《金属学原理》之“再结晶”部分-疑难解析
第4章金属的塑性变形与再结晶剖析
第4章金属的塑性变形与再结晶§4-1 金属的塑性变形塑性变形是金属材料的一个重要性能，也是金属的一种加工方法。
大多数金属材料都具有良好的塑性变形能力，所以获得广泛应用。
塑性变形不仅可以改变金属的外型，而且能改变金属的内部组织和结构。
为了消除塑性变形带来的不利影响，在加工之后或加工过程中，通常对材料加热，使其内部组织发生回复和再结晶过程。
一、单晶体金属的塑性变形弹性变形—晶格发生弹性伸长或歪扭塑性变形—晶粒被拉长或压扁，变形不可恢复塑性变形和断裂—随着应力的增大，当超过强度极限，试件开始不均匀塑性变形，出现“颈缩”到K点后发生断裂。
单晶体塑性变形的基本方式有两种：1 滑移金属中晶体的一部分相对另一部分，沿着一定的晶面发生相对的滑动位移现象。
⑴滑移带：滑移后滑移面产生高低不一的台阶，实际由滑移线组成。
滑移沿晶体中原子排列密度最大的晶面和晶向进行{体心立方晶格（110）晶面、[111]晶向}，因为它们之间的距离最大，原子结合力最弱，滑移阻力小。
⑵滑移系：一个滑移面和一个滑移方向组成一个滑移系。
体心、面心立方晶格有12个滑移系（6×2、4×3），密排六方有三个（1×3），面心比体心立方晶格的金属塑性变形更好，因为滑移方向对滑移起的作用比滑移面大。
⑶滑移临界切应力：滑移与正应力无关，与切应力有关，使滑移开动的最小切应力为临界切应力。
⑷滑移时晶体的转动：滑移时晶体以滑移面的法线为转轴转动，滑移方向与最大切应力方向趋于一致。
⑸滑移机理：滑移是位错移动的结果，不等于刚性移动。
滑移是在切应力作用下位错沿滑移面的运动。
最初人们认为晶体的两部分做整体滑动，按刚性计算的切应力值比实际测到的大几个数量级。
2 孪生金属晶体的一部分相对一定晶面（孪生面）沿一定方向（孪生方向）发生切变，切变部分叫孪生带简称孪晶。
孪晶面两侧晶体形成镜面对称。
孪生引起晶格变化，同样与切应力有关。
容易发生滑移的（体心、面心立方）晶格，不容易发生孪生。
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
(三)孪生
• 在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定 晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程称 孪生。
• 发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶。孪晶 与未变形部分晶体原子分布形成对称。
• 孪生所需的临界切应力比滑移的大得多。孪生只在滑 移很难进行的情况下才发生。体心立方晶格金属（如 铁）在室温或受冲击时才发生孪生。而滑移系较少的 密排六方晶格金属如镁、锌、镉等, 则比较容易发生 孪生。
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
细晶强化是金属一种很重要的强韧化手段：
❖晶粒越细，金属的变形 越分散，减少了应力集中， 推迟裂纹的形成和发展， 使金属在断裂之前可发生 较大的塑性变形，因此使 金属的塑性提高。 由于 细晶粒金属的强度较高， 塑性较好，所以断裂时需 要消耗较大的功，因而韧 性也较好。
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
二、多晶体的塑性变形
工程上使用的金属绝大部分是多晶体。多晶体中 每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同。但由于 多晶体材料中，各个晶粒位向不同，且存在许多 晶界，因此变形要复杂得多。
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
• 多晶体中每个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面 和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软 位向), 另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应 力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移 时，软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆 积时，其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒 分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
