CN113791111B - 一种利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，涉及金属材料无损检测技术领域，包括以下步骤：将冷变形金属材料试样安装到内耗测量仪上；将试样以恒定升温速率连续升温再随炉冷却，测试不同频率下的内耗值，绘制温度内耗曲线，得到再结晶内耗峰峰温；改变恒定升温速率，重复上述步骤，获得不同恒定升温速率下的再结晶内耗峰峰温；利用Kissinger方程对恒定升温速率及其对应的再结晶内耗峰峰温拟合分析，确定再结晶动力学参数；通过再结晶过程中，恒定升温速率与退火时间的等效关系，并结合前述确定的再结晶动力学参数，利用Kissinger方程得到传统等温退火的再结晶温度。本发明只需少量样品即可测定金属材料的再结晶温度，测试更简便、快速、可靠。

Description

一种利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法

技术领域

本发明涉及金属材料无损检测技术领域，尤其涉及一种利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法。

背景技术

金属或合金材料由于冷变形加工，其晶格会发生畸变，甚至出现晶粒细化，产生较大内应力，形成加工硬化。材料特性和性能在很大程度上取决于微观结构，细晶粒或纳米晶材料表现出优异的性能，例如高强度和硬度。然而，变形和细晶材料暴露在高温下时，不可避免地会发生再结晶过程，其中小的或变形的晶粒通过形核和晶界迁移成长为大的等轴晶粒，从而改变材料性能。因此，确定再结晶温度对于材料的生产和应用具有重要意义。

目前，人们普遍采用金相法或硬度值法测定材料的再结晶温度。以下就这两种方法做一些简单介绍和优缺点分析。

金相法测定再结晶温度是将样品在不同的温度下在一定时间内等温退火，随后对退火后的样品进行化学腐蚀，再通过金相显微镜(或扫描电子显微镜)观察退火后样品的再结晶情况，并统计体积分数，以再结晶体积分数达到95％以上为标准确定该等温退火时间下的再结晶温度点。其优点：可以直观清楚的看出样品再结晶情况；缺点：需要做很多组等温退火试验，需要样品数量大，操作步骤繁琐费时，对试验中的化学腐蚀过程有一定的要求，得到的再结晶温度是一个温区范围；并且，在试验过程中需要用到化学试剂，对人体有害，同时也会造成环境污染。

硬度法测定再结晶温度则是将样品在不同的温度下在一定时间内等温退火，将样品用砂纸打磨，抛光，用硬度计测试每一个试样的硬度值，一般要求每个样品测试硬度点不低于10个，而后取平均值作为该样品的硬度值，获得一定退火时间下样品硬度随温度变化的曲线，以样品的硬度值下降50％为标准确定样品在该退火时间下的再结晶温度点。其优点：试验方法简单，绿色无污染，设备易获得。缺点：需要做很多组等温退火试验，操作步骤繁琐，消耗样品多，而且一般得到的再结晶温度是一个温区范围；且当退火样品处于部分再结晶状态时，由于测试的区域分为变形区域和再结晶区域，这将影响测试的精度。

内耗测试技术对于固体材料中的缺陷(点缺陷、位错、晶界、畴界、相界以及位错与其他缺陷之间的相互作用力)非常敏感，可以用于研究金属材料的再结晶过程。同时，内耗测试过程中所需的试样很少，只需要两到三个小试样，便可以方便、快速、准确地获得固体材料中再结晶过程的动力学参数。一些研究人员已经通过内耗技术研究了金属材料的再结晶温度，如题为“Investigation of recrystallization in an Al-0.3Mg alloy by themethod of internal friction”，《PHYSICS OF METALS AND METALLOGRAPHY》，2011，112A的文章。该文中提及的轧制变形量为90％的Al-0.3Mg合金中出现了一个非弛豫型内耗峰，并证实了该非弛豫型内耗峰与该合金的再结晶过程有关，是该合金的再结晶内耗峰。然而，由于内耗测试获得的再结晶内耗峰强烈的依赖于升温速率，使得通过内耗测得的再结晶峰峰温，与等温退火过程中确定的经典再结晶温度并不一样，现有的研究中也并未解决这个问题。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法。

