第七章回复再结晶
合集下载
材料科学基础第七章(1)
• 7.1.2.3 内应力的变化：在回复阶段可部分消除，在再结晶阶段全部消除。
• 7.2 回复
• 7.2.1 回复过程中微观结构的变化机制：回复指冷变形金属加热时尚未发生 微米量级的组织变化前的微观结构及性能的变化过程，分低温回复，中温回 复和高温回复三种。
• 7.2.1.1 低温回复：冷变形金属在0.1Tm~0.3Tm温度范围内所产生回复称为低 温回复。低温时原子活动能量有限，主要局限于点缺陷运动。通过空位迁移 至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，空位浓度显著下降。
• 冷变形金属开始发生再结晶的最低温度称为再结晶温度。可用金相法、硬度 法和X射线衍射法测定。
• 金相法：以显微镜观察到第一个新晶粒或晶界凸出形核而出现锯齿状边缘的 退火温度为再结晶温度。
• 硬度法：以硬度-退火温度曲线上硬度开始显著降低或软化50%的温度为再结 晶温度。
• 为了便于比较和使用，通常规定冷变形量大于70%的金属在1小时内能够完成 再结晶(体积分数>0.95)的最低温度为再结晶温度。
(7-3)
• 如果将同样的冷变形金属的性能在不同温度下回复到同样程度，则有：
• c0t1exp(-Q/RT1)= ln(x0/x)=c0t2exp(-Q/RT2)
• 即： t1/t2=exp[-Q(1/T2-1/T1)/R]
(7-4)
• 此式为用实验数据导出工艺参数的依据。
• 7.2.3 去应力退火：冷变形金属在回复阶段能消除大部分内应力，又能保持 冷变形的硬化效果，因此回复也称为去应力退火。
• 图7-11是经98%强冷轧的纯铜在不同温度下的等温 再结晶动力学曲线。等温下的再结晶速度开始很
小，随再结晶体积分数φV的增大而增加，并在 0.5处达到最大，然后又逐渐减小。具有典型的形
• 7.2 回复
• 7.2.1 回复过程中微观结构的变化机制：回复指冷变形金属加热时尚未发生 微米量级的组织变化前的微观结构及性能的变化过程，分低温回复，中温回 复和高温回复三种。
• 7.2.1.1 低温回复：冷变形金属在0.1Tm~0.3Tm温度范围内所产生回复称为低 温回复。低温时原子活动能量有限，主要局限于点缺陷运动。通过空位迁移 至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，空位浓度显著下降。
• 冷变形金属开始发生再结晶的最低温度称为再结晶温度。可用金相法、硬度 法和X射线衍射法测定。
• 金相法：以显微镜观察到第一个新晶粒或晶界凸出形核而出现锯齿状边缘的 退火温度为再结晶温度。
• 硬度法：以硬度-退火温度曲线上硬度开始显著降低或软化50%的温度为再结 晶温度。
• 为了便于比较和使用，通常规定冷变形量大于70%的金属在1小时内能够完成 再结晶(体积分数>0.95)的最低温度为再结晶温度。
(7-3)
• 如果将同样的冷变形金属的性能在不同温度下回复到同样程度，则有：
• c0t1exp(-Q/RT1)= ln(x0/x)=c0t2exp(-Q/RT2)
• 即： t1/t2=exp[-Q(1/T2-1/T1)/R]
(7-4)
• 此式为用实验数据导出工艺参数的依据。
• 7.2.3 去应力退火：冷变形金属在回复阶段能消除大部分内应力，又能保持 冷变形的硬化效果，因此回复也称为去应力退火。
• 图7-11是经98%强冷轧的纯铜在不同温度下的等温 再结晶动力学曲线。等温下的再结晶速度开始很
小，随再结晶体积分数φV的增大而增加，并在 0.5处达到最大，然后又逐渐减小。具有典型的形
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。
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。
材料科学基础——回复再结晶
塑性变形对金属组织与性能的影响
4. 力学性能
强度、硬度↑ 塑性、韧性↓
加工硬化
利：提高材料强度 弊：增加变形抗力，不利于进一步加工
塑性变形对金属组织与性能的影响
5. 残余应力(remnant stress)
金属形变时，外力做功 的大部分以热的形式散 掉，只有一小部分 （10%-15%）以残余内 应力的方式储存在形变 金属中（储存能），它 随形变量加大而加大， 但占形变总功的分数却 随形变量加大而减小。
Tm（Tm为金属熔点），经过一定时间后， 就会有晶体缺陷密度大为降低的现象，新等 轴晶粒在冷变形的基体内形核长大，直到冷 变形晶粒完全耗尽为止。
0.6 mm
0.6 mm
33% cold worked brass
New crystals nucleate after 3 sec. at 580C.
