铝合金的再结晶89.docx
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1、铝合金的再结晶82-9 10作者 顾景诚一 前言铝及铝合金与其他金属材料一样,经塑性变形后,位错密度显著升高,同时发生加工硬化,强度和硬度大大提高。另外, 由于滑移转动,晶体取向发生变化,晶粒也沿加工方向拉长,产生变形织构或加工织构。将这种材料加热到某一温度以上,随等温加热时间延长,强度和硬度渐渐下降,这就是软化过程,称之为回复。 当变形程度超过某一临界值之后,加热保温时,在变形组织中产生新的晶粒,大量的晶核长大,吞食变形组织,使变形组织所占的比例越来越小,最后变成晶粒组织。 强度和硬度下降到最低值。这就是大家所熟知的再结晶过程。使材料发生这一过程的处理称为再结晶处理1。再结晶处理在工业生产上
2、是意义重大的。变形铝合金半成品的生产过程就是形变和热处理交替进行的过程。半成品的最终组织和性能主要由这一过程决定的2。o因此,为了保证铝合金材料的工艺性能和最终性能,必须控制再结晶过程。例如:为使下道加工顺利进行,要进行中间退火,实现完全再结晶,消除位错,达到完全软化状态,以保证有足够的变形条件。但是, 为使最终产品具有足够的强度, 必须保存变形组织和挤压效应,则在最终热处理时,应尽量使材料不发生再结晶。硬铝LY12 合金的挤压棒材和型材,有时因断面外围部位发生一次和二次再结晶,形成粗晶组织,使性能不合格而报废5 6。要控制再结晶,必须清楚再结晶晶粒成核和长大过程,机理以及对再结晶过程的影响因
3、素。多年来, 铝及铝合金的工作者们,在这方面进行了大量的研究工作。对再结发展过程认识比较充分。本文对铝及铝合金再结晶过程的基本知识作梗概介绍。二 再结晶过程铝及铝合金的再结晶过程就是在变形基体上生成新的晶核长大的过程。变形组织为什么在一定温度下要变成再结晶组织呢?这应从铝合金材料在变形前后和再结晶前后的金属内能变化来加以说明。因为金属在变形过程中,外力对金属作功,使位错迅速而大量地增殖,位错密度显著增加,位错沿滑移面滑移带和剪切带,又使原晶粒破碎形成亚结构和位错胞,增加大量的亚晶界和胞壁,把变形能变成金属内能储存起来,使自由能升高。从热力学第二定律9 可知:这是一种不稳定的状态,它向稳定的平衡
4、状态过渡,使自由能降低,熵值增加,这是不可逆反应。因此: 铝及铝合金的变形组织在一定条件下变成再结晶组织,这是热力学第二定律所决定的。再结晶动力就是位错消毁,晶界减少所带来的金属内能的降低。下面介绍铝及铝合金从变形状态到再结晶组织的变化过程。1 . 变形组织 1压力工使铝及铝合金发生变形,增殖大量位错,位错沿滑移面滑移,使多晶体中的各个晶粒都被分割成若干块,这就是亚结构。部分晶体取向发生改变,趋于一致, 它们之间的位向差只有几度,而与它们相邻的另一部分基体的晶体取向相差 30 以上。取向差急剧改变是在狭窄区间内发生的,这一区间叫做滑移带。由于位错密度的增大,位错互相堆积,形成三维的网络组织,它
5、叫位错胞状组织,简称位错胞。在冷轧铝板的情况下,胞的大小是:厚为 0.21.0微米,直 径为0.51.0微米。当变形量达20%以上时,它的大小与变形量无关,只是相邻 位错胞间的取向差随变形程度而增大。变形量为70%时,位错胞间的取向差达28。在基体内的位错胞大小和取向差与基本晶体取向有点关系,变形带内的位错胞略小,取向差大些。当强烈变形使加工硬化达到饱和时,产生一种不稳定的变形组织;在某部位 集中剪切变形,这个称为剪切带。这里的位错胞薄、小、取向差大 (晶界附近的 变形是不均匀的,在离晶界数微米范围内的位错胞取向差大 )。在铸造时业已形成的粗大第二相粒子的周围变形也是不均匀的,这里形成变形带1