本发明提出的一种利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，包括以下步骤：

S1、获取冷变形金属材料试样，将其安装到内耗测量仪上；

S2、将冷变形金属材料试样由室温以恒定升温速率进行连续升温再随炉冷却至室温，测试在不同频率下冷变形金属材料试样的内耗值，以温度为X轴、内耗值为Y轴，绘制不同频率下的升温和降温过程中的温度内耗曲线，确定再结晶内耗峰，得到该恒定升温速率下的再结晶内耗峰峰温；

S3、改变恒定升温速率，重复S2步骤，得到不同恒定升温速率下的温度内耗曲线，得到不同恒定升温速率下的再结晶内耗峰峰温；

S4、利用Kissinger方程对多组恒定升温速率及其对应的再结晶内耗峰峰温进行拟合分析，确定金属材料的再结晶动力学参数；

S5、通过再结晶过程中，内耗测定过程中连续升温的恒定升温速率与金相法或硬度法测定过程中等温退火的退火时间之间的等效关系，结合S4步骤中确定的再结晶动力学参数，利用Kissinger方程，得到传统等温退火的再结晶温度。

优选地，S2中，再结晶内耗峰的确定是依据内耗峰的非弛豫性特征和降温过程中该内耗峰消失的特征确定的；所述内耗峰的非弛豫性是指内耗峰峰温不随测量频率而变化的特性。

优选地，S2和S3中的恒定升温速率≥1℃/min。

优选地，Kissinger方程为：

其中，θ是恒定升温速率，T_m是再结晶内耗峰峰温，E是等效激活能，R是理想气体常数，C是不依赖于θ和温度的常数；S4中，对多组恒定升温速率及其对应的再结晶内耗峰峰温进行拟合分析，确定C和E值。

优选地，S5中，连续升温的恒定升温速率与等温退火的退火时间之间的等效关系是通过数值分析的方法获得了常用的对应关系：等温退火时间10min、20min、30min、60min分别对应恒定升温速率为0.2℃/min、0.14℃/min、0.064℃/min、0.034℃/min。

优选地，S2中，内耗值测试采用强迫振动模式，频率为0.1～10Hz。

优选地，S2中，内耗值测试的切应变振幅为10^-6～10^-4。

优选地，S1中，冷变形金属材料试样的规格为：长50～80mm、宽0.5～2mm、高2～4mm。

优选地，S1中，冷变形金属材料试样在测试前，要去除表面氧化皮并抛光。

上述S1步骤中，去除表面氧化皮可采用砂纸打磨去除，砂纸为60～400目。

上述S1步骤中，抛光可采用砂纸打磨抛光，砂纸为800～2000目。

在本发明中，上述利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法中，冷变形金属材料试样处于真空环境下进行检测。

有益效果：本发明提出了一种利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，根据再结晶过程中，采用连续升温进行内耗测定时，再结晶内耗峰强烈依赖于升温速率的特征，获得了金属材料的再结晶动力学参数，并通过内耗测定中连续升温的恒定升温速率与金相法或硬度法测定过程中等温退火的退火时间之间的等效关系，利用Kissinger方程进而确定传统等温退火的再结晶温度；且与标准的硬度法测得的再结晶温度非常接近，从而验证了本方法的有效性，具有实用意义。

由于采用内耗测量仪测试内耗值时，在一次升温过程中可同时测量多个频率下的内耗值，因此，本发明仅通过简单的调节加热速率，可以从连续加热的再结晶过程模拟经典的等温再结晶过程，获得等温退火过程的再结晶温度，只需两个或三个样品即可达到测定金属材料的再结晶温度的目的。

本发明操作简单，试样容易制备，测试更简便、快速、可靠。此发明属于金属材料无损检测技术领域。

附图说明

图1为本发明实施例1中升温速率为2℃/min的升温过程中在不同频率下的温度-内耗曲线和降温过程中的温度-内耗曲线；

图2为本发明实施例1中不同恒定升温速率下的升温过程中的温度-内耗曲线；

图3为本发明实施例1中拟合得到的Kissinger方程线性图；

图4为本发明实施例2中升温速率为2.5℃/min的升温过程中不同频率下的温度-内耗曲线和降温过程中的温度-内耗曲线；

图5为本发明实施例2中不同恒定升温速率下的升温过程中的温度-内耗曲线；

图6为本发明实施例2中拟合得到的Kissinger方程线性图。

具体实施方式

本发明提出的一种利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，包括以下步骤：

S1.获得冷变形金属材料试样，去除其表面氧化皮并抛光，然后安装到多功能内耗测量仪上，确保试样处于真空环境中。冷变形金属材料试样的规格为：长50～80mm、宽0.5～2mm、高2～4mm(下述具体实施例中的规格选择为60×2×1mm³)，采用砂纸去金属试样表面氧化皮，砂纸为240目，抛光方式为砂纸抛光，砂纸为400～2000目。