a. 单个位错滑移、攀移，形成亚晶界。 b. 亚晶合并成Y结点。 c. Y结点移动，亚晶长大，完成多边形化。
多边形化
内容回顾
回复的不同阶段
形变形成位错缠结和胞状结构（如图a，b）→胞内位 错重排列和对消(如图c)→胞壁的峰锐化形成亚晶(如图 d)→亚晶长大(如图e)
低温回复（ 0.1Tm ＜ T＜0.3Tm）
晶界是有利的再结晶形核 位置，原始晶粒小，再结 晶形核位置多，有利于再 结晶；但原始晶粒小，变 形较均匀，减少形核位置， 不利于再结晶。 总体是前者影响大于后者。 原始晶粒尺寸还可能影响 形变织构，从而影响再结 晶动力学。
亚晶合并机制 亚晶蚕食机制 晶界弓出机制
再结晶核心的长大
再结晶晶核一经形成，就开始自发地长大。 晶核在畸变能的作用下，背离其曲率中心， 向畸变能较高的变形晶粒推移，直到全部形 成无畸变（或畸变很少）的等轴晶粒为止。
金属学与热处理第七章回复与再结晶
位错的攀移是通过空位扩散到位错线处来实现的， 而空位的扩散又是一种热激活过程，因此多边化的速 度随温度升高而迅速增加。
回复退火（又称去应力退火）的应用：
回复退火主要是用作去应力退火，使冷加工的 金属件在基本保持加工硬化状态的条件下，降低 其内应力，以避免变形或开裂，并改善工件的耐 蚀性。如:经冷冲压的黄铜工件、冷拉钢丝卷制弹 簧。
恢复再结晶的驱动力：塑性变形后的储存能
7－1 冷变形金属在加热时的组织 和性能变化
随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再 结晶、晶粒长大。 回复（recovery）—在较低加热温度时，变形后金属 的光学显微组织发生改变前，所产生的某些亚结 构和性能的变化过程。 再结晶（recrystallization）—经回复后的变形金属， 在加热时，纤维状晶粒通过再结晶核心的形成及 长大，变成无畸变的等轴新晶粒的过程。 晶粒长大（grain growth）— 再结晶后的金属继续加 热时，将使晶粒进一步长大的过程。
(二) 再结晶温度
再结晶温度(recrystallization temperature)： 定义：经严重冷变形（大于 70% ）的金属，在约一小时 的保温时间内能够完成再结晶（大于 95% ）的温度。 用TR(或T再)表示。 一般 TR = δTm ；Tm为熔点 工业纯金属δ＝（0.35～0.40）； 高纯金属 δ＝（0.25～0.35） 下表给出了一些金属的TR 应该注意的是：实际生产时再结晶退火温度要比再结 晶温度高出100－200℃
(2) 亚晶形核
对于变形度较大的金属,再结晶形核往 往采用这种方式。亚晶核核方式有： 1. 亚晶合并机制：在变形度大且具有高层错 能的金属中。 2. 亚晶迁移（boundary migration）机制 （也叫吞并机制）：在变形度大,而层错能 低的金属中。
回复退火（又称去应力退火）的应用：
回复退火主要是用作去应力退火，使冷加工的 金属件在基本保持加工硬化状态的条件下，降低 其内应力，以避免变形或开裂，并改善工件的耐 蚀性。如:经冷冲压的黄铜工件、冷拉钢丝卷制弹 簧。
恢复再结晶的驱动力：塑性变形后的储存能
7－1 冷变形金属在加热时的组织 和性能变化
随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再 结晶、晶粒长大。 回复（recovery）—在较低加热温度时，变形后金属 的光学显微组织发生改变前，所产生的某些亚结 构和性能的变化过程。 再结晶（recrystallization）—经回复后的变形金属， 在加热时，纤维状晶粒通过再结晶核心的形成及 长大，变成无畸变的等轴新晶粒的过程。 晶粒长大（grain growth）— 再结晶后的金属继续加 热时，将使晶粒进一步长大的过程。
(二) 再结晶温度
再结晶温度(recrystallization temperature)： 定义：经严重冷变形（大于 70% ）的金属，在约一小时 的保温时间内能够完成再结晶（大于 95% ）的温度。 用TR(或T再)表示。 一般 TR = δTm ；Tm为熔点 工业纯金属δ＝（0.35～0.40）； 高纯金属 δ＝（0.25～0.35） 下表给出了一些金属的TR 应该注意的是：实际生产时再结晶退火温度要比再结 晶温度高出100－200℃
