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回覆

(冶金學術語)

鎖定
回覆,化學概念,與再結晶有密切聯繫,即經塑性形變的金屬或合金在不同温度加熱後,會發生結構、組織和性能的變化。在較低温度發生回覆;温度較高時發生基體的再結晶和晶粒長大。通過回覆和再結晶,金屬或合金從熱力學上不穩定的冷變形狀態轉變為熱力學上較穩定的新的組織狀態。
中文名
回覆
回    覆
化學概念
條    件
一般為金屬熔點的1/4~1/3
作    用
位錯密度降低,晶格畸變減少等
驅動力
晶體中自由焓的增加
學    科
金屬學

回覆基本含義

金屬經過一定程度冷塑性變形後,組織和性能都發生了明顯的變化,由於各種缺陷及內應力的產生,導致金屬晶體熱力學上處於不穩定狀態,有自發向穩定狀態轉化的趨勢。不過,對於大多數金屬而言,在一般情況下,由於原子的活動性不強,因此這個自發過程很難察覺,而一旦滿足了發生這種轉化的動力學條件,例如通過適當的加熱和保温過程,這種趨勢就會成為現實。這種變化的表現就是系列的組織、性能的變化。根據其顯微組織及性能的變化情況,可將這種變化分為三個階段:回覆、再結晶和晶粒長大。
其中,回覆是指冷塑性變形後的金屬在加熱温度不高時發生組織及性能變化的過程。其加熱温度一般為金屬熔點的1/4~1/3。在回覆過程中,金屬原子短距離擴散,使位錯密度有所降低,晶格畸變減少,但變形的晶粒形狀和大小不變,纖維組織仍然存在。回覆使金屬的強度和硬度略有下降,塑性略有升高,內應力顯著降低,電阻降低。工業上常利用回覆把冷變形金屬進行去應力退火,如把冷拉鋼絲繞製成彈簧後,在250~300℃下退火,可使其保持高的強度,內應力顯著降低,尺寸定型。 [1] 

回覆驅動力

外力使金屬冷變形所做的功有一小部分(百分之幾到十幾)以儲存能的形式保留在金屬中。這部分能量主要是因位錯密度增大而產生的應變能。由於位錯密度增加引起的熵值變化較小,可以近似地把這部分儲存能看作晶體中自由焓的增值。它就是回覆與再結晶的驅動力。
回覆與再結晶過程中,儲存能以熱量的形式釋放出來,這部分熱量可用靈敏度高的掃描示差熱量計檢出。它是用兩個質量相同、分別經過冷變形與經過充分退火的試祥,分別在兩個相同的爐子中以恆速加熱,然後測量使兩個試樣加熱到同一温度所消耗的功率P。由於冷形變試樣釋放儲存能,它所消耗的功率比退火試樣小。記錄不同温度下的功率差,作出T-ΔP曲線,即可看出儲存能釋放的情況。在不同金屬材料中測得的曲線型式可能不同,但功率差的峯值都與再結晶温度相對應,最初的再結晶晶粒都在功率差開始陡升時出現。幾條曲線的區別主要在於回覆階段釋放儲存能的多少。一般講,高純金屬具有A型曲線,合金則具有B型或C型曲線。 [2] 
三種儲存能釋放曲線 三種儲存能釋放曲線

回覆物理過程

範性形變的金屬或合金在室温或不太高的温度下退火時,金屬或合金的顯微組織幾乎沒有變化,然而性能卻有程度不同的改變,使之趨近於範性形變之前的數值,這一現象稱為回覆,由於加熱温度比較低,回覆時原子點缺陷(見晶體缺陷)只在微小的距離內發生遷移,回覆後的光學顯微組織中,晶粒仍保持冷變形後的形狀,但電子顯微鏡顯示其精細結構已有變化;由範性形變所造成的形變亞結構中,位錯密度有所降低,同時,胞狀組織逐漸消失,出現清晰的亞晶界和較完整的亞晶。回覆時形成亞結構主要藉助於點缺陷間彼此複合或抵消,點缺陷在位錯或晶界處的湮沒,位錯偶極子湮沒和位錯攀移運動,使位錯排列成穩定組態,如排列成位錯牆而構成小角度亞晶界此即所謂“多邊形化”回覆過程的驅動力來自變形時留於
金屬或合金中的貯能。回覆後宏觀性能的變化決定於退火温度和時間。温度一定時,回覆速率隨退火時間增加而逐漸降低。力學性能(硬度、強度、塑性等)的回覆速率通常要較物理性能(電阻磁性內應力等)的回覆速率慢。

