金属及讲义合金的回复与再结晶
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金属及合金的回复与再结晶
金属及合金的回复与再结晶回复：冷变形金属在低温加热时,其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷塑性变形以前的过程。
晶粒仍保持伸长的纤维状.再结晶：冷变形金属被加热到适当温度后,在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐步取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消失的过程。
回复与再结晶的驱动力都是储存能的降低储存能：存在于冷形变金属内部的一小部分（约为10%）变形功.形变温度越低，形变量越大，则储存能越高。
储存能存在形式：弹性应变能（3%-12%）+点阵畸变能点阵畸变能包括点缺陷能和位错能，点缺陷能所占的比例较小，而位错能所占比例较大，约占总储存能的80〜90%。
力学性能的变化在回复阶段:强度、硬度均略有下降，而塑性有所提高.在再结晶阶段：硬度、硬度均显著下降,塑性大大提高.在晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降另外,金属的电阻与晶体中点缺陷的浓度有关。
随着加热温度的升高，变形金属中的点缺陷浓度明显降低，因此在回复和再结晶阶段，电阻均发生了比较明显的变化，电阻不断下降。
此外，点缺陷浓度的降低，应力腐蚀倾向显著减小。
回复过程及其动力学特征回复是指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生变化前所产生的某些亚结构和性能的变化过程.回复的程度是温度和时间的函数.温度越高、回复的程度越大.温度一定时，回复的程度随时间的延长而逐渐增加.但在回复初期，变化较大,随后就逐渐变慢，当达到一个极限值后，回复停止。
回复机制彳氐温回复时，主要涉及空位的运动。
空位可以移至表面、晶界或位错处消失，也可以聚集形成空位对、空位群，还可以与间隙原子相互作用而消失，总之空位运动的结果使空位密度大大减小。
电阻率对空位密度比较敏感，因此其数值会有显著下降。
而力学性能对空位的变化不敏感,没有变化。
中温回复时，主要涉及位错的运动。
由于位错滑移会导致同一滑移面上异号位错合并而相互抵消，位错密度略有下降，但降低幅度不大，力学性能变化不大。
金属及合金的回复与再结晶
部分结晶 5s 580℃
完全结晶 8s 580℃ 晶粒长大15min 580℃ 晶粒长大10min 700℃
显微组织的变化
回复阶段：显微组织无明显变化； 再结晶阶段：变形晶粒通过形核、长大，逐
渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。 晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到
相对稳定的形状和尺寸。
内应力的变化
再结晶与同素异构转变的区别
• 同素异构转变：由一种晶格类型转变为另一种 晶格类型的过程——有晶格类型转变。 钢由室温加热到1000℃热轧： 发生铁素体 → 奥氏体； 轧后冷却到室温： 发生奥氏体 → 铁素体 。
• 再结晶：无晶格类型转变。 冷变形后在再结晶退火过程中： 畸变铁素体→无畸变铁素体； 又如钢在1000℃热轧的过程中： 畸变奥氏体→ 无畸变奥氏体。
• 回复阶段：大部分或全部消除第一类内 应力，部分消除第二、三类内应力；
• 再结晶阶段： 内应力完全消除。
力学性能的变化
•回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有 提高。 •再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明 显提高。 •晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，晶粒 粗化后塑性会下降。
7.2 回 复
二、再结晶阶段的特点：
①加热温度较高：T>T 。 ②显微组织显著变化 ：
原子扩散能力强，晶界迁移容易进行。
再
再结晶阶段：变形晶粒通过形核、长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。
②显微组织显著变化 ： 某些金属当变形量相当大（ 90%）时，再结晶后晶粒可能再次出现异常长大，一般认为这种现象与形变织构有关。
