微观) 2储存能(残余弹性应变能和结构缺陷能) 3回复概念 4再结晶概念
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1、回复过程有何特征？ ①回复过程组织不发生变化，仍保持变形状态伸 长的晶粒。 ②回复过程使变形引起的宏观（一类）应力全部 消除，微观（二类）应力部分消除。 ③回复过程中一般力学性能变化不大，硬度、强 度仅稍有降低，塑性稍有提高，某些物理性能有 较大变化，电阻率降低，密度增大。 ④变形储能在回复阶段部分释放。
图7-14 变形度与晶粒尺寸的关系示意图
另外，当金属的原始晶粒细小及有微量溶质原 子存在时，G/N的比值均减小，再结晶后可得到 细小的晶粒。而再结晶温度对刚完成再结晶时晶 粒尺寸的影响比较弱，这是因为它对G/N比值影 响微弱。但提高退火温度可使再结晶的速度显著 加快，临界变形度数值变小（见图7-15）若再结 晶过程已完成，随后还有一个晶粒长大阶段，很 明显温度越高晶粒越粗。
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2、再结晶过程的特征是什么？（10分） 答：①组织发生变化，由冷变形的伸长晶 粒变为新的等轴晶粒。 ②力学性能发生急剧变化，强度、硬度急 剧降低，塑性提高，恢复至变形前的状态。 ③变形储能在再结晶过程中全部释放，点 阵畸变（三类应力）清除，位错密度降低。
第九节 冷变形金属的再结晶
金相法：以新晶粒全部替代变形晶粒为准 硬度法：以硬度降低50%所对应的温度为准 公式法：
2．再结晶晶粒大小
变形度的影响如图7-14。变形量很小时， 储存能少，不足以发生再结晶，故退火后晶 粒尺寸不变：能发生再结晶的最小变形度通 常在2％-8％范围内，此时驱动力小，形核 率低，最终能长大的晶粒个数少，再结晶退 火后晶粒特别粗大，称为“临界变形度”； 超过临界变形度随变形度增加，储存能增加。 从而使再结晶驱动力增加，导致生核率N与 长大率G同时增加，但由于N增加速率大于 G，故再结晶后的晶粒得到细化。
四、再结晶温度及晶粒大小 1、再结晶温度
冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为开始 再结晶温度。 一般工程当中所说的再结晶温度是指完成再结晶 的温度，即在1h内再结晶完成95％所对应的温度 测定方法：金相法，硬度法，公式法（9-32） 经验公式：Tk=(0.35~0.45)Tm 常用金属的再结晶温度：表9-6 凡影响形核率和长大速率的因素均影响再结晶温 度。
第八节 冷变形金属的回复
前言
回复、再结晶与晶粒长大是冷变形金属加热 过程中经历的基本过程。
将冷塑性变形的金属材料加热到0.5T熔温度附 近，进行保温，随时间的延长。第一阶段0～τ1， 显微组织无变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状， 称为回复阶段。第二阶段完全变成新的等轴晶粒， 称为再结晶阶段（ τ1～ τ2 ）。第三阶段称为晶粒 长大阶段（ τ2～ τ3） 。
一、回复过程的特征
所谓回复是指冷变形金 属加热时，在新的无畸 变晶粒出现之前，所产 生的亚结构与性能的变 化的过程。
回复特点：
（1）回复过程中组织不发生改变，但高温 回复后，电镜下可观察到胞状位错缠结转 变呈的亚晶。 （2）经过回复可完全消除宏观残余内应力， 但微观残余内应力部分存在。
（3）回复过程中力学性能变化不大，储存 能释放较为平缓，说明主要结构缺陷—— 位错密度变化不大，因此与位错密度密切 相关的强度、硬度变化不大。
通常小晶粒凸边界， 大晶粒为凹边界，存 在化学势差使原子移 向大晶粒，晶界移向 小晶粒。
2）．晶粒的稳定形貌
实际的二维晶粒如图7-17所示，较大的晶粒往往 是六边以上。
小晶粒凸边界，大晶粒为凹边界，存在化学势差使原子移向大晶粒，晶界 移向小晶粒。在三晶粒会聚处，界面交角呈120度才能保证界面张力平衡。 因此晶粒长大的稳定形态应该为规则的六边形。
五 晶粒长大
冷变形金属在完成再结晶后，继续加热时，会发 生晶粒长大。晶粒长大又可分为正常长大和异常 长大（二次再结晶）。
1 晶粒的正常长大
再结晶刚刚完成，得到细小的无畸变等轴晶粒， 当升高温度或延长保温时间，晶粒仍可继续长大， 若均匀地连续生长叫正常长大。
1）．晶粒长大的驱动力
晶粒长大的驱动力，从整体上看，是晶粒长大前 后总的界面能差。 从个别晶粒长大的微观过程来说，晶界具有不同 的曲率则是造成晶界迁移的直接原因。
2 晶粒的异常长大
异常晶粒长大又称不连续晶粒长大或二次再结 晶，是一种特殊的晶粒长大现象。 发生异常长大的条件是，正常晶粒长大过程被分 散相粒子，织构或表面热蚀沟等强烈阻碍，能够长 大的晶粒数目较少，致使晶粒大小相差悬殊。晶粒 尺寸差别越大，大晶粒吞食小晶粒的条件越有利， 大晶粒的长大速度也会越来越快，最后形成晶粒大 小极不均匀的组织，如图7-21(c)。
