七章回复及再结晶习题答案西北工业大学刘智恩.docx

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七章回复及再结晶习题答案西北工业大学刘智恩

1．设计一种实验方法，确定在一定温度（T）下再结晶形核率N和长大线速度G（若N和G都随时间而变）。

2．金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒?

3．固态下无相变的金属及合金，如不重熔，能否改变其晶粒大小?

用什么方法可以改变?

4．说明金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段晶体缺陷的行为与表现，并说明各阶段促使这些晶体缺陷运动的驱动力是什么。

5．将一锲型铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制，如图7—4所示。

（1）  画出此铜片经完全再结晶后晶粒大小沿片长方向变化的示意图；

（2）  如果在较低温度退火，何处先发生再结晶?

为什么?

6．图7—5示出。

—黄铜在再结晶终了的晶粒尺寸和再结晶前的冷加工量之间的关系。

图中曲线表明，三种不同的退火温度对晶粒大小影响不大。

这一现象与通常所说的“退火温度越高，退火后晶粒越大”是否有矛盾?

该如何解释?

7．假定再结晶温度被定义为在1h完成95％再结晶的温度，按阿累尼乌斯（Arrhenius）方程，N＝N0exp（

），G＝G0exp（

）可以知道，再结晶温度将是G和向的函数。

（1）  确定再结晶温度与G0，N0，Qg，Qn的函数关系；

（2）  说明N0，G0，Qg，Q0的意义及其影响因素。

8．为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5％后于650℃退火1h，组织反而粗化；增大冷变形量至80％，再于650℃退火1h，仍然得到粗大晶粒。

试分析其原因，指出上述工艺不合理处，并制定一种合理的晶粒细化工艺。

9．冷拉铜导线在用作架空导线时（要求一定的强度）和电灯花导线（要求韧性好）时，应分别采用什么样的最终热处理工艺才合适?

10．           试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同。

从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶?

11．           某低碳钢零件要求各向同性，但在热加工后形成比较明显的带状组织。

请提出几种具体方法来减轻或消除在热加工中形成带状组织的因素。

12．           为何金属材料经热加工后机械性能较铸造状态为佳?

