金属热加工原理(1)
金属加工的原理与机制
金属加工的原理与机制金属加工是一种将原材料加工成零部件或成型件的过程，这种过程涉及到很多的原理和机制，其中包括材料工程学、力学、热力学、金属物理学等知识。
在这篇文章中，我们将探讨金属加工的原理与机制，希望能对相关领域的研究和应用有一定的指导和启示。
一、金属加工的原理金属加工的原理主要涉及到材料的塑性变形和硬度提高等方面的知识。
这些知识为金属加工的实现和发展奠定了坚实的基础。
下面我们分别来介绍一下。
1. 材料的塑性变形金属加工的首要任务是实现材料的塑性变形。
塑性变形是指在保证材料完整性和不破坏其模样的前提下，通过外力作用引起材料原子间的平移和滑移从而使材料发生形变。
这种变形实现的关键是材料原子间的相互作用和自由路径的长度。
在金属原子间相互作用的过程中，电子的贡献是不可或缺的，电子通过原子之间的共价键对材料的塑性变形起到关键作用。
在材料加工的过程中，通过应力的作用和外界能量的加入来改变材料的原子结构，从而实现材料的塑性变形。
2. 硬度提高材料的硬度与其塑性很有关系。
维氏硬度是衡量金属硬度指标中较为普遍的一种，其硬度的大小反映材料的抗压性能。
硬度提高有多种方法，由于本文主要讲述金属加工的原理和机制，以下仅介绍与之相关的方法。
其中包括：（1）冷加工硬化：即在低温环境下进行加工，使材料的组织细化。
细小的组织使金属变硬，从而提高其硬度。
（2）热处理硬化：通常是在高温环境下对材料进行加工，使材料的原子结构得到改善，并且通过控制加工温度和时间，可以使材料硬度得到提高。
3. 塑性加工原理塑性加工原理是指通过机械作用和限制策略来实现材料的塑性变形。
在制造热镀锌管这种塑性加工加工过程中，操作人员需要将热加工的截面固定在机器上进行加工处理。
在这个过程中，通过外力的作用，金属原子之间发生了平移和滑移，并且受到限制的位置也会对材料的形变和变形进行控制。
通过这种方法可以实现材料的修整、成型等目的。
4. 金属成形原理金属成形原理是指通过机械作用和工艺策略来实现材料的成形。
材料热加工原理
材料热加工原理材料热加工是指通过加热和变形来改善材料的性能和形状的加工方法。
热加工可以使金属材料变得更加柔软，易于加工，同时也可以改变材料的组织结构和性能，使其具有更好的力学性能和耐磨性。
在工程领域中，热加工是一种常见的加工方法，它广泛应用于铸造、锻造、热轧、热挤压等工艺中。
热加工的基本原理是利用高温对金属材料进行加热，使其达到一定的塑性，然后通过外力使其发生塑性变形，从而改变其形状和性能。
热加工的原理主要包括以下几个方面：1. 材料的塑性变形。
在高温下，金属材料的塑性会大大增加，这是因为高温可以使金属晶粒的结构发生变化，使其形成一种较为柔软的状态，从而使得金属材料更容易发生塑性变形。
在热加工过程中，金属材料会受到外力的作用，从而发生塑性变形，改变其形状和性能。
2. 材料的组织结构变化。
在热加工过程中，金属材料的组织结构也会发生变化。
在高温下，金属材料的晶粒会发生再结晶，从而使其晶粒尺寸变大，晶界移动，晶粒形状发生变化，这些都会影响材料的性能。
通过控制热加工过程中的温度、变形速率等参数，可以使金属材料的组织结构得到精细化和均匀化，从而提高材料的力学性能和耐磨性。
3. 热加工的应用。
热加工广泛应用于金属材料的加工和制造过程中。
例如，在铸造过程中，通过对金属熔体进行热处理，可以使其达到一定的流动性，从而便于铸造成型；在锻造过程中，通过对金属坯料进行加热，可以使其变得更加柔软，从而便于进行塑性变形；在热轧和热挤压等工艺中，也需要对金属材料进行加热处理，以便于进行变形加工。
总之，材料热加工是一种重要的加工方法，通过控制热加工过程中的温度、变形速率等参数，可以使金属材料的组织结构得到精细化和均匀化，从而提高材料的力学性能和耐磨性。
在工程领域中，热加工被广泛应用于铸造、锻造、热轧、热挤压等工艺中，为材料加工和制造提供了重要的技术支持。
金属的热加工
铸造
❖ 定义
熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得 一形状、尺寸、成分、组织和性能金属零件或毛坯的液态成 形方法。