• 第二个要注意的问题是 晶界的影响。晶界是原 子排列不规则的地方， 它对位错的移动有阻碍 作用，要想使位错通过 晶界，外界必须对它施 加更大的力，所以材料 的强度提高了。
6-金属的塑性变形和再结晶
(二）物理性能变化
除了机械性能的变化，金属材料的理化性能也 有所变化。 例：金属的电阻有所增大 ，抗蚀性降低 。
（三） 显微组织的变化
1、晶粒形态变化 晶粒沿加工方向拉长。金属性能 强度和塑性纵向远大于横向。 2、亚结构形成 位错在晶界附近堆积并相互缠结， 使晶粒破碎转变成亚晶粒结构 。 3、产生织构 当变形量非常大时，晶粒拉长严重变为纤维状。 这种纤维状组织称为织构。织构产生各向异性，导致 “制耳”。 （但有时也可利用：如变压器芯） 注意：这种各向异性，是伪各向异性。是多晶粒的位 向趋同造成的。
900℃
真应变
三、热加工后的组织和性能
经过热加工后，可以把铸态金属中粗 1、细化晶粒： 大的枝晶、枝状晶以及夹杂物破碎为细小的晶粒，从 而使晶粒细化。提高强度和韧性。 通过热加工，可使铸态金属中的 2、提高致密度： 气孔焊合，提高致密度。提高强度和韧性。 3、形成流线： 热加工还可以改变铸态金属中的成分 偏析和夹杂物的分布，使原来沿着树枝晶分布的偏析 元素和夹杂物发生改变，而使它们沿变形方向线形分 布，形成在宏观检测时通常所称的“流线”。流线使 金属的机械性能出现明显的各向异性，与流线平行方 向的强度、塑性和韧性明显地大于垂直方向的相应性 能。
第二章 金属的塑性变形和再结晶
铸态金属：
铸锭（组织粗大、不均匀、 不致密、偏析）
铸件
工业上的金属材料大多数要在浇注为铸锭后经过 冷热压力加工而发生塑性变形后再使用。 改变外形 压力加工（水压 焊合孔洞 可塑性 原因： 机、锻打、轧制） 晶粒细化 零件毛坯 加热 改善晶粒的大小、 改善 再结晶─→形态、分布 等 性能 型材。
2、 晶粒取向对塑性变形的影响 某些取向何时的晶粒， 其分切应力有可能先满足的 临界切应力条件而产生滑移。 这些晶粒的取向称为“软位 向” 反之谓“硬位向”。 多晶体的塑性变形总是 逐批滑移，从不均匀变形逐 步发展到比较均匀的变形。
3 第三章 金属的结晶、变形与再结晶
§5.1 金属材料的塑性变形特征
金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。
因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒
数目也越多，变形越均 匀，使在断裂前发生较 大的塑性变形。强度和 塑性同时增加，金属在 断裂前消耗的功也大， 因而其韧性也比较好。
应变
脆性 材料
塑性材料
§5.1 金属材料的塑性变形特征
图5－4 铸锭表面树枝晶
n=2C-1
C-晶粒度级别
n-晶粒度，为显微镜放大100倍时，645。16mm2面积内的晶粒数；
ZV=0.9(N/G)3/4 ZS=0.9(N/G)3/4
铸件晶粒大小的控制
ZV=0.9(N/G)3/4
ZS=1.1(N/G)1/2
过冷度对形核率和生长速度的影响
图5－6 铸锭组织
Cu-Ni合金成分与性能关系
§5.1 金属材料的塑性变形特征
2. 多相合金的塑性变形与弥散强化
合金的塑性变形除与合金基体的性质有兲外，还与
第二相 (纯金属、固溶体 或化合物，工业合金中 第二相多数是化合物)的 性质、形态、大小、数 量和分布有兲。
+钛合金(第二相为固溶体)
§5.1 金属材料的塑性变形特征
得多晶体金属的塑性变
形抗力提高。
§5.1 金属材料的塑性变形特征
2. 多晶体金属的塑性变形过程
多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近 于45°的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上 相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系 上的位错开动，从而
使滑移由一批晶粒传
递到另一批晶粒，当 有大量晶粒发生滑移 后，金属便显示出明 显的塑性变形。
回复与再结晶
• 回复 • 再结晶 • 晶粒长大 • 再结晶后的组织 • 金属的热加工
引言
冷变形金属在加热时组织性能会发生变化。 冷变形时较高的弹性畸变能、高位错密度、空
位等储存能量是促使冷变形金属发生变化的驱 动力。 微观组织处于不稳定状态。一旦加热，原子具 有足够的扩散能力，将发生一系列变化，从而 导致性能的变化。 变化时从储能释放及组织结构和性能的变化来 分析，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶 段。
