形变与回复再结晶
热变形与动态回复、再结晶
动态回复机制
随应变量的增加，位错通过增殖，密度不断增加， 开始形成位错缠结和胞状亚结构。 热变形温度较高，为回复过程提供了热激活条件。 位错运动 1. 刃型位错的攀移 2. 螺型位错的交滑移 3. 位错结点的脱钉 位错密度降低 4. 异号位错相遇 位错增殖和消亡速率达到平衡时，不再发生硬化， 应力-应变曲线转为水平的稳态流变阶段。
1.
概念：
工程上常将再结晶温度以上的加工称为热加工（ Hot working）。
2.
3.
工程上常将再结晶温度以下的加工称为冷加工 (Cold working)。
变形温度低于再结晶温度，高于室温的加工称为 温加工(Warm working)。
历史上的专业设置
1. 2.
热加工专业：
金属材料及热处理 焊接
概念：
热加工时，由于变形温度高于再结晶温度，在变形的同 时伴随着回复、再结晶过程。 在热变形过程中，形变而产生的加工硬化过程与动态回 复、再结晶所引起的软化过程同时存在，热加工后金属 的组织和性能就取决于它们之间相互抵消的程度。
动态回复和动态再结晶
分类： 在热变形时，即在外力和温度共同作 用下发生的.
动态回复时的组织结构
晶粒沿变形方向伸长呈纤维状，但晶粒内部却保持等轴 亚晶无应变的结构。 动态回复形成的亚晶尺寸d，主要取决于变形温度和变形 速率： d 1 a b lg Z
式中，a/b为常数 ， Z eQ / RT 为用温度修正过的应变速 率。
.
动态再结晶(dynamic reerystallization)
1. 动态回复
2. 动态再结晶
3. 亚动态再结晶-在热加工完毕去除外力后，已在动态再 结晶时形成的再结晶晶核及正在迁移的再结晶晶粒界 面，不必再经过任何孕育期继续长大和迁移。
第七章回复再结晶
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
金属学
为简单，考虑λ=90° 为简单，考虑λ=90°-φ，即滑移 λ=90 面法线、滑移方向、外力轴在同一 平面上，则： cosλcosφ=cos（90°-φ）cosφ cosλcosφ=(1/2)sin2φ φ=45°，（cosλcosφ） =1/2， φ=45°，（cosλcosφ）max=1/2， cosλcosφ τ最大。这样的滑移系启动时所需 最大。 外力最小，最易滑移。 外力最小，最易滑移。
（2）对有多组滑移பைடு நூலகம்的晶体：多个滑移系滑移。 ）对有多组滑移面的晶体：
5、多系滑移 多系滑移： 多系滑移：在两个或更多个滑移系上同时或交替 进行的滑移。 进行的滑移。 出现在： 出现在：外力轴和几个滑移系构成的取向因子相 同（称等效滑移系），分切应力同时达到临界值。 多个等效滑移系各自作独立的滑移。 滑移线：呈交叉、曲折形状。 滑移线：
3、滑移所需的临界分切应力 滑移面的面积=A/cosφ 外力在滑移方向上的分力为Fcosλ，
外力在滑移面上沿滑移方向的分切应 力：
式中：F/A为正应力； cosλcosφ为取向因子(Schmidt）。 式中： 看出： 看出：外力和截面一定，作用于滑移系上的分切应力只与晶体 的受力方位（λ、φ）有关。当某一滑移系的取向因子大时，作 用在该滑移系的分切应力也大。
2、滑移的晶体学特征（滑移系） 滑移的晶体学特征（
滑移面：能够发生滑移的晶面（ 滑移面：能够发生滑移的晶面（原子密度最大或次大的晶 面）。 滑移方向：在滑移面上能够进行滑移的方向（ 滑移方向：在滑移面上能够进行滑移的方向（原子密度最 大的方向）。 大的方向）。 原因： 原因： 原子面密度最大，其面间距大，原子面间结合力小。位错 滑移所需加的临界切应力小，位错易发生移动； 原子密度最大的方向， 原子列间距大，原子列间 结合力小。
金属学与热处理第七章 金属及合金的回复与再结晶
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。
材料科学基础重点总结4 材料形变和再结晶
5 材料的形变和再结晶材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都要受到外力的作用。
材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。
本章主要内容：一．晶体的塑性变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对材料组织与性能的影响二．回复和再结晶冷变形金属在加热时的组织与性能变化回复再结晶晶粒长大再结晶织构与退火孪晶5.1 晶体的塑性变形塑性加工金属材料获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得一定形状、尺寸和机械性能的型材、板材、管材或线材。
塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。
金属在承受塑性加工时，当应力超过弹性极限后，会产生塑性变形，这对金属的结构和性能会产生重要的影响。
5.1.1 单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的两种方式：滑移孪生滑移:滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动。
滑移线：为了观察滑移现象，可将经良好抛光的单晶体金属棒试样进行适当拉伸，使之产生一定的塑性变形，即可在金属棒表面见到一条条的细线，通常称为滑移线.滑移带：在宏观及金相观察中看到的滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平行的更细的线所组成的，称为滑移带。
滑移系：塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。
一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。
滑移的临界分切应力τk晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力。
滑移的特点晶体的滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分同时做整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动的结果，因此实际滑移的临界分切应力τk 比理论计算的低得多。
（滑移面为原子排列最密的面）单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动。
第五章-材料的形变和再结晶
— 应变角；
扭转变形情况与剪切相似
静载：转矩T；
应变：转角
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5
拉伸实验 Tensile Test
测试仪器
标准样品
Tensile Strength
(抗拉强度)
Fracture
(断裂)
Necking
(颈缩)
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6
拉伸实验 Tensile Test
不同而不同。
滑移带观察：试样预先抛光（不腐蚀），进行塑性变形，表面
上出现一个个台阶，即滑移带。
精选2021版课件
35
单晶体滑移特点
• 滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而
处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移。
• 滑移带的发展过程，首先是出现细滑移线，后来才
发展成带，而且，滑移线的数目随应变程度的增大
循环韧性
若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可
得到塑性滞后环。
金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫
循环韧性。 循环韧性又称为消振性。
循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来
表示循环韧性的大小。
循环韧性的应用
减振材料（机床床身、缸体等）；
乐器要求循环韧性小。
四、 黏弹性
弹性变形的特征
（1）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形
消失并恢复原状。
弹性变形量比较小，一般不超过0.5％～1％。
（2）在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数
关系，即服从虎克(Hooke)定律：
式中，、分别为正应力和切应力；
、分别为正应变和切应变；
E，G分别为弹性模量和切变模量
06 金属材料热处理 第六章 变形金属及合金的回复与再结晶
第六章 变形金属与合金的回复与再结晶本章教学目的：1 揭示形变金属在加热过程中组织和性能变化的规律；2 揭示再结晶的实质3 说明热加工与冷加工的本质区别以及热加工的特点。
教学内容：（1）变形金属在退火过程中（回复，再结晶以及晶粒长大）过程的组织与性能变化；（2）影响再结晶的因素；（3）再结晶晶粒大小及控制；（4）热加工与冷加工重点：（1）回复与再结晶的概念和应用；（2）临界变形度的概念；（3）再结晶晶粒度的控制；（4）热加工与冷加工的区别。
难点：（1）再结晶形核机制与再结晶动力学；（2）再结晶晶粒的二次长大机理§6-1变形金属与合金在退火过程中的变化金属经冷塑性变形后，内部组织和各项性能均发生相应变化，而且由于位错等结构缺陷密度的增加以及畸变能的升高，使其处于热力学不稳定状态。