❖ 特点
适应性强、成本较低、铸件组织性能较差、工序较多
❖ 分类 （1）砂型铸造
（2）特种铸造
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砂型铸造
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回火是指将淬火钢件重新加入到适当温度，保温一定时 间后进行冷却的热处理工艺。
回火的目的是使钢的组织趋于稳定，降低钢的脆性，提 高韧性与塑性，消除或者减少淬火应力，稳定钢的形状与尺 寸，防止淬火零件变形和开裂，高温回火还可以改善切削加 工性能。
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回火
据回火根加热温度的不同，回火可分为三种
1.退火 退火是将钢加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却（一般随
炉冷却）的热处理工艺。 退火的主要目的是降低硬度、消除内应力、改善组织和性能，为后续的机
械加工和热处理围
消除中碳钢铸、锻件组织缺陷。
改善高碳钢工件（如刀具、量具、模具等）加工性能
去应力退火 取出大型铸、锻件内应力
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二.表面热处理
表面热处理是指仅对工件表面进行热处理以 改变其表层组织和性能的热处理工艺。表面热处 理只对一定深度的表层进行强化，而心部的组织 和性能基本保持不变。处理后的工件表面可获得 高的硬度和耐磨性，而心部则具有足够的强度和 韧性。
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1.感应加热表面淬火热处理
工程材料及热加工—钢的热处理原理
一、概述 二、钢的热处理原理
一、概述
1、定义： 将钢在固态下通过不同的加热、保温、冷却来改变金属 整体或表层的组织，从而改善和提高其性能的一种热加工 工艺。 工艺曲线：
2、目的： • 充分发挥材料的性能潜力。 • 调整材料的工艺性能和使用性能。
3、分类： • 普通热处理：整体穿透加热 • 表面热处理：表层的成分、组织、性能 • 特殊热处理：形变热处理、真空热处理
⑶ 马氏体型转变 • 定义：是指钢从奥氏体状态快速冷却(即淬火)而发生的无扩散型相变， 转变产物称为马氏体，马氏体是碳溶于α-Fe中的过饱和间隙式固溶体， 记为M。 • 转变特点：⑴无扩散性： ⑵降温转变: 过冷奥氏体向马氏体转变的开始温度用Ms 表示。而马氏体转变的终了温度用Mf表示。马氏体转变量是在Ms~Mf 温度范围内，通过不断降温来增加的。由于多数钢的Mf在室温以下， 因此钢快冷到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在，称之为残余奥氏 体，记为Ar。 • 组织形态：钢中马氏体的形态很多，其中板条马氏体和片状马氏体最 为常见。 ⑴板条马氏体: 低碳钢＜0.2﹪中的马氏体组织是由许多成群的、相互平 行排列的板条所组成，故称为板条马氏体。板条马氏体的亚结构主要 为高密度的位错，故又称为位错马氏体。
二、钢的热处理原理
1、钢的临界温度 铁碳合金相图中组织转变的临界温度A1、A3、Acm 是在极其缓慢的加热和冷却条件下测定的。而在热处理中， 加热和冷却并不是极其缓慢的，和相图的临界温度相比发 生一定的滞后现象，也就是通常所说的需要有一定的过热 和过冷，组织转变才能充分进行。与相图上A1、A3、Acm 相对应，通常把实际加热时的临界温度用Ac1、Ac3、 Accm 表示，把实际冷却时的临界温度用Ar1、Ar3、Arcm 表示。
机械零件冷加工热加工原理
机械零件冷加工热加工原理机械零件的冷加工和热加工是机械制造中常用的两种加工方法，它们各自具有不同的工作原理和特点。
一、冷加工原理冷加工是指在常温下进行的加工过程，最常见的冷加工方法包括冷轧、冷拔和冷冲压等。