• 3. 形核与长大
4.再结晶的转变不是相变
• 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：
1.变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化， 因此它们是属于同一个相。
2.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。
3.再结晶过程是不可逆的。相变过程在外界条件变化 后可以发生可逆变化。
经验公式 工业纯金属：T再＝(0.35~0.45)Tm。 合金：T再＝(0.4~0.9)Tm。
注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。
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。 （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 变形量低于一定值，再结晶不能进行。 （3）原始晶粒尺寸。 晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。 （4）微量溶质元素。 阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 纯度越高，再结晶温度越低； （5）第二分散相。 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。
9.2 回复
• 一 回复概念 • 回复：在加热温度较低时，仅因金属中的一些
第六讲回复与再结晶讲述
回复与再结晶1.冷变形金属在加热时的组织和性能的变化2.回复过程3.再结晶过程4.晶粒长大过程5.热加工对金属组织和性能的影响1组织和性能的变化回复与再结晶显微组织变化力学性能变化储存能变化内应力变化回复退火再结晶再结晶形核地点有什么特点或特征？哪些地点可能是优先的形核地点？再结晶形核现存于局部高能区域，以多边化形成亚晶为基础形核，有两种形核机制优先形核地点：1.原始晶粒处2.亚晶形核时，在形变形成的大角晶界处或通过亚晶长大而逐步形成的大角晶界处3.第二相粒子附近再结晶温度及其影响因素再结晶温度的影响因素5.再结晶晶粒大小的控制通过增大N，减小G，来细化晶粒。
6.再结晶全图看着书上讲解。
变形程度，退火温度，再结晶后晶粒大小关系曲线图图为铝的再结晶全图，晶粒度有两个极大值，临界变形度和二次再结晶变形度超过临界变形度后，变形越大，再结晶晶粒越细；某些金属，变形很大时也会出现反常长大，如铝。
退火温度越高，晶粒越粗大。
这两条都是根据减小比值来细化晶粒。
控制退火保温时间和提高加热速度，可防止晶粒长大。
以上即为细化再结晶晶粒的方法。
讲到这里，结合材料科学基础及热处理知识讲一下，细化晶粒方法。
1.从液固相变的角度分析。
*控制过冷度。
*变质处理，促进形成大量非均匀晶核来细化晶粒。
*振动搅拌，使枝晶破裂，形核数目增多。
2.固态相变角度分析。
*热处理。
降低加热温度，使晶粒长大速率降低，或者采用球化退火、正火等工艺。
*热加工。
锻造或轧制方法。
室温多向锻造和高温退火，利用变形孪晶和退火孪晶细化晶粒。
大塑性变形来细化晶粒。
3.再结晶角度分析。
即以上讲到部分。
例题：为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5%后于650℃退火1h，组织反而粗化，增大冷变形量至80%，再于650℃退火1h，仍然得到粗大晶粒。
试分析其原因，指出上述工艺的不合理处，并制定一种合理的晶粒细化工艺。
再结晶退火后晶粒大小主要取决于预先变形度和退火温度。
变形度太小，N小，G大，即d大，同时看图上。
《金属学原理》之“固态转变”部分-疑难解析
材料科学基础 第9章 再结晶解读
再结晶动力学
再结晶过程也是热激活过程，达到同样的再结晶 程度，也存在温度和时间的等效关系 ：
其中激活能Q除决定于材料的类型(成分、纯度等)外， 还和变形量的大小直接相关，显然退火前，材料的冷 塑性变形量愈大，相应所需的激活能愈小。
其他组织变化
再结晶织构：材料的冷变形程度较大，如果产生了变 形织构，在再结晶后晶粒取向的遗传，组织依然存在 择优取向，这时的织构称为再结晶织构。
晶界弓出的形核例证
晶界弓 出形核这种 现象在铜、 镍、银、铝 及铝—铜合 金中曾直接 观察到。
再结晶的其它形核机制
其他形核机制：在再结晶中的形核还有亚晶合并长大， 详细过程就不分析了，总之核心都是在原有晶粒的边 界或变形较大的地方先产生。
核心的长大是变形晶粒晶界附近的原子移动到新 的未变形晶粒上，从而可以减少变形应变能，新晶粒 不断长大到相遇，最后全部为新晶粒，再结晶完成。
