第七章 金属及合金的回复与再结晶
合集下载
第七章 金属及合金的回复与再结晶
适当的热加工可以破碎铸锭中的树枝晶，减轻枝晶 偏析，焊合疏松与气孔，改善夹杂物或脆性相的形貌、 大小与分布，提高金属质量与性能。 一、金属的热加工与冷加工 冷、热加工的根本区别是看加工温度在再结晶温度以 上或以下。 故W在1000℃加工属于冷加工，而Pb在室温下加工 也是热加工。
二、动态回复与动态再结晶
G d k N
1
4
※再结晶晶粒大小的控制因素
（一）变形程度 当变形量较小时，再结晶后晶粒比较细小；当变形程度达到一 定值（2~10%）时，再结晶后晶粒尺寸急剧增大，此时的变形量称 为临界变形度；再增加变形量，再结晶后晶粒又变得比较细小
生产中应尽量避免在临界变形度内进行塑性变形加工。
•1）形核：在变形金属中晶格畸变严重、能量较高的地区优先形核 •2）长大：形核后通过原子的扩散和晶界的迁移，逐渐向周围长大 形成了新的等轴晶粒，直到金属内部全部由新的等轴晶粒取代了变
形晶粒之后，再结晶过程结束。
二、再结晶温度及其影响因素
1、再结晶温度 是指较大变形程度的金属（>70%）在1 小时内能够 完成再结晶（或再结晶体积分数>95%）的最低加热温度 。它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗 新晶粒时的温度或以硬度下降50％所对应的温度，定为再 结晶温度。实验表明有如下经验公式：
二、晶粒的反常长大(二次再结晶） 1 反常长大:在一定条件下，某些金属会出现当温度升高 到某一数值时，晶粒会突然反常地长大，温度再升高，晶 粒又趋于减小，这种现象称为晶粒的反常长大或二次再结 晶。二次再结晶不需重新形核。
2 原因: 在再结晶后晶粒长大过程中，只有少数晶粒能优先长大， 而多数晶粒不易长大。出现这种现象的原因 ①冷变形造成形变织构，再结晶退火至一定温度时又形 成了再结晶织构，当形成织构后，各个晶粒的取向趋于一 致，晶粒的位向差很小，晶界不易移动 ②当加入少量杂质形成第二相能强烈钉扎住晶界，阻碍 晶界的移动，晶粒也不会长大。 当加热到高温，某些局部地区的夹杂会发生溶解， 该处的晶粒优先长大，并吞并了周围的晶粒，形成了晶粒 的反常长大。
二、动态回复与动态再结晶
G d k N
1
4
※再结晶晶粒大小的控制因素
（一）变形程度 当变形量较小时，再结晶后晶粒比较细小；当变形程度达到一 定值（2~10%）时，再结晶后晶粒尺寸急剧增大，此时的变形量称 为临界变形度；再增加变形量，再结晶后晶粒又变得比较细小
生产中应尽量避免在临界变形度内进行塑性变形加工。
•1）形核：在变形金属中晶格畸变严重、能量较高的地区优先形核 •2）长大：形核后通过原子的扩散和晶界的迁移，逐渐向周围长大 形成了新的等轴晶粒，直到金属内部全部由新的等轴晶粒取代了变
形晶粒之后，再结晶过程结束。
二、再结晶温度及其影响因素
1、再结晶温度 是指较大变形程度的金属（>70%）在1 小时内能够 完成再结晶（或再结晶体积分数>95%）的最低加热温度 。它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗 新晶粒时的温度或以硬度下降50％所对应的温度，定为再 结晶温度。实验表明有如下经验公式：
二、晶粒的反常长大(二次再结晶） 1 反常长大:在一定条件下，某些金属会出现当温度升高 到某一数值时，晶粒会突然反常地长大，温度再升高，晶 粒又趋于减小，这种现象称为晶粒的反常长大或二次再结 晶。二次再结晶不需重新形核。
2 原因: 在再结晶后晶粒长大过程中，只有少数晶粒能优先长大， 而多数晶粒不易长大。出现这种现象的原因 ①冷变形造成形变织构，再结晶退火至一定温度时又形 成了再结晶织构，当形成织构后，各个晶粒的取向趋于一 致，晶粒的位向差很小，晶界不易移动 ②当加入少量杂质形成第二相能强烈钉扎住晶界，阻碍 晶界的移动，晶粒也不会长大。 当加热到高温，某些局部地区的夹杂会发生溶解， 该处的晶粒优先长大，并吞并了周围的晶粒，形成了晶粒 的反常长大。