1.冷轧：冷轧是指将热轧钢板或钢带进行压下加工，以减少其厚度并改善表面质量。
冷轧一般使用的设备是冷轧机，其工作原理是通过两个或多个辊轮的转动，将钢板或钢带压下，使其产生塑性变形。
冷轧可以改变材料的力学性能、尺寸精度和表面质量，广泛应用于制造汽车、家电和建筑材料等领域。
2.冷拔：冷拔是指将金属材料通过钢筛或模具加工，使其产生塑性变形，并减小其截面积。
冷拔一般使用的设备是冷拔机，其工作原理是将金属材料塞入钢筛或模具中，然后通过拉拽或压制的方式进行加工。
冷拔可以改善金属材料的尺寸精度和表面光洁度，常用于制造轴类零件、螺纹和弹簧等。
3.冷冲压：冷冲压是指使用模具将金属材料通过冲击或剪切的方式进行形状加工。
冷冲压一般使用的设备是冲压机，其工作原理是通过将模具上的冲头施加压力，将金属材料冲击或剪切成所需形状。
冷冲压可以高效地生产各种形状复杂的零件，广泛应用于汽车、电子和机械制造等领域。
热加工是指在高温下进行的加工过程，最常见的热加工方法包括热轧、热冲压和热处理等。
1.热轧：热轧是指将金属材料加热至一定温度，然后通过辊轧机进行加工。
热轧的工作原理是通过将金属材料送入热轧机中，让辊轮的转动将其压下，并以高温软化的状态，使其产生塑性变形。
热轧可以提高金属材料的塑性，消除内应力，提高抗拉强度和韧性，常用于制造钢板、钢管和铝合金轧制材料等。
2.热冲压：热冲压是指在金属材料加热至一定温度后，使用模具将其冲击或剪切成所需形状。
热冲压的工作原理和冷冲压类似，只是加工过程中使用的金属材料处于高温状态。
热冲压可以提高金属材料的塑性，改善加工性能，并且能够加工更高硬度的金属材料。
3.热处理：热处理是指将金属材料加热至一定温度后，进行一系列的冷却或保温处理，以改善其组织结构和性能。
金属热加工原理
金属材料与热加工基础试题填空题；金属中常见的晶格类型有哪三种；1、体心立方晶格2、面心立方晶格3、密排立方晶格金属有铬、钨、钼、钒、及&铁属于（体心立方晶格）金属有铜、铝、银、金、镍、y铁属于（面心立方晶格）金属有铍、镁、锌、钛等属于（密排立方晶格）金属的晶体缺陷：按照缺陷的几何特征，一般分为以下三类：1.空位和间隙原子（点缺陷）2.位错（线缺陷）3.晶界和亚晶界（面缺陷）金属结晶后的晶粒大小：一般来说，在常温下细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。
工业中常用以下方法细化晶粒1.增加过2.变质处3.附加振动4.降低浇注速度二元合金的结晶过程二元合金相图的基本类型有匀晶相图、共晶相图、包晶相图、共析相图等。
铁碳合金在固态下的基本相分为固溶体与金属化合物两类。
属于固溶体的基本相有铁素体和奥氏体，属于金属化合物的有渗碳体。
1.铁素体(F)碳溶入&铁中的间隙固溶体称为铁素体，2.奥氏体（A）碳溶入y铁中的间隙固溶体称为奥氏体，3.渗碳体（Fe3C）铁与碳组成的金属化合物称为.渗碳体，第四章铁碳合金相图根据相图中S点碳钢可以分为以下几类1.共析钢（含碳量小于0.0218%）的铁碳合金，其室温组织为铁素体。
2亚共析钢（含碳量等于0.0218%到2.11%）的铁碳合金，其室温组织为珠光体+铁素体。
3过共析钢（含碳量等于0.77%到2.11%）的铁碳合金，其室温组织为+二次渗碳第五章钢的热处理一般加热时的临界点用Ac1、Ac3、Accm来表示；冷却时的临界点用Ar1、Ar3、Arcm来表示。
共析碳钢的过冷奥氏体在三个不同的温度转变，可发生三种不同的转变：珠光体型转变、贝氏体型转变、马氏体型转变。
珠光体型转变有区别起见，又分为珠光体、索氏体、和托氏体三第二节金属的塑性变形单晶体的塑性变形的方式有两种：滑移和孪生（孪晶），而滑移是单晶体塑性变形的主要方式。
多晶体的塑性变形的方式有两种：晶内变形和晶间变形。
机械热加工的工作原理
机械热加工的工作原理机械热加工是一种常见的金属加工方法，通过对金属材料进行高温加热和塑性变形，使其形成所需形状和尺寸的工件。
本文将介绍机械热加工的工作原理，包括加热和塑性变形两个方面。
一、加热原理机械热加工的第一步是对金属材料进行加热。