7.1 形变金属与合金在退火过程中的变化
形变储存能
弹性应变能(3~12%) 晶格畸变能(80~90%)
形变储能使金属内能升高，处于热力学亚稳定状态，有 自发恢复到稳定状态的倾向。在常温下，原子扩散能力 小，不稳定状态可长时间维持。加热时，原子活动能力 升高，形变金属从亚稳态向稳态转变，形变储存能降低 是形变金属退火过程中组织变化的驱动力。
金属学与热处理金属性质与合金回复与再结晶
Ms(230℃)为马氏体转变开始温度
M f(-50℃)为马氏体转变终了温度
共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线
第九章 钢的热处理原理
问题： 如将一根直径5mm的热轧钢试样加热到650℃，等
温15s后淬火水中，问等温转变曲线可否用来分析最 后得到的组织？
不能
原因：等温转变曲线是描述过冷奥氏体的转变的。热轧 共析钢加热到650 ℃并未发生奥氏体化。
加热与冷却速度对临界点的影响
第九章 钢的热处理原理
扩散型
固态相变 类型
非扩散型
半扩散型
第九章 钢的热处理原理
1、奥氏体的结构 奥氏体是碳溶于γ-Fe所形成的固溶体。在合金钢中，
除了碳原子外，溶于γ-Fe中的还有合金元素原子。
共析钢奥氏体的形成过程
奥氏体的形成过程
形核 长大 残余渗碳体的溶解
均匀化
金属学与热处理 金属性质和合金的回复与再结晶
典型退火的过程，随着保温时间和延长和温度升高，
可分为和晶粒长大三个阶段。
回复、再结晶的定义及性能变化及应用。
再结晶形核机制
亚晶长大形核 （变形量较大时）
凸出形核:
再结晶温度
：T再＝(0.25-0.35)Tm。 工业纯金属：T再＝(0.35-0.45)Tm。 合金：T再＝(0.4-0.9)Tm。
第九章 钢的热处理原理
奥氏体晶粒长大及控制
晶粒度
是表示晶粒大小的一种尺度。是以单位面积内 晶粒的个数或每个晶
本质晶粒度
默认
验刚的代互方指表指相法临在在接，对界某某触即温一钢一时将度条来热的钢以件说处晶加上下，理粒热奥，加大如到奥氏热小果（氏体条。9不体形件3成特0下的±刚别，1长刚0指所大）完得倾明摄成到向，氏，的，度一其晶通，般晶粒常保粒是尺采温边指寸用3界。-奥标5刚小准时实 后粒，钢测，定在氏其1体~奥4化级氏后者体的称晶实为粒本大际质小晶粗。粒晶晶大粒粒小钢度。。在5~8级者称为本质细晶
M f(-50℃)为马氏体转变终了温度
共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线
第九章 钢的热处理原理
问题： 如将一根直径5mm的热轧钢试样加热到650℃，等
温15s后淬火水中，问等温转变曲线可否用来分析最 后得到的组织？
不能
原因：等温转变曲线是描述过冷奥氏体的转变的。热轧 共析钢加热到650 ℃并未发生奥氏体化。
加热与冷却速度对临界点的影响
第九章 钢的热处理原理
扩散型
固态相变 类型
非扩散型
半扩散型
第九章 钢的热处理原理
1、奥氏体的结构 奥氏体是碳溶于γ-Fe所形成的固溶体。在合金钢中，
除了碳原子外，溶于γ-Fe中的还有合金元素原子。
共析钢奥氏体的形成过程
奥氏体的形成过程
形核 长大 残余渗碳体的溶解
均匀化
金属学与热处理 金属性质和合金的回复与再结晶
典型退火的过程，随着保温时间和延长和温度升高，
可分为和晶粒长大三个阶段。
回复、再结晶的定义及性能变化及应用。
再结晶形核机制
亚晶长大形核 （变形量较大时）
凸出形核:
再结晶温度
：T再＝(0.25-0.35)Tm。 工业纯金属：T再＝(0.35-0.45)Tm。 合金：T再＝(0.4-0.9)Tm。
第九章 钢的热处理原理
奥氏体晶粒长大及控制
晶粒度
是表示晶粒大小的一种尺度。是以单位面积内 晶粒的个数或每个晶
本质晶粒度
默认
验刚的代互方指表指相法临在在接，对界某某触即温一钢一时将度条来热的钢以件说处晶加上下，理粒热奥，加大如到奥氏热小果（氏体条。9不体形件3成特0下的±刚别，1长刚0指所大）完得倾明摄成到向，氏，的，度一其晶通，般晶粒常保粒是尺采温边指寸用3界。-奥标5刚小准时实 后粒，钢测，定在氏其1体~奥4化级氏后者体的称晶实为粒本大际质小晶粗。粒晶晶大粒粒小钢度。。在5~8级者称为本质细晶
回复与再结晶
7.3 再结晶
7.3 再结晶
7.3 再结晶
7.3 再结晶
7.3 再结晶
7.3 再结晶
第二相粒子的作用
（1）增加形变储存能而 增缘故。
7.3 再结晶
（2）第二相粒子附近可能作为再结晶形核位置。
大而硬间距宽的第二相粒子，由于形变时粒子附近出现更多 不均匀形变区，这些区域有大的显微取向差，可促进形核。 （Particle Stimulated Nucleation)