(2) 亚晶形核
对于变形度较大的金属,再结晶形核往 往采用这种方式。亚晶核核方式有： 1. 亚晶合并机制：在变形度大且具有高层错 能的金属中。 2. 亚晶迁移（boundary migration）机制 （也叫吞并机制）：在变形度大,而层错能 低的金属中。
第7章 回复、再结晶-2
第四节
再结晶后晶粒的长大
再结晶完成后,得到细小等轴的晶粒，从 热力学角度看，晶粒长大，总的晶界面积减 少，能量降低是一个自发过程。 长大： ¾ 正常长大（连续均匀长大）：参与长大的晶粒 数量多，且分布均匀；所有晶界具有大致相同 的可动性；各晶粒尺寸差异不大，且平均尺寸 连续增大。 ¾ 异常长大（二次再结晶）：少数晶粒优先长 大，吞食周围晶粒而长成粗大晶粒。
式中：m 为比例常数，称为晶界的平均迁移率（即单位驱 动力作用下的晶界平均迁移速度）；r 为晶界的平均曲率 半径，正常长大时r≈D。 m和σ对各种金属在一定温度均可视为常数，则：
近似有： 上式表明：在恒温下，晶粒发生正常长大时，平均直径与 保温时间的平方根成线性关系。 上述关系适用：高纯度金属在高温加热保温时。在一般情 况下，时间的指数小于1/2。
1
一、正常长大 长大方式： 依靠界面移动“大吃小、凹吃 凸”，长大中界面向曲率中心方向移 动，大晶粒吞食了小晶粒，直到晶界平 直化。
2
1、晶粒长大时的晶界迁移方向和驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的迁移。 晶界迁移的驱动力：界面能的减少，与曲率有关。（界面
向曲率中心方向移动将引起晶界面积减小，降低界面能。但这 种驱动力与储存能相比是较小的，所以晶粒长大时晶界迁移速 度比再结晶时慢。）
26
3、动态回复组织特点 在伸长的晶粒内部存在许多动态回复亚晶。 动态回复亚晶粒：胞壁位错密度小，胞内位错密度也 小。 当达到稳衡态时，动态回复亚晶有如下特征： 等轴状；胞状亚晶之间的取向差保持不变；胞壁之 间距离（亚晶尺寸）保持不变；胞壁之间的位错密度 保持不变。 注意：热加工过程中的动态回复不能看成是冷加工与 静态回复的叠加。应变与回复同时出现就避免了冷加 工效果的累积，所以，形变金属不能发展成高位错密 度，而且亚晶较细。 动态回复亚晶平均尺寸d与形变温度T和变形速率ε的 关系： d∝T/ε
再结晶后晶粒的长大
再结晶完成后,得到细小等轴的晶粒，从 热力学角度看，晶粒长大，总的晶界面积减 少，能量降低是一个自发过程。 长大： ¾ 正常长大（连续均匀长大）：参与长大的晶粒 数量多，且分布均匀；所有晶界具有大致相同 的可动性；各晶粒尺寸差异不大，且平均尺寸 连续增大。 ¾ 异常长大（二次再结晶）：少数晶粒优先长 大，吞食周围晶粒而长成粗大晶粒。
式中：m 为比例常数，称为晶界的平均迁移率（即单位驱 动力作用下的晶界平均迁移速度）；r 为晶界的平均曲率 半径，正常长大时r≈D。 m和σ对各种金属在一定温度均可视为常数，则：
近似有： 上式表明：在恒温下，晶粒发生正常长大时，平均直径与 保温时间的平方根成线性关系。 上述关系适用：高纯度金属在高温加热保温时。在一般情 况下，时间的指数小于1/2。
1
一、正常长大 长大方式： 依靠界面移动“大吃小、凹吃 凸”，长大中界面向曲率中心方向移 动，大晶粒吞食了小晶粒，直到晶界平 直化。
2
1、晶粒长大时的晶界迁移方向和驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的迁移。 晶界迁移的驱动力：界面能的减少，与曲率有关。（界面
向曲率中心方向移动将引起晶界面积减小，降低界面能。但这 种驱动力与储存能相比是较小的，所以晶粒长大时晶界迁移速 度比再结晶时慢。）
26
3、动态回复组织特点 在伸长的晶粒内部存在许多动态回复亚晶。 动态回复亚晶粒：胞壁位错密度小，胞内位错密度也 小。 当达到稳衡态时，动态回复亚晶有如下特征： 等轴状；胞状亚晶之间的取向差保持不变；胞壁之 间距离（亚晶尺寸）保持不变；胞壁之间的位错密度 保持不变。 注意：热加工过程中的动态回复不能看成是冷加工与 静态回复的叠加。应变与回复同时出现就避免了冷加 工效果的累积，所以，形变金属不能发展成高位错密 度，而且亚晶较细。 动态回复亚晶平均尺寸d与形变温度T和变形速率ε的 关系： d∝T/ε