回覆回覆作用

回覆理論用途

先舉一例來説明回覆的作用。冷加工變形所導致的內應力通常是有害的,例如經深衝工藝製成的黃銅(含30%Zn)彈殼,放置一段時間後會自動發生晶間開裂(稱為“季裂”),經研究這是由於冷加工殘留內應力的作用,加上外界氣氛對晶界的腐蝕,導致晶界處應力集中而開裂,即發生了“應力腐蝕開裂”。要解決這個問題,只需在加工後於260℃進行“去應力退火”,就不再會發生應力腐蝕開裂。如圖《冷加工黃銅經加熱後的硬度及內應力變化》所示可以看到,經這樣處理後,內應力能夠大部分消除,而硬度、強度基本不變。這樣處理所發生的的過程即為回覆。
冷加工黃銅經加熱後的硬度及內應力變化 冷加工黃銅經加熱後的硬度及內應力變化
研究冷變形金屬的回覆,可以採用兩種不同的熱處理制度來實現。一種是從較低的温度連續地加熱到一較高温度,即連續加熱退火;另一種在恆定的温度下加熱保温,即等温退火。用等温退火法來研究回覆過程的優點是所測得的性能回覆曲線能顯示出過程的動力學特點而便於進行理論研究。 [3] 

回覆工業用途

工業上常藉助回覆完成消除應力的退火,提高合金的抗腐蝕性;藉助再結晶消除形變組織,使合金具有某種特定的性能,如一些經受大變形的軟磁合金即可藉此獲得有利的再結晶織構而有最佳的磁導率(見硅鋼片)。金屬的再結晶和晶粒長大是制訂合理的熱加工工藝規範的重要依據。工業上還稱金屬或合金在指定時間內(一般0.5~1小時)完成或達到規定程度的再結晶所需要的最低温度為再結晶温度。由於在一小時內完成再結晶過程所需的温度範圍很窄(在典型情況下,提高退火温度10℃,再結晶過程所需時間便可縮一半),所以往往將其看作某一固定的温度:高於它可完成再結晶;低於它則無再結晶。但實際上它受時間、材料斷面尺寸等因素影響,不應視為金屬的一種特性。對特定材料於一小時的保温條件下,描述再結晶退火後晶粒尺寸、變形量和退火温度三者關係的再結晶圖,是制定生產工藝的重要參考依據。經過對純鐵退火1小時的再結晶過程進行分析可知:温度一定時,當範性形變量達到某一臨界值(稱臨界形變度,一般在2~10%左右)時會出現晶粒的急驟長大,在金屬塑性加工的生產中通常要力求避免這種臨界形變度;有時也可利用這種特性生產大晶粒(甚至單晶)材料。一般來説,形變量越大,晶粒越小;形變量一定時,温度越高,晶粒越大。

回覆內應力消除

冷形變金屬發生回覆以後,性能只有不大的變化。具有實際意義的是內應力的去除。金屬材料在冷形變時會形成三類內應力。在回覆階段,由於温度升高,金屬的屈服強度下降,於是在內應力的作用下,金屬發生局部塑性變形,使第一類內應力得到消除。加熱温度越高,屈服強度下降越多,內應力消除得越多。
當第一類內應力在回覆過程中得到消除後,硬度下降很少。這表明造成加工硬化的第三類內應力變化很少。第二類內應力在回覆過程中的消除程度介與第一類和第三類內應力之間。
在多數情況下,第一類內應力是有害的,有時它會使零件自發地開裂。第一次世界大戰中許多黃銅彈殼發生了這種現象,就是由於在使彈殼成型的深衝過程中形成了較大的第一類內應力,然後在戰場上腐蝕性氣體的作用下發生了應力腐蝕開裂。後來將彈殼在250~800℃進行回覆處理(去應力退火),解決了這個問題。 [4] 

回覆檢驗方法

回覆過程的常用的檢驗方法有硬度法、密度法、電阻法等。
此外,有幾種手段可以用來跟蹤回覆過程:
1.量熱法,用以直接測量貯能的釋放;
2.電阻率的降低;
3.X射線線展寬的減小;
4.流變應力或硬度的降低;
5.測量位錯密度的降低和位錯排列的改變。 [5] 
參考資料
  • 1.    侯玉山 趙忠 趙惠臣.工程材料與熱加工基礎:機械工業出版社,1994年11月第1版
  • 2.    侯增壽 盧光熙.金屬學原理:上海科學技術出版社,1990年07月第1版
  • 3.    上海交通大學 胡賡祥 錢苗根.金屬學:上海科學技術出版社,1980年12月第1版
  • 4.    盧光熙 侯增壽.金屬學教程:上海科學技術出版社,1985年10月第1版
  • 5.    W·C·萊斯利.鋼的物理冶金學:冶金工業出版社,1988年09月第1版