7.5 金属的热变形
动态回复引起的软化过程是通过刃型位错的攀移、螺位 错的交滑移，使异号位错对消、位错密度降低的结果。 动态回复中也发生多边化，形成亚晶。层错能较高的金 属如铝合金、纯铁、铁素体钢等热加工时，易发生动态 回复，因这些金属中易发生位错的交滑移及攀移之故。
动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶，故仍呈纤维 状，热变形后迅速冷却，可保留伸长晶粒和等轴亚晶的 组织。在高温较长时间停留，则可发生静态再结晶而使 材料彻底软化。动态回复组织比再结晶组织的强度高， 将动态回复组织保留下来可提高金属的强度，例如热挤 压法生产的建筑用铝镁合金，采用保留动态回复组织的 方法，提高其使用强度。
晶粒正常长大后，各晶粒尺寸的分布仍然是均匀的。
7.4 晶粒长大
7.4 晶粒长大
影响晶粒长大的因素
温度：温度越高，晶粒长大越快，一定温度下，晶粒长大极 限尺寸后不再长大，提高温度长大继续。
杂质与合金元素：吸附于晶界可使界面能下降，降低了界面 移动的驱动力，使晶界不易迁动。
第二相质点：阻碍晶界迁动，使晶粒长大受到抑制。 相邻晶粒的位相差：位相差越大，晶界可动性越高，小角晶
7.3 再结晶
再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度后，在变形 基体中重新生成无畸变的新晶粒的过程。
金属学与热处理第七章 金属及合金的回复与再结晶
度后的硬度HV、电阻变化率ΔR/R、密度变化率Δρ/ρ和功率差ΔP
五、亚晶粒尺寸
在回复阶段的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在 后期，尤其在接近再结晶温度时，亚晶粒尺寸显著增 大。
第二节 回 复
一、退火温度和时间对回复过程的影响
回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学 显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所 产生的某些亚结构和性能的变化过程。通常指冷塑 性变形金属在退火处理时，其组织和性能变化的早 期阶段。
回复机制
冷变形后，晶体中同号的刃型位错处在同一滑移 面时它们的应变能是相加的，可能导致晶格弯曲（见 图7-5a）；而多边化后，上下相邻的两个同号刃型位 错之间的区域内，上面位错的拉应变场正好与下面位 错的压应变场相叠加，互相部分地抵消，从而降低了 系统的应变能（见图7-5b）。
图7-5 多边化前、后刃型位错的排列情况 a）多边化前 b）多边化后
回复机制
图7-6 刃型位错的攀移和 滑移示意图 图7-7 刃型位错攀移示意图
三、亚结构的变化
金属材料经多滑移变形后形成胞状亚结构，胞内位 错密度较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密度很高。 在回复退火阶段，当用光学显微镜观察其显微组织时， 看不到有明显的变化。但当用电子显微镜观察时，则可 看到胞状亚结构发生了显著地变化。图7-8为纯铝多晶 体进行回复退火时亚结构变化的电镜照片。
第七章 金属及合金的回复与再结晶
第一节 形变金属与合金在退火过程 中的变化
第二节 回 复 第三节 再 结 晶 第四节 晶粒长大 第五节 金属的热加工
第一节 程
形变金属与合金在退火过
中的变化
一、显微组织的变化
将塑性变形后的金属材料加热到0.5Tm温度附近，
进行保温，随着时间的延长，金属的组织将发生一系 列的变化，这种变化可以分为三个阶段，如图7-1所示。
五、亚晶粒尺寸
在回复阶段的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在 后期，尤其在接近再结晶温度时，亚晶粒尺寸显著增 大。
第二节 回 复
一、退火温度和时间对回复过程的影响
回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学 显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所 产生的某些亚结构和性能的变化过程。通常指冷塑 性变形金属在退火处理时，其组织和性能变化的早 期阶段。
回复机制
冷变形后，晶体中同号的刃型位错处在同一滑移 面时它们的应变能是相加的，可能导致晶格弯曲（见 图7-5a）；而多边化后，上下相邻的两个同号刃型位 错之间的区域内，上面位错的拉应变场正好与下面位 错的压应变场相叠加，互相部分地抵消，从而降低了 系统的应变能（见图7-5b）。