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。
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_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
第七章 金属及合金的回复与再结晶-3
3. 加热速度 缓慢，则变形金属在加热过程中有足够的时间进行回复， 使储存能减少，再结晶驱动力降低，提高再结晶温度； 极快，也使再结晶温度升高。这是由于再结晶形核与长大都 需要时间，加热速度过快，来不及进行形核与长大，所以推 迟到更高的温度才会发生再结晶。
在一定范围内，增加保温时间，有利于降低再结晶温度
再结晶晶核长大时晶界的移动方向背离曲率中心
亚晶合并形核机制
亚晶界移动形核机制
晶界凸形核机制
28
一 、晶粒的正常长大
（二）晶粒的稳定形状 晶粒稳定形状的两个必要条件 1）所有晶界都是直线 2）晶界间夹角为120° 晶粒的稳定形状
二维坐标中，晶粒边数为6，夹角 为120 ° 的晶粒处于平衡状态。
1
真 应 力
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
亚结构的变化（位错密度）
Ⅰ： 位错密度增加
真应变
图7-27 在热加工温度发生动态 回复时的真应力—真应变曲线特征
Ⅱ： 位错密度继续增加，出现位错缠结
晶粒异常长大过程示意图
32
§7-5 金属的热加工
一、金属的热加工与冷加工 二、动态回复和动态再结晶 三、热加工后的组加工
热加工：在再结晶温度以上的加工过程
冷加工：在再结晶温度以下的加工过程 钨的最低再结晶温度约为1200℃，所以钨即使在稍低 于1200℃的高温下塑性变形仍属于冷加工； 锡的最低再结晶温度约为-7℃，所以锡即使在室温下 塑性变形也属于热加工。 冷塑性变形 （冷加工）
晶界凸形核机制
长大规律：
界面总是向畸变区域推进。 界面移动的方向总是背离其曲率中心。
驱动力： 系统自由能的降低(储存能的释放) 无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差。 再结晶初始晶粒： 再结晶过程刚刚完成时的晶粒大小。
- 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)。
回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能 变化的阶段； 再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的 过程； 晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。
黄铜
§7-1 形变金属在退火过程中的变化
一显微组织的变化
" 回复阶段：保持纤维状或 回复阶段： 扁平状，光学显微组织上 几乎不变化。 " 在畸变度大的区域产生新 的无畸变晶粒的核心，逐 渐消耗周围的变形基体长 大，直到形变组织完全改 组为新的、无畸变的细等 轴晶粒为止。 " 晶粒长大阶段：新晶粒互 相吞食而长大，得到稳定 的尺寸。
§7-4 晶粒长大
一 晶粒的正常长大
（一）驱动力：
整体上看，是晶粒长大前后总的界面能差。
晶粒细，晶界多，界面能高； 晶粒粗，晶界少，界面能低。 粗到细，高能向低能，自发过程。
晶界具有不同的曲率是造成晶界迁移的直接原因。驱 动力与曲率半径呈反比 晶界的生长方向向着曲率中心方向
§7-4 晶粒长大
（二）晶粒的稳定形貌
§7-3 再
结
晶
生无畸变的新晶粒，而且性能恢复到变形以前的完全软化状态，这个 过程称为再结晶。
定义：冷变形后的金属加热到一定温度后，在原来的变形组织中产 驱动力:冷变形时所产生的储能
注意：再结晶和重结晶的区别
再结晶无晶格类型的变化 重结晶有晶格类型的变化
再结晶也是一个晶核形成和长 大的过程，但不是相变过程， 再结晶前后新旧晶粒的晶格类 型和成分完全相同。
三机械性能等的变化
回复阶段：
硬度略有下降， 塑性有所提高 位错密度减少有限