对工业纯金属，经强烈冷变形后的最低再结晶温 度约为 0.35~04Tm 。另外，发生再结晶需要一个 最小变形量，称临界变形量。低于此变形量不能 发生再结晶。
（2）金属纯度 杂质对N和G的影响有着截然不同的两重性 一方面杂质阻碍变形使储存能增加，N和G 增大； 另一方面，杂质又钉扎晶界，降低界面迁 移率，使形核率减小、生长速率减慢。 一般均起细化晶粒的作用。
（3）原始晶粒大小 材料的原始组织晶粒越细小，阻碍变形的 能力越强，储存能越高，从而N和G也就越 大。另外，晶粒越细小，晶界面积越多。 细晶组织中晶界多，可提供形核的位置也 多，N也会相应增大。
（4）温度 再结晶温度越高，位错的攀移，亚晶界的 移动、转动和聚合都变得容易，因此使N增 加。同时温度越高，晶界迁移率越大， G 也就随之增加。 提高再结晶退火温度，不仅使再结晶后的 晶粒长大，而且还减小临界变形度的具体 值。
第七节 冷变形金属的内应力和储存能
1、宏观残余内应力
它是由工件不同部分 的宏观变形不均匀性引起 的，故其应力平衡范围包 括整个工件。例如，将金 属棒施以弯曲载荷，则上 边受拉而伸长，下边受到 压缩；变形超过弹性极限 产生了塑性变形时，则外 力去除后被伸长的一边就 存在压应力，短边为张应 力。
第七节 冷变形金属的内应力和储存能
第九节 冷变形金属的再结晶
一 再结晶的形核
1. 已存晶界的弓出形核 对于变形程度较小（一般小于40％）的金属， 其再结晶核心多以晶界弓出方式形成，即应变诱 导晶界移动或称为凸出形核机制。 2. 亚晶合并形核 此机制一般是在大的变形度下发生。借助亚 晶作为再结晶的核心，其形核机制又可分为以下 两种： ①亚晶合并机制。 ②亚晶迁移机制。
二、再结晶的形核率及长大速率
再结晶的形核率指在单位时间、单位体积内形成 的再结晶核心的数目，一般用 N 表示。长大速率 用G表示。 N 和G都受储存能的驱动，其影响因 素主要如下：
（1）变形程度的影响
随着冷变形程度的增加，再结晶的形核率和 长大速度均成上升趋势。这是因为储存能也增多， 再结晶的驱动力就越大，因此再结晶温度越低， 同时等温退火时的再结晶速度也越快。但当变形 量增大到一定程度后，再结晶温度就基本能
（ 4 ）金属的熔点越高，变形越难，经同等程度 变形的总消耗功越大，储存能越高。 （ 5 ）固溶体中的溶质因其对变形的阻碍作用而 使储存能增加。 （ 6 ）在其他条件相同时，细晶中的储存能高于 粗晶粒。 （ 7 ）合金中的弥散第二相对储存能的影响视第 二相的性质而定。若第二相本身可变形，对储存 能的影响不大；若第二相不可变形，储存能增大
又如，金属线材经拔丝加 工后，由于拔丝模壁的阻 力作用，线材的外表面较 心部变形少，故表面受拉 应力，而心部受压应力。 这类残余应力所对应的畸 变能不大，仅占总储存能 的0.1％左右。
第七节 冷变形金属的内应力和储存能
2 微观残余应力 当对多晶体施加外力时，力轴对各晶粒的取 向不同，只有满足τ ＞ τc的晶粒其滑移系方可启 动（称软取向晶粒）。而其相邻晶粒可能会因取 向不合适而无法塑性变形（称硬取向晶粒）。由 于多晶体变形具有协调性，软取向晶粒必然会对 硬取向晶粒产生附加拉应力，反过来后者对前者 产生附加压应力。这种作用在物体微观组织间的 应力称微观残余内应力。
（4）回复过程对物理性能的影响较大，电 阻率的降低和密度的增加说明回复期间点 缺陷的浓度有了明显的降低。
第八节 冷变形金属的回复
二、回复机理
(1)低温回复 冷变形金属在较低温度（0.1Tm～0.3Tm）加热时所 产生的回复称为低温回复。主要涉及点缺陷的运动。空位 或间隙原子移动到晶界或位错处消失，空位与间隙原子的 相遇复合，空位集结形成空位对或空位片，使点缺陷密度 大大下降。 (2)中温回复 冷变形金属在中温（0.3Tm～0.5Tm）加热时所产生 的回复称为中温回复。除继续涉及点缺陷的运动外，还与 位错的运动有关。随温度升高，原子活动能力增强，位错 可以在滑移面上滑移，使异号位错相遇对消，位错密度下 降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化。
第八节 冷变形金属的回复
（3）高温回复
冷变形金属在较高温度（ ≥0.5Tm ）加热时所产生的回 复称为高温回复。主要涉及由位错攀移所造成的位错组态的 变化。原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。 每组位错墙均以小角度晶界分割晶粒成为亚晶，这一过程为 位错的多边形化。为了降低界面能，小角度亚晶界有合并成 为大位向差亚晶界的趋势。