图7-5 多边化前、后刃型位错的排列情况 a）多边化前 b）多边化后
回复机制
图7-6 刃型位错的攀移和 滑移示意图 图7-7 刃型位错攀移示意图
三、亚结构的变化
金属材料经多滑移变形后形成胞状亚结构，胞内位 错密度较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密度很高。 在回复退火阶段，当用光学显微镜观察其显微组织时， 看不到有明显的变化。但当用电子显微镜观察时，则可 看到胞状亚结构发生了显著地变化。图7-8为纯铝多晶 体进行回复退火时亚结构变化的电镜照片。
第七章 金属及合金的回复与再结晶
第一节 形变金属与合金在退火过程 中的变化
第二节 回 复 第三节 再 结 晶 第四节 晶粒长大 第五节 金属的热加工
第一节 程
形变金属与合金在退火过
中的变化
一、显微组织的变化
将塑性变形后的金属材料加热到0.5Tm温度附近，
进行保温，随着时间的延长，金属的组织将发生一系 列的变化，这种变化可以分为三个阶段，如图7-1所示。
第20讲 金属及合金的回复及再结晶Ⅰ
位错密度下降， 晶格无畸变。2018/ Nhomakorabea1/12
图7-5 晶界弓出形核示意图
图7-3 再结晶过程示意图
15
材料发生了再结晶后，由于全部用新生成的晶
粒替换了原发生过塑性变形的晶粒，所以材料
经过再结晶后，由冷塑性变形带来的所有性能
变化就全部消失，材料的组织发生了变化，性
能完全彻底回到变形前的状态。
2018/11/12
16
冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大
来进行，但再结晶过程不是相变。原因有： 因此它们是属于同一个相。 再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没 有确定的转变温度。 再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化
2018/11/12
图7-3 亚晶合并形核示意图
18
② 亚晶界移动形核——适于低层错能金属
通过亚晶合并和亚晶长大，使亚晶界与基体间的
取向差增大，直至形成大角度晶界，便成为再结 晶的核心
图7-4 亚晶界移动形核示意图
2018/11/12 19
⑵ 晶界弓出形核机制
一般发生在形变较小（变形度~＜40%）的金属中， 变形不均匀，位错密度不同。再结晶退火时，晶界 中的某一段就会向亚晶粒细小位错密度高的一侧弓 出。
图7-1 变形金属加热时组 2018/11/12 织和性能变化示意图
返回
5
§7-1 回复
一、回复概念 二、回复的组织性能变化 三、回复机制 四、回复退火的应用
2018/11/12
返回
6
一、回复概念
回复：冷变形金属加热时，尚未发生光学显微组 织变化前的微观结构及性能的变化过程。 冷变形金属加热，当温度不高时，由于原子扩散 能力不很大，变形金属的显微组织不发生明显变 化，仅强度和硬度略有降低，而塑性略有增大， 但电阻和内应力显著下降，这就是回复阶段。
图7-5 晶界弓出形核示意图
图7-3 再结晶过程示意图
15
材料发生了再结晶后，由于全部用新生成的晶
粒替换了原发生过塑性变形的晶粒，所以材料
经过再结晶后，由冷塑性变形带来的所有性能
变化就全部消失，材料的组织发生了变化，性
能完全彻底回到变形前的状态。
2018/11/12
16
冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大
来进行，但再结晶过程不是相变。原因有： 因此它们是属于同一个相。 再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没 有确定的转变温度。 再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化
2018/11/12
图7-3 亚晶合并形核示意图
18
② 亚晶界移动形核——适于低层错能金属
通过亚晶合并和亚晶长大，使亚晶界与基体间的
取向差增大，直至形成大角度晶界，便成为再结 晶的核心
图7-4 亚晶界移动形核示意图
2018/11/12 19
⑵ 晶界弓出形核机制
一般发生在形变较小（变形度~＜40%）的金属中， 变形不均匀，位错密度不同。再结晶退火时，晶界 中的某一段就会向亚晶粒细小位错密度高的一侧弓 出。
图7-1 变形金属加热时组 2018/11/12 织和性能变化示意图