再结晶阶段：
强度硬度显著降低 塑性大大提高 位错密度显著下降
四 其它性能的变化
"回复阶段
"电阻发生显著下降， "电阻发生显著下降，
"再结晶阶段
五 亚晶尺寸
"回复阶段前期变化不大， "接近再结晶温度时，亚晶粒尺寸显著增大
§7-2 回
预先变形程度对再结晶 晶粒尺寸的影响 变形83%
变形88%
变形93%
2. 原始晶粒尺寸
"当变形度一定时，原始晶粒越细，D越小。
3.合金元素及杂质
" 一般都能起细化再结晶晶粒的作用。
4. 变形温度
" T升高，回复的程度越大，储存能少，使晶粒粗化。
§7-4 晶粒长大
再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小(等轴晶)，若继 续升温或延长保温时间，晶粒会继续长大。晶粒长大是一个 自发过程。晶粒长大的驱动力来自总的界面能的降低。 " 根据再结晶后晶粒长大特点分为: " 晶粒的正常长大 " 晶粒的反常长大
复
一、退火温度和时间对回复过程的影响
" 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系 ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT) "温度越高，回复的程度越大 "时间越长，回复程度越大
图 回复阶段屈服强度与时间的关系
§7-2 回
复
二、回复机理
"低温回复： 低温回复 点缺陷的运动使点缺陷密度大大下降。
" 空位或间隙原子移动到晶界或位错处消失， " 空位与间隙原子的相遇复合， " 空位集结形成空位对或空位片
" 边数少于6个的晶粒 ，必然逐步缩小，甚 至消失。 " 边数大于6的晶粒，晶粒将逐渐长大
§7-4 晶粒长大
§7-4 晶粒长大
（三）影响晶粒长大的因素
(1)温度
温度越高晶粒长大速度越快。一定温度下，晶粒长到极限尺寸后 不再长大，但提高温度后晶粒继续长大。
(2)杂质与合金元素
杂质及合金元素渗入基体后能阻碍晶界运动。
§7-4 晶粒长大
三再结晶退火后的组织
"目的
"降低硬度，提高塑性，恢复并改善材料的性能
"再结晶图：晶粒大小、变形程度和退火温度之间的关系
"再结晶织构和退火孪晶
§7-5 金属的热加工
一、金属的热加工与冷加工
"热加工：在再结晶温度以上加工过程 "冷加工：在再结晶温度以下加工过程 " 钨的最低再结晶温度约为1200℃，所以钨即使在稍低于 1200℃的高温下塑性变形仍属于冷加工； " 而锡的最低再结晶温度约为-7℃，所以锡即使在室温下塑 性变形也属于热加工。
带状组织
正火组织
热加工能量消耗小，但钢 材表面易氧化。一般用于 截面尺寸大、变形量大、 在室温下加工困难的工件。 冷加工一般用于截面尺寸 小、塑性好、尺寸精度及 表面光洁度要求高的工件。
蒸汽-空气锤
欢迎进入下一节学习内容
" 晶粒稳定形状的两个必要条件
" 所有晶界都是直线
" 有曲率，有驱动力
" 晶界间夹角 为120°
" 晶粒正常长大的规律
" 弯曲晶界趋向于平直
" 晶界向 曲率中心方向移动 ，降低表面能
" 三个晶粒的夹角不等于120°，晶界向角 度较锐的晶粒方向移动 " 二维坐标中，晶粒边数为6，夹角为120， 晶粒处于平衡状态。
SEM-再结晶晶粒在原 变形组织晶界上形核 TEM-再结晶晶粒形核 于高密度位错基体上 冷变形奥氏体不锈钢加热时的再结晶形核
§7-3 再
（一）形核
结
晶
一再结晶的晶核的形成与长大
1.亚晶长大形核机制 " 对于变形度较大的金属,再结果形核 往往采用这种方式。 " 亚晶核形核方式：（图7-10）ab " 亚晶合并机制：变形度大、高层错 能金属 " 亚晶界迁移机制：变形度大、层错 能低金属 2.晶界突出形核机制（图7-10）c " 对于变形度较小（<20%）的金属， 再结晶核多以这种方式。弓出形核 时所需能量条件为：△Es≧2γ/L
(3)第二相质点
弥散分布的第二相粒子阻碍晶界的移动，可使晶粒长大受到抑制。
（4）相邻晶粒的位向差
晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关，小角度晶界界面能低， 故界面移动的驱动力小，晶界移动速度低，界面能高的大角度晶 界可动性高。
§7-4 晶粒长大
二晶粒的反常长大
少数晶粒逐步吞食周围大量小晶粒，其尺寸超过原始 晶粒的几十倍或上百倍这个过程称异常晶粒长大或二 次再结晶
一显微组织的变化
冷变形量为38％的组织
580ºC保温3秒后的组织
580ºC保温4秒后的组织
580ºC保温8秒后的组织
580ºC保温15分后的组织
700ºC保温10分后的组织
黄 铜 再 结 晶 和 晶 粒 长 大 各 个 阶 段 的 金 相 照 片
二储存能及内应力的变化
" 储存能变化 "储存能：存在于冷变形金属 储存能： 内部的一小部分（～10％） 变形功。 "储存能的释放：原子活动能 储存能的释放： 力提高，迁移至平衡位置， 储存能得以释放 " 内应力变化 "回复阶段：大部分或全部消 回复阶段： 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 再结晶阶段： 消除。
"中温回复：位错密度下降，位错缠结重新排列使亚晶规
整化
" 原子活动能力增强，位错在滑移面上猾移或交滑移使异号位错相
消
"高温回复： 多边化
" 原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。
§7-2 回
复
"多边化：
"冷变形使平行的同号位 错在滑移面上塞积，致 使晶格弯曲 " 高温回复过程中，这些 刃位错便通过攀移和滑 移,同号刃型位错沿垂直 于滑移面的方向排列成 小角度亚晶界的过程。
§7-2 回
复
三、亚结构的变化
回复退火前
缠结位错构成胞状亚结构 的边界
回复退火后
空位密度大大降低，胞内 的位错向胞壁滑移，与胞 壁内异号位错相抵消，位 错密度降低 形成位错网，构成亚晶界 亚晶界推移，亚晶长大
§7-2 回
复
回复温度越低，变形度越大，回复后的亚晶粒越小
四、回复退火的应用（去应力退火） 保持加工硬化的条件下，降低内应力，减轻工件 的变形 降低电阻率，提高材料的耐蚀性并改善其塑性和 韧性
2．变形程度
3．微量溶质原子
4. 加热速度和加热时间
§7-3 再结晶来自三再结晶晶粒大小 的控制
Ô 影响再结晶后晶粒大小的因素：
1. 变形程度
" 变形度很小时，晶粒尺寸为原始晶粒尺寸； " 临界变形度时，晶粒特别粗大，一般金属εc =2～8% ; " 变形度大于临界变形度时，随变形度增加，晶粒逐渐细化。
轧制
模锻
拉拔
§7-5 金属的热加工
动态回复和动态再结晶 " 前面讨论的回复和再结晶是在金属冷形变后的加热过程中 发生的，称为静态回复和再结晶。金属在较高的温度下形 变时，回复和再结晶会在形变过程中相继发生，这种回复 和再结晶称为动态回复和动态再结晶。 " 在发生回复和再结晶时，由形变造成的加工硬化与由动态 回复，动态再结晶造成的软化同时发生。
§7-3 再
结
晶
(二）长大 当再结晶晶核形成之后，它就可以自发、稳定地 生长。晶核在生长时，其界面总是向畸变区域推 进。界面移动的驱动力是无购变的新晶粒与周围 基体的畸变能差。界面移动的方向总是背向其曲 率中心的方向。出就的畸变晶粒完全消失，全部 被新的无畸变的再结晶晶粒所裂代时，再结晶过 程即告完成，此时的晶粒大小即为再结晶韧始晶 粒。
巨型自由锻件
金属的冷热加工
自由锻
模锻
轧制
正挤压
反挤压
拉拔
冲压
冷轧与热轧
三 热加工后的组织与性能
黄铜
§7-1 形变金属在退火过程中的变化
一显微组织的变化
" 回复阶段：保持纤维状或 回复阶段： 扁平状，光学显微组织上 几乎不变化。 " 在畸变度大的区域产生新 的无畸变晶粒的核心，逐 渐消耗周围的变形基体长 大，直到形变组织完全改 组为新的、无畸变的细等 轴晶粒为止。 " 晶粒长大阶段：新晶粒互 相吞食而长大，得到稳定 的尺寸。
§7-4 晶粒长大
一 晶粒的正常长大
（一）驱动力：
整体上看，是晶粒长大前后总的界面能差。
晶粒细，晶界多，界面能高； 晶粒粗，晶界少，界面能低。 粗到细，高能向低能，自发过程。