当变形金属加热时，通过原子扩散能力的增加，有助于促进向低能量状态的转变。
一、显微组织的变化第一阶段：显微组织基本上未发生变化，其晶粒仍保持纤维状或扁平状变形组织，称回复阶段。
第二阶段：以新的无畸变等轴小晶粒逐渐取代变形组织，称为再结晶阶段。
第三阶段：上述小晶粒通过互相吞并方式而长大，直至形成较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。
二、储存能及内应力的变化当变形金属加热到足以引起应力松弛的温度时，其中的储存能将释放出来。
回复阶段释放的储存能很小三、机械性能的变化规律回复阶段硬度变化很小，约占总变化的1/5，再结晶阶段下降较多，强度与硬度有相似的变化规律。
因为回复阶段仍保持很高的位错密度。
在再结晶阶段，硬度与强度显著下降，塑性大大提高。
四、其它性能的变化1、电阻的变化电阻的回复阶段已表现出明显的下降趋势。
点缺陷对电阻的贡献远大于位错，而回复阶段点缺陷的密度发生显著的减小。
2、密度的变化再结晶阶段密度急剧增高。
五、亚晶粒尺寸在回复阶段前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶温度时，晶粒尺寸显著增大。
§6-2 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之前所产生的某些亚结构和性能的变化过程。
第七章 回复与再结晶(新)
过程：
亚晶蚕食机制示意图
① ρ很大的小区域位错攀移重分布，使位错运动到相邻晶粒， 形成一个ρ低的小区域。 ②ρ低的区域逐渐扩大，其与周围区域的位向角增大。 ③当小区域扩大到一定体积，与周围晶粒之晶界变为大角晶界。 ④大角晶界弓出形成核心。
三种形核机制都是大角度晶界的突然迁移，所不同的是获得大角度晶界的途径不同。
超塑性
超塑性：某些材料在特定变形条件下呈现的特别大的延伸率。 条 件 ： 晶 粒 细 小 、 温 度 范 围 （ 0.5~0.65Tm ） 、 应 变 速 率 小 （ 1 ～ 0.01%/s）。 本质：多数观点认为是由晶界的滑动和晶粒的转动所致。 应用：复杂零件的精密成形；难于热变形材料的加工。
晶粒的异常长大
1 异常长大: 少数再结晶晶粒的急剧长大现象 (二次再结晶） 2 基本条件:正常晶粒长大过程被(第二分散相微粒、织构）强烈阻碍。 3 驱动力：界面能变化（不是重新形核） 4 原因：晶粒内部肯定存在大量的阻止晶粒长大的因素。 1）合金元素附集晶界，阻碍晶界迁移。 2）第二相粒子阻碍晶界运动。
第七章 回复与再结晶
将冷变形后的金属加热到临界点以下 某温度区间，变形金属的组织、性能 会恢复到变形前的状态，这一过程称 为回复、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，在变形组织内部生成新的无畸 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。
动态再结晶
热加工后的组织与性能
（1）改善铸锭组织。气泡焊合、破碎碳化物、细化晶粒、降低偏析。提 高强度、塑性、韧性。 （2）形成纤维组织（流线）。 组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。 性能：各向异性。沿流线方向塑性和韧性提高明显。 （3）形成带状组织 形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响：各向异性。类似于流线组织。 消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高温扩散退火或 正火。
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金属及合金的形变
1．解释下列名词：
滑移，孪生，加工硬化。
2．金属的塑性变形有哪几种方式?说明滑移的机理，它与孪生有何区别?
3. 说明晶粒大小对金属室温强度和塑性的影响，其原因是什么?
4．说明下列现象产生的原因：
(1)滑移面是原子密度最大的晶面，滑移方向是原子密度最大的方向；
(2)Zn、 －Fe、Cu的塑性不同。
5. 写出体心立方、面心立方的滑移系。
6、金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化?
7．产生加工硬化的原因是什么？
金属及合金的回复与再结晶
1．解释下列名词：
回复、再结晶、热加工、冷加工、再结晶温度
2、说明回复在工业上的应用。
3、冷加工的金属在加热退火过程中组织性能有何变化？
4、怎样区分冷加工和热加工?钨板在1100℃加工变形和锡板在室温加工变形时，它们的组织和性能会有怎样的变化?热加工会造成哪些组织缺陷?。