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§7-1 回复
一、回复概念 二、回复的组织性能变化 三、回复机制 四、回复退火的应用
2018/11/12
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一、回复概念
回复：冷变形金属加热时，尚未发生光学显微组 织变化前的微观结构及性能的变化过程。 冷变形金属加热，当温度不高时，由于原子扩散 能力不很大，变形金属的显微组织不发生明显变 化，仅强度和硬度略有降低，而塑性略有增大， 但电阻和内应力显著下降，这就是回复阶段。
7.金属及合金的回复与再结晶
图 冷变形金属退火时某些性能的变化
第七 章金属及合金的回复与再结晶
硬度的变化 回复阶段的硬度变化很小，而再结晶阶段则 下降较多。
电阻率的变化 变形金属的电阻率在回复阶段巳表现明显 的下降趋势。
密度的变化 变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧增高 的原因主要是再结晶阶段中位错密度显著降低所致。
内应力的变化 金属经塑性变形所产生的第一类内应力在 回复阶段基本得到消除，而第二、三类内应力只有通过再 结晶方可全部消除。
R m r m 0
1 R r 0 m 0
m : 冷变形后的屈服强度
：冷变形后经不同规程回火后的屈服强度
r
：纯铁充分退火后的屈服强度
0
R：屈服应力回复率
1 R：剩余加工硬化分数
第七 章金属及合金的回复与再结晶
图 同一变形度的Fe在不同 温度等温退火后的性能变化曲线
①回复过程在加热后立刻 开始，没有孕育期；
t0
回复 t1
再结晶
t2 晶粒长大 t3
冷变形金属组织随加热温度及时间的变化示意图
第七 章金属及合金的回复与再结晶
t2～t3为第Ⅲ阶段，称为晶粒长大:晶粒通过晶界 移动，发生长大，直至达到一种相对稳定的尺寸。 回复和再结晶的驱动力
储存能是变形金属加热时发生回复和再结晶的驱 动力。 储存能: 冷塑变形时，外力所做的功尚有一部分 储存在变形金属的内部，这部分能量叫储存能。
第七 章金属及合金的回复与再结晶
（2）中温回复 变形金属在中等温度下加热时所发生的 回复过程称为中温回复。此时因温度升高，原子活动能力 也增强，除点缺陷运动外，位错也被激活，在内应力作用 下位错可以在滑移面上滑移或交滑移，使异号位错相遇相 消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使变形 亚晶规整化。
第七章_金属及合金的回复再结晶
0.35TM，对于工业纯金属来讲，经验表明最低再结晶温度
在0.35TM左右，一般再结晶温度用0.4TM来估计。
5.2 影响再结晶后的晶粒尺寸因素
预变形量：在临界变形量(不
同材料不相同，一般金属在2— 10%之间)以下，材料不发生再 结晶，维持原来的晶粒尺寸；在 临界变形量附近，刚能形核，因 核心数量很少而再结晶后的尺寸
力学性能
回复阶段： 强度、硬度略有下降，塑性略有提高。
再结晶阶段： 强度、硬度明显下降，塑性明显提高。
晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降,塑性继续提高，粗化 严重时下降。
物理性能
密 电 度 : 在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高； 阻 ：电阻在回复阶段可明显下降。
形变储能：回复阶段部分释放，再结晶至长大初期完全释放。
1.4 内应力变化
回 复 阶 段： 大部分或全部消除第一类 内应力，部分消除第二、 三类内应力； 再结晶阶段： 内应力可完全消除。
第二节 回 复 （Recovery）
所谓回复，即在加热温度较低时，仅因金属
中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些
晶内的变化。
2.1 回复时组织性能变化
1) 宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；
2) 晶粒长大的动力学
Beck及其同事首先建立了纯金属和单相合金等温退火时 晶粒长大动力学的经验公式：Ｄ＝Ktｎ
其中：t是退火时间，而Ｋ和ｎ是与材料和温度有关的
参量。通常ｎ随退火温度的升高而增大，一般小于0.5， 只有接近熔点时才等于0.5。由此可见纯金属和单相合 金，在较低温退火时，随保温时间的延长，晶粒长大得 较慢。相反，在高温退火时，晶粒长大得较快。
过程和反常的长大过程。
4.1 正常的晶粒长大