第七章 回复与再结晶用
二 显微组织变化（示意图）
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
4
第一节 冷变形金属在加热时的变化
三 性能变化 1 力学性能（示意图） 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。 2 物理性能 密度:在回复阶段变化不大， 在再结晶阶段急剧升高； 电阻：电阻在回复阶段可 明显下降。
30
第四节 晶粒长大
三 再结晶退火的组织
1 再结晶图。退火温度、变形量与晶粒大小的关系图。 2 再结晶织构:再结晶退火后形成的织构。退火可将形变织 构消除，也可形成新织构。 择优形核（沿袭形变织构） 择优生长（特殊位向的再结晶晶核快速长大） 3 退火孪晶:再结晶退火后出现的孪晶。是由于再结晶过程 中因晶界迁移出现层错形成的。
34
第五节 金属的热变形
一 动态回复与动态再结晶
1 动态回复：在塑变过程中发生的回复。（静态…) 高层错能金属（铝及铝合金、纯铁、铁素体钢等）热 加工时，螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移均较易进行， 位错很容易从结点和位错网中解脱出来而与异号位错相互 抵消，因此，亚晶中的位错密度低，剩余的储存能不足以 引起动态再结晶，动态回复是这类金属热加工中起主导作 用的软化机制。
20
第三节 再结晶
四 影响再结晶的因素
1 退火温度。温度越高，再结晶速 度越大。加热速度太低或太高，再 结晶温度提高。
2 变形量。变形量越大，再结晶温 度越低；随变形量增 大，再结晶 温度趋于稳定；在给定温度下发生 再结晶需要以一临界变形量，变形 量低于该值，再结晶不能进行。 3 原始晶粒尺寸。晶粒越小，变形 抗力越大，冷变形储存能越高，再 结晶驱动力越大；同时，晶界越多， 有利于形核。
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
4
第一节 冷变形金属在加热时的变化
三 性能变化 1 力学性能（示意图） 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。 2 物理性能 密度:在回复阶段变化不大， 在再结晶阶段急剧升高； 电阻：电阻在回复阶段可 明显下降。
30
第四节 晶粒长大
三 再结晶退火的组织
1 再结晶图。退火温度、变形量与晶粒大小的关系图。 2 再结晶织构:再结晶退火后形成的织构。退火可将形变织 构消除，也可形成新织构。 择优形核（沿袭形变织构） 择优生长（特殊位向的再结晶晶核快速长大） 3 退火孪晶:再结晶退火后出现的孪晶。是由于再结晶过程 中因晶界迁移出现层错形成的。
34
第五节 金属的热变形
一 动态回复与动态再结晶
1 动态回复：在塑变过程中发生的回复。（静态…) 高层错能金属（铝及铝合金、纯铁、铁素体钢等）热 加工时，螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移均较易进行， 位错很容易从结点和位错网中解脱出来而与异号位错相互 抵消，因此，亚晶中的位错密度低，剩余的储存能不足以 引起动态再结晶，动态回复是这类金属热加工中起主导作 用的软化机制。
20
第三节 再结晶
四 影响再结晶的因素
1 退火温度。温度越高，再结晶速 度越大。加热速度太低或太高，再 结晶温度提高。
2 变形量。变形量越大，再结晶温 度越低；随变形量增 大，再结晶 温度趋于稳定；在给定温度下发生 再结晶需要以一临界变形量，变形 量低于该值，再结晶不能进行。 3 原始晶粒尺寸。晶粒越小，变形 抗力越大，冷变形储存能越高，再 结晶驱动力越大；同时，晶界越多， 有利于形核。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。
3.影响再结晶温度的因素