加热的目的是提高材料的温度，使其达到塑性变形所需的温度范围，并改变其内部组织结构。
加热有以下几种常见的方式：1. 火焰加热：通过燃烧燃气和空气产生的火焰将热能传递给金属材料，提高其温度。
2. 电阻加热：利用电阻加热设备通过电流产生的热量，将热能传递给金属材料。
3. 感应加热：通过磁场感应生成涡流，使金属材料发热，并提高其温度。
4. 焊接加热：在焊接过程中，焊接电弧或激光束的热能将金属材料加热至熔化或塑性变形温度。
二、塑性变形原理一旦金属材料被加热到塑性变形温度，就可以进行塑性变形。
在机械热加工过程中，常用的变形方式包括：1. 锻造：将金属材料置于锻模中，通过冲击或挤压等方式施加力量，使其在高温下变形成所需形状。
2. 轧制：将金属材料通过一对或多对辊筒进行挤压，改变其截面形状和尺寸。
3. 拔丝：将金属材料通过模具的孔径拉伸，使其形成细长的丝状工件。
4. 挤压：将金属材料放置在某种形状的模具中，通过施加压力使其在模具孔口中变形。
在塑性变形过程中，金属材料受到外力作用，原子之间的结合力被破坏，从而使原子重新排列，形成新的晶体结构。
这种晶体结构的变化使材料的性能得到改善，如提高强度、硬度和耐磨性等。
总结：机械热加工的工作原理包括加热和塑性变形两个方面。
加热过程通过火焰加热、电阻加热、感应加热和焊接加热等方式提高金属材料的温度。
塑性变形过程通过锻造、轧制、拔丝和挤压等方式改变金属材料的形状和尺寸。
在塑性变形过程中，金属的晶体结构发生变化，从而改善了材料的性能。
机械热加工是一种广泛应用于金属加工中的重要方法，它可以制造出各种复杂形状和高精度的金属工件。
金属热处理原理与工艺
金属热处理原理与工艺金属热处理是指对金属材料进行加热处理来改变其组织结构和性质的一种方法。
这种方法可以通过控制加热温度和保温时间等参数来实现不同的处理效果。
金属热处理可以改善金属的硬度、强度、韧性、延展性、耐磨性、耐腐蚀性等性能，从而满足不同的工业应用需求。
金属热处理的原理金属热处理的原理基于金属的组织结构和性质随温度的变化而变化。
当金属材料受到热加工时，温度升高会导致金属晶粒的尺寸增加，晶粒之间的间距变大，这使得金属的塑性和韧性增加。
而当金属材料受到冷加工时（如锻造、轧制），由于冷加工过程中金属材料处于冷却状态，因此晶粒不会发生明显的变形，而是保持原来的晶粒组织。
这种组织结构会使金属变得更加硬而脆，但相应的韧性和延展性会降低。
金属热处理的工艺金属热处理的工艺包括加热、保温和冷却等步骤。
根据不同的处理效果，这些步骤的温度和时间可以做出相应的调整。
以下是几种常见的金属热处理方法：1. 灭火处理：灭火处理是指将金属加热至高温后迅速冷却至室温的处理过程。
这种处理可以改变金属的组织结构，从而提高其硬度和强度。
灭火处理通常适用于需要较高硬度和强度的金属制品。
2. 固溶处理：固溶处理是指将金属加热至一定温度后进行保温，使固态的金属中的固溶体中的扰动原子可以逸出到基体里。
这种处理可以改变金属的组织结构，从而提高其韧性和延展性。
固溶处理通常适用于需要具有良好机械性能和耐腐蚀性的金属制品。
3. 时效处理：时效处理是指将金属加热至一定温度进行保温，然后迅速冷却后再进行再加热保温的过程。
这种处理可以使金属的晶粒长大并沉淀出一些固相化合物，从而提高金属的强度和硬度。
时效处理通常适用于需要高强度和高韧性的金属制品。
4. 钝化处理：钝化处理是指将金属制品加热至一定温度后，在空气或氧化性环境中，使其表面形成一层韧性较强的氧化皮。
这种处理可以使金属制品具有较好的耐腐蚀性。
金属热处理是一种重要的金属加工工艺，可以通过控制加热温度、保温时间和冷却速率等参数来实现不同的处理效果，以满足不同的工业应用需求。
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取对数推导得出： 12.3RlgA2.3Rlgt
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• 再结晶温度并不是一个确定的物理常数，它随许多因素而 改变。