S2.多功能内耗仪采用强迫振动模式运行，频率为0.1Hz～10Hz，切应变振幅区间为10^-6～10^-4，从室温以恒定升温速率θ₁连续升温，后随炉冷却至室温，测量试样的内耗值。以温度为X轴，以内耗为Y轴，获得冷变形金属材料在不同频率下的升温和降温过程中的温度-内耗曲线，通过检验内耗峰的非弛豫性特征(即峰温不随测量频率而变化)和降温过程中该内耗峰消失的特征，找到再结晶内耗峰，并确定该恒定升温速率θ₁下的再结晶内耗峰峰温T₁。

S3.改变恒定升温速率，重复S2步骤，得到不同恒定升温速率下的温度-内耗曲线，并确定不同恒定升温速率下对应的再结晶内耗峰峰温。

S4.根据Kissinger方程，对多组恒定升温速率及其对应的再结晶内耗峰峰温进行拟合分析，确定金属材料的再结晶动力学参数。

S5、通过再结晶过程中，内耗测定过程中连续升温的恒定升温速率与金相法或硬度法测定过程中等温退火的退火时间之间的等效关系，结合S4步骤中确定的再结晶动力学参数，利用Kissinger方程，得到传统等温退火的再结晶温度。

作为优选，步骤S2、S3中的升温速率≥1℃/min。

作为优选，Kissinger方程为：

其中，θ是升温速率，T_m是再结晶内耗峰峰温，E是等效激活能，R是理想气体常数，C是不依赖于θ和温度的常数；

S4中，对多组恒定升温速率及其对应的再结晶内耗峰峰温进行拟合分析，确定C和E值。

作为优选，S5中，连续升温的恒定升温速率与等温退火的退火时间之间的等效关系是通过数值分析的方法获得了常用的对应关系：等温退火时间10min、20min、30min、60min分别对应恒定升温速率为0.2℃/min、0.14℃/min、0.064℃/min、0.034℃/min。其中，等温退火时间60min为硬度法测定再结晶温度常用的退火时间。

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本实施例中所用材料为变形态的高纯铝，纯度为99.999％。

图1为恒定升温速率为2℃/min、振幅为5×10^-5条件下测得的温度-内耗曲线。升温过程中，在139℃出现了一个非弛豫型内耗峰P₁峰，峰温不随测量频率移动，并在随后的降温过程中消失，所以确定P₁峰为高纯铝的再结晶内耗峰。而P₂峰在升降温过程中均出现，且随频率而移动，所以P₂峰为晶界内耗峰。

图2为分别在恒定升温速率1、1.5、2、3、4、5℃/min、振幅为5×10^-5条件下测得的温度—内耗曲线，可以看出，内耗峰位随升温速率增大而移向高温。从曲线上确定不同恒定升温速率对应的再结晶内耗峰峰温。

图3是Kissinger方程图，即ln(θ/T²)～1/T曲线。对图2中不同恒定升温速率下对应的再结晶内耗峰峰温数据采用Kissinger方程拟合分析，确定冷变形高纯铝的再结晶动力学参数分别为：E＝56.59kJ/mol、C＝5.13。

表1是根据硬度变化和Kissinger方程计算得到的再结晶温度，分别记作硬度-T_△HV/2和Kissinger方程-T_△HV/2，可表1中可以看出，采用Kissinger方程计算得到的再结晶温度与标准的硬度法测得的再结晶温度非常接近。

表1

实施例2

本实施例中所用材料为变形态的高纯铜，纯度为99.99％。

图4为恒定升温速率为2.5℃/min、应变振幅为5×10^-5条件下测得的温度-内耗曲线。升温过程中，在331.5℃出现了一个非弛豫型内耗峰P₁峰，峰温不随测量频率移动，在随后的降温过程中消失，所以确定P₁峰为高纯铜的再结晶内耗峰。而P2峰在升降温过程中均出现，且随频率而移动，所以P₂峰为晶界内耗峰。这里采用了较低的测量频率(0.4-0.6Hz)，主要是为了将晶界内耗峰移到低温，远离位于高温的再结晶内耗峰。

