科学家提出测定金属材料再结晶温度的新方法

近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员方前锋团队在金属材料再结晶行为的内耗研究方面取得进展，通过探究连续升温再结晶过程与等温再结晶过程的内在联系，建立了通过连续升温内耗测量技术确定再结晶温度的方法，拓宽了内耗技术在金属材料领域的应用。相关研究成果发表在Journal of Alloys and Compounds上。

塑性变形是提高金属材料力学性能（如强度、硬度）的重要手段。然而，变形材料在高温下会发生再结晶过程，从而降低材料的强度和硬度。另一方面，通过再结晶退火能够消除冷变形引起的位错、空位、亚晶界等结构缺陷，这也是工业上控制金属材料组织和性能的有效方法。因此，确定再结晶温度对金属材料的生产加工和工业应用具有重要意义。传统的再结晶温度测定方法主要有金相法和硬度法，均需要对一系列样品在不同温度下进行一定时间的退火处理后，观察样品晶粒尺寸变化或测量样品硬度变化来测定再结晶温度。这些传统方法存在操作繁琐、试验周期长、材料成本高等不足。目前研究表明，利用内耗技术对固体缺陷非常敏感的优势，可以探究变形金属的再结晶过程。然而，尽管连续升温再结晶内耗峰可以表征变形材料发生了再结晶过程，但该内耗峰峰温与等温退火过程确定的经典再结晶温度有很大的不同。

鉴于此，研究人员研究了变形纯铝在连续升温过程中的再结晶行为，发现再结晶内耗峰随着升温速率的增加向高温移动，但与测试频率无关；利用Kissinger方程（图1）和连续升温再结晶模型，讨论和计算热激活参数。进一步结合硬度法评定的等温再结晶温度，他们找到了连续升温再结晶内耗峰温与等温再结晶温度的等效方法，即通过先前连续升温内耗测量所获得的Kissinger方程，代入特定的升温速率，即可得到相应保温时间的经典再结晶温度。同时，研究人员对高纯铝再结晶内耗峰的形成机理进行了分析（图2），提出了相应的内耗表达式。　　　　  

该项研究建立的基于连续升温内耗测量技术确定金属材料再结晶温度的方法，只需要进行三次甚至两次连续升温内耗测量，即仅需三个或两个样品，这比经典的等温方法所需样品数量少了一个数量级。此外，这种采用内耗技术来评估再结晶温度的方法也可以推广到其他金属如铜合金、钢铁等材料体系。　　

相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及合肥研究院院长基金的支持。

图1 连续升温内耗峰温确定的Kissinger图（方块）和等温法确定的再结晶温度（三角）

图2 再结晶内耗峰形成机理分析

来源：中国科学院合肥物质科学研究院

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