(1)金属冷加工变形度 变形度δ越大，驱动力越大，发生再结晶的温度越低，当变形度达 到一程度后， 趋于一个最低温度，称为最低再结晶温度，T再min。 经验表明：T再min≈0.4T熔点， (2)金属的纯度 金属中的杂质或合金元素，尤其是高熔点成分的存在，会阻碍原子 的扩散（位错的扩散），因此再结晶温度会提高。纯度越高，再结晶温 度越低。 如：纯铁T再min =450℃；碳钢T再min =500-650℃；合金钢T再min >650700℃ (3)加热速度和保温时间 a、提高加热速度，再结晶温度升高；加热速度太低，再结晶温度也会 升高。 b、延长保温时间，再结晶温度降低 综合上述因素，再结晶退火温度一般为： T再min +100-200℃
5.分散相粒子
当合金中溶质浓度超过其固溶度后，就会形成第二相，多数情 况下，这些第二相为硬脆的化合物，在冷变形过程中，一般不 考虑其变形，所以合金的再结晶也主要发生在基体上。 当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并在颗粒周围 留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗粒周围畸变严重， 促进再结晶，降低再结晶温度； 当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生明显聚集， 因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结晶晶核的长大过 程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作用，因此使得再结晶 过程更加困难，提高再结晶温度。 间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心，促进 再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁移， 阻碍再结晶。
图 变形程度与再结晶温度的关系
3.微量溶质原子
阻碍位错和晶界的运动， 不利于再结晶。
图 合金元素对铁再结晶温度影响
4.原始晶粒尺寸
原始晶粒越小，则由于晶界较多，其变形抗力愈大， 形变后的储存能较高，因此再结晶温度降低。 此外，再结晶形核通常是在原晶粒边界处发生，所以 原始晶粒尺寸愈小，形核率越大。
§7.2.2 回复机理
0.1<T/Tm<0.3,低温回复; 0.3<T/Tm<0.5,中温回复; T/Tm>0.5,高温回复。 （1）低温回复（0.1-0.3Tm）
变形金属在较低温度下加热时所发生的回复过程称为低温回复。
此时因温度较低，原子活动能力有限，一般局限于点缺陷的运动，通 过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，使冷变形过程中 形成的过饱和空位浓度下降。对点缺陷敏感的电阻率此时会发生明显 下降。 回复的机制主要是过剩空位的消失，趋向于平衡空位浓度。 移至晶界位错处 点缺陷运动 空位＋间隙原子 消失，缺陷密度降低 空位聚集（形成空位群空位对）
图 晶界弓出形核
2.亚晶合并机制
某些取向差较小的相邻亚晶界上的位错网络通过解离、 拆散并转移到其它亚晶界上，导致亚晶界的消失而形成 亚晶间的合并，同时由于不断有位错运动到新亚晶晶界 上，因而其逐渐转变为大角度晶界。
图 亚晶合并形核机制
3.亚晶蚕食机制
某些取向差较大的亚晶界具有较高的活性，可以直接吞食周围亚晶， 并逐渐转变为大角晶界，实际上是某些亚晶的直接长大。 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。
§7.3.6 再结晶的应用
恢复变形能力 改善显微组织 消除各向异性 提高组织稳定性
பைடு நூலகம்
位错滑移
位错密度降低
（3）高温回复 （>0.5Tm）
• 变形金属在较高温下，变形金属的回复机制主要与位错的攀移运 动有关。这时同一滑移面上的同号刃型位错在本身弹性应力场作 用下，还可能发生攀移运动，最终通过滑移和攀移使得这些位错 从同一滑移面变为在不同滑移面上竖直排列的位错墙，以降低总 畸变能。 • 回复机制是包括攀移在内的位错运动和多边化，以及亚晶粒合并。 • 位错攀移（＋滑移） 位错垂直排列（亚晶界） 多边化（亚晶粒） 弹性畸变能降低.