• 再结晶有开始发生的温度和完成的温度之分，工程上所说 的再结晶温度是指完成再结晶的温度。
• 再结晶温度定义：经过严重冷变形的金属（ε>70%）保温 1h再结晶完成95%所对应的温度
§11-8 再结晶
一、再结晶过程的特征
再结晶是一种形核和长大的过程。靠原子的扩散进行。 冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶 段发生的。
特点： 1、组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒； 2、力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧下降，塑性迅速升
高，应变硬化全部消除，恢复到变形前的状态； 3、变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应力（点阵畸变）
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弓出形核的能量条件是弓出晶界移动造成相应界面能 上升和体积自由能降低。
AB为两个不同位错密度区的边界（大角度晶界），两 区域的单位体积自由能差为ΔGv。若AB向高密度位错 晶粒（Ⅱ）弓出ΔV的体积，形成无畸变新晶核，相应 增加晶界面积ΔA
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• 这一过程体系的自由能变化
ΔG=-ΔGv·ΔV+γ·ΔA 导出形核过程自发进行的热力学条件为
消除，位错密度明显降低。
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二、再结晶的形核
由于再结晶形核的区域不同，形核方式有：亚晶粒合并形核， 亚晶粒长大形核，凸出形核。
1、亚晶粒合并形核
相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度，位 错发生攀移和滑移并入到邻近的晶界中。这样两个亚晶粒就合并 成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行。
XR=1-exp（-Btk）
式中B、k均为系数，可由实验确定
上式推导可得出： lg(ln1 )lgBklgt 1XR
金属的再结晶时一个热激活过程，再结晶速度V再与温度T关系如下：
V再=A*exp(-QR/RT)
V再与产生一定量再结晶体积分数所需的时间t成反比，则：
1/ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ=A′*exp(-QR/RT)
ΔGv<-γΔA/ΔV 其中γ为晶核单位面积的界面能
• 晶核为球形，则 ΔA/ΔV=2/R（R为球半径）
晶界弓出的能量条件变成
ΔGv<-2γ/R 球半径的最小值为Rmin=L，此时晶界弓出的最大阻力为2γ/L • 晶核继续长大时，体系自由能下降，过程自发进行。因此， R=L为再结晶的临界晶核尺寸，晶界弓成半球形之前的一段 时间为再结晶形核的孕育期
• 再结晶动力学是研究再结晶过程的速率问题，即建立再 结晶体积分数和形核率、长大速率以及时间之间的关系。
（1）具有S形特征，存在孕育期
（2）再结晶速率开始时很小，然后逐渐加快，再结晶体积分数约为
0.5时，速度达到最大值，随后逐渐减慢
（3）温度越高，转变速度越快 编辑ppt
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恒温再结晶时的形核率是随时间增长而衰减的。当形核率I随时间 呈指数关系衰减时，用阿弗拉密方程来描述恒温再结晶。即：
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2、变形程度
变形程度越大，储能越多， 再结晶驱动力越大，因此变形 程度越大，再结晶速度越快。
3、材料的纯度
微量的溶质原子对再结晶影 响巨大。