晶界具有不同的曲率是造成晶界迁移的直接原因。驱 动力与曲率半径呈反比 晶界的生长方向向着曲率中心方向
§7-4 晶粒长大
（二）晶粒的稳定形貌
§7-3 再
结
晶
生无畸变的新晶粒，而且性能恢复到变形以前的完全软化状态，这个 过程称为再结晶。
定义：冷变形后的金属加热到一定温度后，在原来的变形组织中产 驱动力:冷变形时所产生的储能
注意：再结晶和重结晶的区别
再结晶无晶格类型的变化 重结晶有晶格类型的变化
再结晶也是一个晶核形成和长 大的过程，但不是相变过程， 再结晶前后新旧晶粒的晶格类 型和成分完全相同。
三机械性能等的变化
回复阶段：
硬度略有下降， 塑性有所提高 位错密度减少有限
再结晶阶段：
强度硬度显著降低 塑性大大提高 位错密度显著下降
四 其它性能的变化
"回复阶段
"电阻发生显著下降， "电阻发生显著下降，
"再结晶阶段
五 亚晶尺寸
"回复阶段前期变化不大， "接近再结晶温度时，亚晶粒尺寸显著增大
§7-2 回
预先变形程度对再结晶 晶粒尺寸的影响 变形83%
变形88%
变形93%
2. 原始晶粒尺寸
"当变形度一定时，原始晶粒越细，D越小。
3.合金元素及杂质
" 一般都能起细化再结晶晶粒的作用。
4. 变形温度
" T升高，回复的程度越大，储存能少，使晶粒粗化。
§7-4 晶粒长大
再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小(等轴晶)，若继 续升温或延长保温时间，晶粒会继续长大。晶粒长大是一个 自发过程。晶粒长大的驱动力来自总的界面能的降低。 " 根据再结晶后晶粒长大特点分为: " 晶粒的正常长大 " 晶粒的反常长大
复
一、退火温度和时间对回复过程的影响
" 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系 ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT) "温度越高，回复的程度越大 "时间越长，回复程度越大
图 回复阶段屈服强度与时间的关系
§7-2 回
复
二、回复机理
"低温回复： 低温回复 点缺陷的运动使点缺陷密度大大下降。
" 空位或间隙原子移动到晶界或位错处消失， " 空位与间隙原子的相遇复合， " 空位集结形成空位对或空位片
" 边数少于6个的晶粒 ，必然逐步缩小，甚 至消失。 " 边数大于6的晶粒，晶粒将逐渐长大
§7-4 晶粒长大
§7-4 晶粒长大
（三）影响晶粒长大的因素
(1)温度
温度越高晶粒长大速度越快。一定温度下，晶粒长到极限尺寸后 不再长大，但提高温度后晶粒继续长大。
(2)杂质与合金元素
杂质及合金元素渗入基体后能阻碍晶界运动。
§7-4 晶粒长大
三再结晶退火后的组织
"目的
"降低硬度，提高塑性，恢复并改善材料的性能
"再结晶图：晶粒大小、变形程度和退火温度之间的关系
"再结晶织构和退火孪晶
§7-5 金属的热加工
一、金属的热加工与冷加工
"热加工：在再结晶温度以上加工过程 "冷加工：在再结晶温度以下加工过程 " 钨的最低再结晶温度约为1200℃，所以钨即使在稍低于 1200℃的高温下塑性变形仍属于冷加工； " 而锡的最低再结晶温度约为-7℃，所以锡即使在室温下塑 性变形也属于热加工。
带状组织
正火组织
热加工能量消耗小，但钢 材表面易氧化。一般用于 截面尺寸大、变形量大、 在室温下加工困难的工件。 冷加工一般用于截面尺寸 小、塑性好、尺寸精度及 表面光洁度要求高的工件。
蒸汽-空气锤
欢迎进入下一节学习内容
" 晶粒稳定形状的两个必要条件
" 所有晶界都是直线
" 有曲率，有驱动力
" 晶界间夹角 为120°
" 晶粒正常长大的规律
" 弯曲晶界趋向于平直
" 晶界向 曲率中心方向移动 ，降低表面能
" 三个晶粒的夹角不等于120°，晶界向角 度较锐的晶粒方向移动 " 二维坐标中，晶粒边数为6，夹角为120， 晶粒处于平衡状态。
SEM-再结晶晶粒在原 变形组织晶界上形核 TEM-再结晶晶粒形核 于高密度位错基体上 冷变形奥氏体不锈钢加热时的再结晶形核
§7-3 再
（一）形核
结
晶
一再结晶的晶核的形成与长大