图5为分别在恒定升温速率为1、2、2.5、3、4、5℃/min条件、振幅为5×10^-5条件下测得的温度—内耗曲线，可以看出，内耗峰位随升温速率增大而移向高温。从内耗曲线上确定不同升温速率对应的再结晶内耗峰峰温。

图6是Kissinger方程图，即ln(θ/T²)～1/T曲线。对图5中不同恒定升温速率下对应的再结晶内耗峰峰温数据采用Kissinger方程拟合分析，确定冷变形高纯铜的再结晶动力学参数分别为：E＝143.31kJ/mol、C＝16.63。

表2是根据硬度变化和Kissinger方程计算得到的再结晶温度，分别记作硬度-T_△HV/2和Kissinger方程-T_△HV/2，可表2中可以看出，采用Kissinger方程计算得到的再结晶温度与标准的硬度法测得的再结晶温度非常接近。

表2

通过与硬度法实验的对比，证明了本申请方案在测试金属材料的再结晶温度方面是有效的。采用本检测方法可以通过连续升温的内耗测试，利用Kissinger方程获得传统等温退火过程的再结晶温度，只需两个或三个样品即可达到测定金属材料的再结晶温度的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取冷变形金属材料试样，将其安装到内耗测量仪上；

S2、将冷变形金属材料试样由室温以恒定升温速率进行连续升温再随炉冷却至室温，测试在不同频率下冷变形金属材料试样的内耗值，以温度为X轴、内耗值为Y轴，绘制不同频率下的升温和降温过程中的温度内耗曲线，确定再结晶内耗峰，得到该恒定升温速率下的再结晶内耗峰峰温；

S3、改变恒定升温速率，重复S2步骤，得到不同恒定升温速率下的温度内耗曲线，得到不同恒定升温速率下的再结晶内耗峰峰温；

S4、利用Kissinger方程对多组恒定升温速率及其对应的再结晶内耗峰峰温进行拟合分析，确定金属材料的再结晶动力学参数；

S5、通过再结晶过程中，内耗测定过程中连续升温的恒定升温速率与金相法或硬度法测定过程中等温退火的退火时间之间的等效关系，结合S4步骤中确定的再结晶动力学参数，利用Kissinger方程，得到传统等温退火的再结晶温度；

所述S5中，连续升温的恒定升温速率与等温退火的退火时间之间的等效关系是通过数值分析的方法获得了常用的对应关系：等温退火时间10min、20min、30min、60min分别对应恒定升温速率为0.2℃/min、0.14℃/min、0.064℃/min、0.034℃/min。

2.根据权利要求1所述的利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，其特征在于，S2中，再结晶内耗峰的确定是依据内耗峰的非弛豫性特征和降温过程中该内耗峰消失的特征确定的；所述内耗峰的非弛豫性是指内耗峰峰温不随测量频率而变化的特性。

3.根据权利要求1所述的利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，其特征在于，S2和S3中的恒定升温速率 ≥ 1℃/min。

4.根据权利要求1所述的利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，其特征在于，Kissinger方程为：

；其中，θ是恒定升温速率，T_m是再结晶内耗峰峰温，E是等效激活能，R是理想气体常数，C是不依赖于q和温度的常数；S4中，对多组恒定升温速率及其对应的再结晶内耗峰峰温进行拟合分析，确定C和E值。

5.根据权利要求1所述的利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，其特征在于，S2中，内耗值测试采用强迫振动模式，频率为0.1~10Hz。

6.根据权利要求1所述的利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，其特征在于，S2中，内耗值测试的切应变振幅为10^-6~10^-4。

7.根据权利要求1所述的利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，其特征在于，S1中，冷变形金属材料试样的规格为：长50~80mm、宽0.5~2mm、高2~4mm。

8.根据权利要求1所述的利用金属材料内耗测定再结晶温度的方法，其特征在于，S1中，冷变形金属材料试样在测试前，要去除表面氧化皮并抛光。

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