什麼是回復

加熱冷加工的金屬時,在再結晶之前發生差排的消滅或重新排列,使內部應力與電阻下降的過程。硬度變化不大。

日文名稱: 回復

「回復」出現在5領域的7道練習題中(金屬材料與合金, 材料的加工與接合, 熱處理與金屬材料等)。

這個名詞所屬的領域: 金屬材料與合金

回復中發生的事

冷加工後的金屬中累積了大量的差排與點缺陷。加熱時,首先空位等點缺陷移動而消失,接著差排以攀移或交叉滑移移動,正負號相反的差排互相抵消,或排列成低能量的配置。差排像牆一樣排列成小角度晶界,把晶粒內部分割成小的次晶粒,稱為多邊形化。晶粒本身的形狀與方位仍維持加工時的樣子,不會生成新的晶粒,這一點是與再結晶的差異。

性質的變化與進行方式

在回復中,累積的能量有一部分被釋放,殘留應力大幅下降,電阻也接近加工前的值。另一方面,差排的總數並沒有減少很多,因此硬度與強度的下降小,加工硬化所得到的強度大多仍保留。回復的速率在一開始最大,隨時間逐漸變慢,不會像再結晶那樣經過潛伏期後才急速進行。回復進行到什麼程度,不只取決於溫度與時間,也受材料的疊差能左右。

疊差能的影響

在鋁或α鐵這類疊差能高的金屬中,差排不易擴展分解,交叉滑移與攀移容易,因此回復進行得很充分。即使在熱加工中,回復也會與加工硬化達到平衡,形成穩定的次晶粒組織(動態回復)。另一方面,在銅、黃銅、沃斯田鐵系不鏽鋼這類疊差能比較低的金屬中,差排廣泛擴展而不易移動,回復進行得不多。因此累積的能量大量殘留,再結晶較容易發生。

應力消除退火與質別

回復被利用在想保持形狀與強度、只降低內部應力的時候。焊接或彎曲加工後的應力消除退火,以及為防止黃銅季裂而進行的低溫退火,都是其例。在鋁合金中,加工硬化後再部分退火、使延性稍微恢復的質別以H2x表示,藉此取得強度與成形性的平衡。退火溫度太高或時間太長時,再結晶就會開始而大幅軟化,因此溫度與時間的管理很重要。

練習回復的題目

將冷加工的金屬以不發生再結晶程度的溫度加熱時所發生的回復,下列敘述何者正確?

  1. A差排重新排列使內部應力下降,但硬度與強度下降不多
  2. B生成無應變的新晶粒取代加工組織,差排密度降低而硬度大幅下降
  3. C晶界移動使晶粒粗大化到數倍大小,硬度與強度都大幅下降
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正確答案:A. 差排重新排列使內部應力下降,但硬度與強度下降不多

回復是加工時增加的差排消滅,或重新排列成低能量配置(形成小角度晶界的多邊形化)的過程。差排的總量不會大幅減少,因此硬度與強度下降不多,但內部應力(殘留應力)會下降,並因點缺陷減少等使電阻明顯恢復。想保持加工品的形狀而只去除應力時所用的應力消除退火,就是利用這種回復。生成無應變的新晶粒、差排密度大幅下降而使硬度降低的,是在更高溫發生的再結晶。晶粒的成長是接在再結晶之後的晶粒成長,兩者都是與回復不同的階段。

將板材彎曲加工後從模具取出時,因彈性回復而使彎曲角度回復的回彈,在下列何者中容易變大?板厚與彎曲半徑相同。

  1. A降伏應力低、楊氏係數高的軟而剛的材料
  2. B與降伏應力及楊氏係數無關,只由加工速度決定
  3. C降伏應力高、楊氏係數低的材料
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正確答案:C. 降伏應力高、楊氏係數低的材料

彎曲後的板材斷面上,塑性變形之後仍殘留約為降伏應力程度的應力,除去負荷時會回復與該應力相應的彈性應變(約為 σ/E)。因此降伏應力越高、楊氏係數越低,回彈越大。楊氏係數相同而強度高的高強度鋼板,以及楊氏係數約為鋼的3分之1的鋁合金板,回彈大,難以使形狀吻合。認為軟而剛的材料的選項正好相反,認為只由加工速度決定的選項也錯誤。對策有預先多彎回彈的份量、在模具中用力壓緊使彎曲部塑性變形等方法。

常見問題

回復與再結晶有什麼不同?

回復中只發生差排的消滅與重新排列,晶粒維持加工時的樣子。再結晶則是生成無應變的新晶粒取代加工組織,因此硬度大幅下降。

為什麼回復時電阻會下降?

加工時增加的空位等點缺陷與差排會散射電子而使電阻上升,在回復中它們減少,特別是點缺陷容易消失,因此散射減少、電阻下降。

動態回復是什麼?

是像熱加工那樣,在高溫下變形的過程中發生的回復。差排的增加與消滅互相平衡,因此持續變形時應力也不太上升,而接近大致固定的值。

解析中的「回復」

出現「回復」的題目(7題)

  1. 將冷加工的金屬以不發生再結晶程度的溫度加熱時所發生的回復,下列敘述何者正確?
  2. 將板材彎曲加工後從模具取出時,因彈性回復而使彎曲角度回復的回彈,在下列何者中容易變大?板厚與彎曲半徑相同。
  3. 關於將冷加工金屬加熱時的再結晶,下列敘述何者正確?
  4. 設再結晶溫度的標準為熔點(絕對溫度)的0.4倍時,下列何者屬於熱加工?熔點為鉛327℃、鎢3422℃、鐵1538℃。
  5. 以鑄造與熱鍛造分別製作相同形狀的碳鋼零件時,一般而言鍛造件的韌性與疲勞強度較優。其原因何者正確?
  6. 對表面平滑的金屬材料反覆施加低於降伏應力的應力振幅時,關於疲勞裂縫的生成,下列敘述何者正確?
  7. 關於在一定負荷與溫度下量測的潛變曲線(應變與時間的關係)的3個階段,下列敘述何者正確?

相關名詞

再結晶 差排 加工硬化 回彈 柱狀晶 縮孔 潛變 不鏽鋼 固溶強化 鈦合金

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