（2）中温回复（0.3-0.5Tm）
• 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， 在内应力作用下开始滑移，部分异号位错发生抵消，因此位错密度略 有降低。 • 其主要机制是位错滑移导致位错重新组合；异号位错汇聚而互相抵消 以及亚晶粒长大。 异号位错相遇而抵销 位错缠结重新排列 亚晶粒长大
§7.3.23 再结晶温度及其影响因素
1 再结晶温度：经严重冷变形（变形量>70%）的金属或合金， 在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数>95%）最低温度。
2 经验公式：
高纯金属： 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。
图 低碳钢变形度及退火 温度对再结晶晶粒大小的影响
3.原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒度越细，再结晶后的晶 粒也越细。 4.合金元素与杂质 一般均起细化晶粒的作用
再结晶晶粒大小的控制
1 变形量。存在临界变形量，生产中应避免临界变形量。 2 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大，形核位臵越多， 使晶粒细化。 3 合金元素和杂质。增加储存能，阻碍晶界移动，有利于 晶粒细化。 4 温度。变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶 粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大。
图 亚晶蚕食机制
再结晶的长大：
形核之后，无畸变核心与周围畸变的旧晶粒之间的畸 变能差是核心长大的驱动力，当各个新晶粒彼此接触，原 来变形的旧晶粒全部消失时，再结晶过程即告完成。
驱动力：畸变能差 界面移动方向：背离界面曲率中心 方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新晶粒相互接触。 注：再结晶不是相变过程。
1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％）变 形功。
弹性应变能（3～12％） 位错（80～90％） 点缺陷
2 存在形式
驱动力
3 储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储 存能得以释放。
图 冷变形金属退火时某些性能的变化
§7.1.3 性能变化
硬度、强度的变化 回复阶段的硬度、强度变化很小，而再结晶阶段 则下降较多。 塑性的变化 塑性提高，再结晶阶段提高明显，晶粒长大时若粗化严 重，塑性降低。 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。 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。
①回复过程在加热后立刻 开始，没有孕育期； ②回复开始的速率很大， 随着时间的延长，逐渐降 低，直至趋于零； ③加热温度越高，最终回 复程度也越高； ④变形量越大，初始晶粒 尺寸越小，都有助于加快 回复速率。
实验表明，短时间回复时，其激活能与空位迁移澈 活能相近，长时间回复时，其激活能与铁的自扩散 激活能相近。 在回复的开始阶段，其主要机制是空位的迁移，而 在后期则以位错攀移机制为主。
第二节 回复
§7.2.1 回复动力学
m r R m 0 r 0 1 R m 0
m : 冷变形后的屈服强度 r：冷变形后经不同规程回火后的屈服强度 0：纯铁充分退火后的屈服强度
R：屈服应力回复率 1 R：剩余加工硬化分数
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
图 回复过程中的位错攀移与滑移
图 位错在多边化过程中重新分布
§7.2.3 回复后金属的性能变化
①低温回复：物理性能变化：电阻率下降；力学 性能几乎不变化 ②中温回复：第一类残余应力消除，尺寸稳定， 抗蚀性增加； 机械性能基本不变。 ③高温回复：物理化学性能完全回复，强度降低， 塑性改善，但是改善程度不明显。
形核： 亚晶长大形核机制 （变形量较大时） 亚晶合并形核 亚晶界移动形核（吞并其它亚晶或变形部分） 晶界凸出形核（变形量较小时） 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向
1.小变形量的晶界弓出形核机制
对于变形程度较小的金属（一般小于40%），再结晶晶核往往采用 弓出形核机制生成。 一般发生在形变较小的金属中，变形不均匀，位错密度不同
经冷塑性变形的金属,通过适当的加热和保温将发生一系 列组织、性能的变化。 根据其显微组织及性能的变化情况，可将这种变化分为 三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。
图 冷变形金属退火晶粒形状大小变化
第七章 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变形以前的过程。 再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部 新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效 应完全消除的过程。
第一节 形变金属及合金在退火过程中的变化
§7.1.1 显微组织的变化
在回复阶段，与冷变形状态相比，光学金相组织中几乎没 有发生变化，仍保持形变结束时的变形晶粒形貌； 在再结晶开始，首先在畸变较大的区域产生新的无畸变的 晶粒核心，然后通过逐渐消耗周围变形晶粒而长大，转变 成为新的等轴晶粒，直到冷变形晶粒完全消失； 最后，在晶界界面能的驱动下，新晶粒会发生合并长大， 最终会达到一个相对稳定的尺寸，这就是晶粒长大阶段。
§7.3.4 影响再结晶的因素 1.退火温度
加热温度越高，再结晶转 变速度越快，完成再结晶 所需时间越短。
图 同一变形度的Fe在不同 温度等温退火后的再结晶曲线
2.变形程度
金属的冷变形程度越大， 其储存的能量亦越高，再 结晶的驱动力也越大，因 此再结晶温度随变形量增 加而降低。 变形量越大，再结晶温度 越低；随变形量增大，再 结晶温度趋于稳定；变形 量低于一定值，再结晶不 能进行。