13．           灯泡中的钨丝在非常高的温度下工作，故会发生显著的晶粒长大。

当形成横跨灯丝的大晶粒时，灯丝在某些情况下就变得很脆，并会在因加热与冷却时的热膨胀所造成的应力下发生破断。

试找出一种能延长钨丝寿命的方法。

14．           Fe-Si钢（Wsi为0.03）中，测量得到MnS粒子的直径为0.4m，每1mm2的粒子数为2×105个。

计算MnS对这种钢正常热处理时奥氏体晶粒长大的影响（即计算奥氏体晶粒尺寸）。

15．           判断下列看法是否正确。

（1）  采用适当的再结晶退火，可以细化金属铸件的晶粒。

（2）  动态再结晶仅发生在热变形状态，因此，室温下变形的金属不会发生动态再结晶。

（3）  多边化使分散分布的位错集中在一起形成位错墙，因位错应力场的叠加，使点阵畸变增大。

（4）  凡是经过冷变形后再结晶退火的金属，晶粒都可得到细化。

（5）  某铝合金的再结晶温度为320℃，说明此合金在320℃以下只能发生回复，而在320℃以上一定发生再结晶。

（6）  20#钢的熔点比纯铁的低，故其再结晶温度也比纯铁的低。

（7）  回复、再结晶及晶粒长大三个过程均是形核及核长大过程，其驱动力均为储存能。

（8）  金属的变形量越大，越容易出现晶界弓出形核机制的再结晶方式。

（9）  晶粒正常长大是大晶粒吞食小晶粒，反常长大是小晶粒吞食大晶粒。

（10）合金中的第二相粒子一般可阻碍再结晶，但促进晶粒长大。

（11）再结晶织构是再结晶过程中被保留下来的变形织构。

（12）当变形量较大、变形较均匀时，再结晶后晶粒易发生正常长大，反之易发生反常长大。

（13）再结晶是形核—长大过程，所以也是一个相变过程。

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答案

1.        可用金相法求再结晶形核率N和长大线速度G。

具体操作：

（1）   测定N：

把一批经大变形量变形后的试样加热到一定温度（丁）后保温，每隔一定时间t，取出一个试样淬火，把做成的金相样品在显微镜下观察，数得再结晶核心的个数N，得到一组数据（数个）后作N—t图，在N—t曲线上每点的斜率便为此材料在温度丁下保温不同时间时的再结晶形核率N。

（2）   测定G：

将

（1）中淬火后的一组试样进行金相观察，量每个试样（代表不同保温时间）中最大晶核的线尺寸D，作D—t图，在D—t曲线上每点的斜率便为了温度下保温不同时间时的长大线速度G。

2.        再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性能。

再结晶退火的温度较低，一般都在临界点以下。

若对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有形成新晶核的驱动力（如冷变形储存能等），所以不会形成新晶粒，也就不能细化晶粒。

3.        能。

可经过冷变形而后进行再结晶退火的方法。

4.        答案如附表2.5所示。

附表2.5 冷变形金属加热时晶体缺陷的行为

缺陷表现、物理变化

晶体缺陷的行为

缺陷运动驱动力

冷加工变形时主要的形变方式是滑移，由于滑移，晶体中空位和位错密度增加，位错分布不均匀

切应力作用

回复

空位扩散、集聚或消失；位错密度降低，位错相互作用重新分布（多边化）

弹性畸变能

再结晶

毗邻低位错密度区晶界向高位错密度的晶粒扩。

位错密度减少，能量降低，成为低畸变或无畸变区

形变储存能

晶粒长大

弯曲界面向其曲率中心方向移动。

微量杂质原子偏聚在晶界区域，对晶界移动起拖曳作用。

这与杂质吸附在位错中组成柯氏气团阻碍位错运动相似，影响了晶界的活动性

晶粒长大前后总的界面能差，而界面移动的驱动力是界面曲率

5.        

（1）铜片经完全再结晶后晶粒大小沿片长方向变化示意图如附图2.22所示。

由于铜片宽度不同，退火后晶粒大小也不同。

最窄的一端基本无变形，退火后仍保持原始晶粒尺寸；在较宽处，处于临界变形围，再结晶后晶粒粗大；随宽度增大，变形度增大，退火后晶粒变细，最后达到稳定值。

在最宽处，变形量很大，在局部地区形成变形织构，退火后形成异常大晶粒。

（2）变形越大，冷变形储存能越高，越容易再结晶。

因此，在较低温度退火，在较宽处先发生再结晶。

6.        再结晶终了的晶粒尺寸是指再结晶刚完成但未发生长大时的晶粒尺寸。

若以再结晶晶粒中心点之间的平均距离d表征再结晶的晶粒大小，则d与再结晶形核率N及长大线速度之间有如下近似关系：

且

由于Qn与Qg几乎相等，故退火温度对G／N比值的影响微弱，即晶粒大小是退火温度的弱函数。

故图中曲线中再结晶终了的晶粒尺寸与退火温度关系不大。

再结晶完成以后，若继续保温，会发生晶粒长大的过程。

对这一过程而言，退火温度越高，（保温时间相同时）退火后晶粒越大。

这是因为晶粒长大过程是通过大角度晶界的移动来进行的。

温度越高，晶界移动的激活能就越低，晶界平均迁移率就越高，晶粒长大速率就越快，在相同保温时间下，退火后的晶粒越粗大，这与前段的分析并不矛盾。

8.        前种工艺，由于铝件变形处于临界变形度下，故退火时可形成个别再结晶核心，最终晶粒极为粗大，而后种工艺，是由于进行再结晶退火时的温度选择不合理（温度过高），若按T再＝0.4T熔估算，则T再＝100℃，故再结晶温度不超过200℃为宜。