冷变形后的材料加热转变
对冷变形的塑性 材料进行重新加热， 随着加热的温度和保 温时的不同，发生的 变化大致可以分为三 个阶段：回复、再结 晶和晶粒的长大，他 们都是减少或消除结 构缺陷的过程。相应 材料的内应力、晶粒 尺寸、强度、塑性等 性能也发生对应变化。
第一节
• 回复的变化 • 回复机制 • 回复动力学 回复概念
其中A为与材料类型结构有关的常数，Q为激活能，R为 气体常数，T发生回复的温度，t为回复进行的时间。
回复动力学
因此在不同的温度下，回复到相同的程度 所用的时间的为：
即ln(t)和1/T成线形关系。一方面可以由此测 量计算它的激活能；另一方面说明热激活过程 中时间和温度的等效关系。实际上任何材料变 形后都在慢慢的发生回复，平时在室温下未见 到性能变化的仅因为变化的速度很慢。
第7章 回复和再结晶
第7章回复和再结晶金属发生冷塑性变形后，其组织和性能发生了变化，为了使冷变形金属恢复到冷变形前的状态，需要将其进行加热退火。
为什么将冷变形金属加热到适当的温度能使其恢复到冷变形前的状态呢？因为冷变形金属中储存了部分机械能，使能量升高，处于热力学不稳定的亚稳状态，它有自发向热力学更稳定的低能状态转变的趋势。
然而，在这两种状态之间有一个能量升高的中间状态，成为自发转变的障碍，称势垒。
如果升高温度，金属中的原子获得足够的能量（激活能），就可越过势垒，转变成低能状态。
研究冷变形金属在加热过程中的变化有两种方法。
1）以一定的速度连续加热时发生的变化；2）快速加热到某一温度，在保温过程中发生的变化。
通常采用。
P195图1为将冷变形金属快速加热到0.5T m附近保温时，金相组织随保温时间的变化示意图。
可以将保温过程分三个阶段：1）在光学显微组织发生改变前，称回复阶段；2）等轴晶粒开始产生到变形晶粒刚消失之间，称再结晶阶段；3）晶粒长大阶段。
7-1 回复一、回复的定义冷变形金属加热时，在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称回复。
二、回复对性能的影响内应力降低，电阻降低，硬度和强度下降不多（基本不变）。
三、回复的机制回复的机制根据温度的不同有三种：（一）低温回复机制冷变形金属在较低温度范围就开始回复，主要表现为电阻下降，但机械性能无变化。
由此认为低温回复的机制是：过量点缺陷减少或消失。
（二）中温回复机制温度范围比低温回复稍高。
中温回复的机制是：位错发生滑移，导致位错的重新组合，及异号位错相遇抵消。
发生中温回复时，在电镜组织中，位错组态有变化；但位错密度的下降不明显。
若两个异号位错不在同一滑移面上，在相遇抵消前，要通过攀移或交滑移，这需要更大的激活能，只能在较高的温度才能发生。
（三）高温回复机制发生高温回复时，电镜组织的特征是亚晶粒呈等轴状，即无变形的亚晶粒。
于是，提出了高温回复的多边化机制（P197图5）。
金属学及热处理 第五章 金属的塑性变形和再结晶
5.1 金属的变形特性
5.1.1 应力－应变曲线
• 拉伸曲线的最高点所代表的应力 为抗拉极限强度σb 。
低碳钢拉伸应力应变曲线
试样断裂后标距长度伸长量ΔL(Lk-L0)与原始标距长度L0 的百分比称为延伸率δ： δ＝(Lk-L0)/ L0 ×100% 试样的原始截面面积F0和断裂时的截面面积Fk之差与原 始截面面积F0的百分比称为断面收缩率Φ ： Φ ＝(F0- Fk)/F0×100%
5.3 多晶体的塑性变形
5.3.2 晶粒大小对塑性变形的影响
多晶体中一个晶粒发生变形，在晶界附近产生位错塞 积，引起应力集中。应力集中大小与塞积位错数目有 关。晶粒越小，位错塞积距离越小，应力集中越小， 引发相邻晶粒变形的机会越小，需要外力越大，表现 出强度越高。
这就是霍尔－佩奇 （ Hall-Petch ） 公 式 的物理本质。 位错塞积示意图
5.1 金属的变形特性
5.1.1 应力－应变曲线
• 金属的塑性变形： 应力大于σe时开始塑性变形。 应力达到σs和σ0.2时开始明显 低碳钢拉伸应力应变曲线 塑性变形。 σs表示金属开始产生屈服现象时的应力－－屈服极限。 金属的弹性变形量一般不超过1％。 σ0.2表示金属的残余应变达到0.2%时的应力 －－条件屈服极限。
5.3 多晶体的塑性变形
5.3.2 晶粒大小对塑性变形的影响
多晶体晶粒细小均匀时，一定体积内晶粒数目多。形 相同变形量下，变形分散在较多晶粒内进行，变形较 均匀，引起应力集中小，使材料在断裂之前能承受较 大的变形量，可以得到较大的延伸率。因此，晶粒小 小，不仅室温强度高，而且具有较好的塑性。
晶粒越细，晶界曲折，不利于裂纹扩展，断裂吸收的 能量高，因此表现出良好的韧性。 在工业生产中，要设法获得细小均匀的晶粒组织，具 有较高的综合性能。