6、1 14。带的宽度与粒子尺寸相当,带内位错胞的大小是0.050.1微米。可见,整个基体变形是不均匀的,造成内能起伏,这正是再结晶成核的条件。变形 组织的示意图如图1所示。图1变形组织示意图A、A基体,B变形带C,剪切带,D原晶界2 .再结晶成核图2.3亚晶粒组织和再结晶晶界前沿变形组织在退火加热过程中,将发生一系列的组织变化。在高于再结晶温度 的等温退火过程中,直至出现第一个新晶粒的时间为孕育期。这段时间内,由于异号位错相迂成对消失,使位错密度降低,取向差小的位错胞壁变成亚晶界, 位 错胞合并成亚晶粒。另外,随着退火时间的增加,亚晶粒粗大化。这时,相应进 行两个过程:亚晶界移动和亚晶界消失(相
7、邻亚晶粒合并)。亚晶粒长大或缩小, 主要由 亚晶界的表面 能的平 衡条 件所决定。从Dillamore公式:Dr>(4/3)dr+dtM4。可看出:在亚晶粒成长过程中,较大晶粒才有长大的倾向。其中个别亚晶粒突然快速长大就成了再结晶晶粒的核心。与周围亚晶粒的取向差大于 15C,而本身又比较大的亚晶粒有可能成为再结晶的核心。由于变形造成位错分布和亚晶粒取向差的种种不均匀性,例如,在原晶粒边界和加工之前就已存在的粗大第二相硬粒子周围变形是极不均匀的,存在超过临界尺寸的亚晶粒,它将成为再结晶晶粒的核心。具成长过程有三个阶段: a.某处的细小亚晶粒长大,b.它突然在一个亚晶粒范围内快速长大,c.长
8、到这个范围后浸入邻近的亚晶粒基体中,当变形量极低(1020%)时,退火过程中有可能位错全部消毁而不发生再结晶,也可能因原晶粒与邻近变形组织之间位错密度差甚大而引起原晶界移动,发生再结晶。变形量为4050%,在变形带上成核。变形量为8090%的强烈变形情况下,于剪切带上形成再结晶核心。在粗大的第二相粒子附近成核,也与变形量有关,变形量越大,越容易在小粒子周围形成再结晶核心。3 .再结晶晶界移动两个相邻晶粒的交界处存在不属于哪个晶粒的原子,散乱排列着,厚度大约为几个原子间距,这样的界面称为晶界9。 两边晶粒取向差大于15的称为大角度晶界,小于15°的称为小角度晶界。这里所讲的再结晶晶界是
9、指再结晶晶粒与未发生再结晶的基体亚晶粒之间的边界。 它也可叫做再结晶前沿。再结晶前沿向基体方面移动就是再结晶进行的过程。晶界移动过程中不断吸收和消毁基体晶体中的位错,使金属自由能下降,变成稳定的再结晶组织,这也是不可逆过程。再结晶晶界的结构和它的移动速度与铝合金的种类有关。晶界移动速度还与再结晶晶粒取向和基体中亚晶粒取向的几何关系有关。例如:与回转轴111成40。的再结晶晶界移动速度最大18。周溶元素和第二相粒子对晶界移动速度都有很大影响,将在下节介绍。4 .晶粒粗大和二次再结晶如果某点的晶界交点或交线上的(表面张力不平衡,则这个晶界交点或交线)便开始移动。(从二维来看,五边形以下的晶界围成的
10、晶粒)要逐渐收缩,大于六边形的晶界所围成的晶粒开始长大,直至长成六边形,夹角为120°时,这个过程才停止下来。晶粒粗大化也是由金属内能减小决定的。小晶粒合并成大晶粒,使单位体积内的晶界面积减少,这样就降低了晶界表面能,也就使金属的自由能 下降。这就是晶粒粗大化的动力。如果在退火过程中发生第二相粒子的 Ostwaald 成长或重新固溶,使某些特大晶粒迅速成长,吞食已再结晶的周围小晶粒,这种 现象称为二次再结晶。图3晶粒长大时晶界的移动方向5 .热加工过程中的再结晶热加工时,在一定的应变速度和加工温度下,所有金属和合金都要同时发生加工硬化和动态回复以及在某些情况下发生动态再结晶。所产生的
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