1.亚晶长大形核机制 " 对于变形度较大的金属,再结果形核 往往采用这种方式。 " 亚晶核形核方式：（图7-10）ab " 亚晶合并机制：变形度大、高层错 能金属 " 亚晶界迁移机制：变形度大、层错 能低金属 2.晶界突出形核机制（图7-10）c " 对于变形度较小（<20%）的金属， 再结晶核多以这种方式。弓出形核 时所需能量条件为：△Es≧2γ/L
(3)第二相质点
弥散分布的第二相粒子阻碍晶界的移动，可使晶粒长大受到抑制。
（4）相邻晶粒的位向差
晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关，小角度晶界界面能低， 故界面移动的驱动力小，晶界移动速度低，界面能高的大角度晶 界可动性高。
§7-4 晶粒长大
二晶粒的反常长大
少数晶粒逐步吞食周围大量小晶粒，其尺寸超过原始 晶粒的几十倍或上百倍这个过程称异常晶粒长大或二 次再结晶
一显微组织的变化
冷变形量为38％的组织
580ºC保温3秒后的组织
580ºC保温4秒后的组织
580ºC保温8秒后的组织
580ºC保温15分后的组织
700ºC保温10分后的组织
黄 铜 再 结 晶 和 晶 粒 长 大 各 个 阶 段 的 金 相 照 片
二储存能及内应力的变化
" 储存能变化 "储存能：存在于冷变形金属 储存能： 内部的一小部分（～10％） 变形功。 "储存能的释放：原子活动能 储存能的释放： 力提高，迁移至平衡位置， 储存能得以释放 " 内应力变化 "回复阶段：大部分或全部消 回复阶段： 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 再结晶阶段： 消除。
"中温回复：位错密度下降，位错缠结重新排列使亚晶规
整化
" 原子活动能力增强，位错在滑移面上猾移或交滑移使异号位错相
消
"高温回复： 多边化
" 原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。
§7-2 回
复
"多边化：
"冷变形使平行的同号位 错在滑移面上塞积，致 使晶格弯曲 " 高温回复过程中，这些 刃位错便通过攀移和滑 移,同号刃型位错沿垂直 于滑移面的方向排列成 小角度亚晶界的过程。
§7-2 回
复
三、亚结构的变化
回复退火前
缠结位错构成胞状亚结构 的边界
回复退火后
空位密度大大降低，胞内 的位错向胞壁滑移，与胞 壁内异号位错相抵消，位 错密度降低 形成位错网，构成亚晶界 亚晶界推移，亚晶长大
§7-2 回
复
回复温度越低，变形度越大，回复后的亚晶粒越小
四、回复退火的应用（去应力退火） 保持加工硬化的条件下，降低内应力，减轻工件 的变形 降低电阻率，提高材料的耐蚀性并改善其塑性和 韧性
2．变形程度
3．微量溶质原子
4. 加热速度和加热时间
§7-3 再结晶来自三再结晶晶粒大小 的控制
Ô 影响再结晶后晶粒大小的因素：
1. 变形程度
" 变形度很小时，晶粒尺寸为原始晶粒尺寸； " 临界变形度时，晶粒特别粗大，一般金属εc =2～8% ; " 变形度大于临界变形度时，随变形度增加，晶粒逐渐细化。
轧制
模锻
拉拔
§7-5 金属的热加工
动态回复和动态再结晶 " 前面讨论的回复和再结晶是在金属冷形变后的加热过程中 发生的，称为静态回复和再结晶。金属在较高的温度下形 变时，回复和再结晶会在形变过程中相继发生，这种回复 和再结晶称为动态回复和动态再结晶。 " 在发生回复和再结晶时，由形变造成的加工硬化与由动态 回复，动态再结晶造成的软化同时发生。
§7-3 再
结
晶
(二）长大 当再结晶晶核形成之后，它就可以自发、稳定地 生长。晶核在生长时，其界面总是向畸变区域推 进。界面移动的驱动力是无购变的新晶粒与周围 基体的畸变能差。界面移动的方向总是背向其曲 率中心的方向。出就的畸变晶粒完全消失，全部 被新的无畸变的再结晶晶粒所裂代时，再结晶过 程即告完成，此时的晶粒大小即为再结晶韧始晶 粒。
巨型自由锻件
金属的冷热加工
自由锻
模锻
轧制
正挤压
反挤压
拉拔
冲压
冷轧与热轧
三 热加工后的组织与性能