由于采用630℃退火1h，故晶粒仍然粗大。

综上分析，在80％变形量条件下，采用150℃退火1h，则可使其晶粒细化。

9.        前者采用去应力退火（低温退火）；后者采用再结晶退火（高温退火）。

10.    去应力退火过程中，位错通过攀移和滑移重新排列，从高能态转变为低能态；动态回复过程中，则是通过螺位错的交滑移和刃位错的攀移，使异号位错相互抵消，保持位错增殖率与位错消失率之间的动态平衡。

从显微组织上观察，静态回复时可见到清晰的亚晶界，静态再结晶时形成等轴晶粒；而动态回复时形成胞状亚结构，动态再结晶时等轴晶中又形成位错缠结胞，比静态再结晶晶粒要细。

11.    一是不在两相区变形；二是减少夹杂元素含量；三是采用高温扩散退火，消除元素偏析。

对已出现带状组织的材料，在单相区加热、正火处理，则可予以消除或改善。

12.    金属材料在热加工过程中经历了动态变形和动态回复及再结晶过程，柱状晶区和粗等轴晶区消失了，代之以较细小的等轴晶粒；原铸锭中许多分散缩孔、微裂纹等由于机械焊合作用而消失，显微偏析也由于压缩和扩散得到一定程度的减弱，故使材料的致密性和力学性能（特别是塑性、韧性）提高。

13.    可以在钨丝中形成弥散、颗粒状的第二相（如ThO2）以限制晶粒长大。

因为若ThO2的体积分数为φ，半径为r时，晶粒的极限尺寸

 （α为接触角）；若选择合适的φ和r，使R尽可能小，即晶粒不再长大。

由于晶粒细化将使灯丝脆性大大下降而不易破断，从而有效地延长其寿命。

15．

（1）不对。

对于冷变形（较大变形量）后的金属，才能通过适当的再结晶退火细化晶粒。

（2）     不对。

有些金属的再结晶温度低于室温，因此在室温下的变形也是热变形，也会发生动态再结晶。

（3） 不对。

多边化过程中，空位浓度下降、位错重新组合，致使异号位错互相抵消，位错密度下降，使点阵畸变减轻。

（4） 不对。

如果在临界变形度下变形的金属，再结晶退火后，晶粒反而粗化。

（5） 不对。

再结晶不是相变。

因此，它可以在一个较宽的温度围变化。

（6） 不对。

微量熔质原子的存在（20#钢中WC＝0.002），会阻碍金属的再结晶，从而提高其再结晶温度。

（7） 不对。

只有再结晶过程才是形核及核长大过程，其驱动力是储存能。

（8） 不对。

金属的冷变形度较小时，相邻晶粒中才易于出现变形不均匀的情况，即位错密度不同，越容易出现晶界弓出形核机制。

（9） 不对。

晶粒正常长大，是在界面曲率作用下发生的均匀长大；反常长大才是大晶粒吞食小晶粒的不均匀长大。

（10） 不对。

合金中的第二相粒子一般可阻碍再结晶，也会阻止晶粒长大。

（11） 不对。

再结晶织构是冷变形金属在再结晶（一次，二次）过程中形成的织构。

它是在形变织构的基础上形成的，有两种情况，一是保持原有形变织构，二是原有形变织构消失，而代之以新的再结晶织构。

（12） 不对。

正常晶粒长大是在再结晶完成后继续加热或保温过程中，晶粒发生均匀长大的过程，而反常晶粒长大是在一定条件下（即再结晶后的晶粒稳定、存在少数有利长大的晶粒和高温加热），继晶粒正常长大后发生的晶粒不均匀长大过程。

（13） 不对。

再结晶虽然是形核—长大过程，但晶体点阵类型并未改变，故不是相变过程。