溶质或杂质原子偏聚在位错和晶界处，对位错的运动和晶界 的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶，使再结晶温度升高。
例如，纯铜50%再结晶的温度为140ºC，加入0.01%Ag后升高到 205ºC，若加入0.01%Cd（镉）后升高到305ºC。
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4、原始晶粒尺寸
其他条件相同时，原始晶粒越细，冷变形抗力越大，变形后 储存能越多，再结晶温度越低。
同样变形度，原始晶粒越细，晶界总面积越大，可供再结晶 形核的地方越多，形核率高，再结晶速度快。
5、第二相粒子
根据粒子尺寸和间距的大小，可分为二种情况：
1）粒子较粗大，间距较远——促进再结晶
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高密度位错区域
• 再结晶晶核形成之后，晶核借界面的移动向周围畸变区长大， 这个界面移动的驱动力仍然是储能，即无畸变新晶粒与周围畸 变的旧晶粒之间的应变能差
• 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，此时的晶粒大小即为“再结晶的初始晶粒度”
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三、再结晶动力学
• 对于工业纯的金属，其起始再结晶温度与熔点之间存在下 列关系： T再= (0.3~0.4)T熔
式中T熔温度是指绝对温度 • 不适用于合金和高纯（纯度高于99.99%）金属
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四、影响再结晶的因素
1、温度
加热温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结 晶组织需要的时间越短。
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五、再结晶后晶粒大小
再结晶后的晶粒呈等轴状，其大小受多种因素的影响，主要 有变形度、退火温度、退火时间、杂质及合金成分等。
上面讨论的影响再结晶的因素，凡是促进再结晶的都会使再 结晶晶粒尺寸变得更大。下面再对变形度的影响讨论一下。
原因：粒子对位错运动、亚晶界迁移的阻碍作用小；另一方
面，加速再结晶形核。
2）粒子细小，间距小——阻碍再结晶
原因：粒子阻碍位错运动和亚晶界迁移，使亚晶粒生长减慢
或停止，就阻碍了再结晶的形编辑核pp与t 长大。
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例如，钢中加入少量的V, Ti, Nb, Zr, Al时，可生成弥散分布的 化合物，其尺寸、间距都很小，都会提高钢的再结晶温度。所 以，含有这些元素的钢一般都有较高的使用温度。
由于变形大，位错密度高，亚晶界曲率大，易于迁移。亚晶界 迁移过程中清除并吸收其扫过亚晶的位错，使迁移亚晶界的位错 增多，变成大角度晶界。当尺寸超过临界晶核时就成了再结晶的 核心。
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3、弓出形核
当冷变形量较 小时，再结晶在 原晶界处形核。
对于多晶体，不同晶粒的变形 程度不同，变形大的位错密度高， 畸变能高；变形小的位错密度低， 畸变能低。低畸变区向高畸变区 伸展，以降低总的畸变能。
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这种形核方式一般出现在冷变形量很大的金属中。通过再结晶 前多边化形成较小的亚晶，亚晶界曲率不大，不易迁移，但某些 亚晶界中的位错可通过攀移和滑移而迁移走，使亚晶界消失，亚 晶合并。
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2、亚晶粒迁移形核
当变形量很大时，较大的无应变亚晶（多边化时产生）为基础 直接长大，吞食周围的亚晶，亚晶界向周围迁移。