金属学与热处理第六章 回复与再结晶
金属学与热处理第六章 回复与再结晶
第六章回复与再结晶(一)填空题1. 金属再结晶概念的前提是，它与重结晶的主要区别是。
2. 金属的最低再结晶温度是指，它与熔点的大致关系是。
3 钢在常温下的变形加工称，铅在常温下的变形加工称。
4．回复是，再结晶是。
5．临界变形量的定义是，通常临界变形量约在范围内。
6 金属板材深冲压时形成制耳是由于造成的。
7．根据经验公式得知，纯铁的最低再结晶温度为。
(二)判断题1．金属的预先变形越大，其开始再结晶的温度越高。
（）2．变形金属的再结晶退火温度越高，退火后得到的晶粒越粗大。
（）3．金属的热加工是指在室温以上的塑性变形过程。
（）4．金属铸件不能通过再结晶退火来细化晶粒。
（）5．再结晶过程是形核和核长大过程，所以再结晶过程也是相变过程。
（）；6 从金属学的观点看，凡是加热以后的变形为热加工，反之不加热的变形为冷加工。
（）7 在一定范围内增加冷变形金属的变形量，会使再结晶温度下降。
( )8．凡是重要的结构零件一般都应进行锻造加工。
（）9．在冷拔钢丝时，如果总变形量很大，中间需安排几次退火工序。
( )10．从本质上讲，热加工变形不产生加工硬化现象，而冷加工变形会产生加工硬化现象。
这是两者的主要区别。
( )(三)选择题1．变形金属在加热时发生的再结晶过程是一个新晶粒代替旧晶粒的过程，这种新晶粒的晶型( )。
A．与变形前的金属相同 B 与变形后的金属相同C 与再结晶前的金属相同D．形成新的晶型2．金属的再结晶温度是( )A．一个确定的温度值B．一个温度范围 C 一个临界点D．一个最高的温度值3．为了提高大跨距铜导线的强度，可以采取适当的( )。
A．冷塑变形加去应力退火 B 冷塑变形加再结晶退火C 热处理强化D．热加工强化4 下面制造齿轮的方法中，较为理想的方法是( )。
A．用厚钢板切出圆饼再加工成齿轮B用粗钢棒切下圆饼再加工成齿轮C 由圆钢棒热锻成圆饼再加工成齿轮D．由钢液浇注成圆饼再加工成齿轮5．下面说法正确的是( )。
第六章 回复与再结晶 PPT
回复退火在工程上称之为去应力退火，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（主要是第一类内应力），以避免或减轻变 形并改善工件的耐蚀性。
第三节 再 结 晶
冷变形后的金属加热到一定温度或保温足够时 间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒， 位错密度显著降低，性能也发生显著变化，并恢复 到冷变形前的水平，这个过程称为再结晶 （recrystallization）。
A — 纯金属 B — 不纯金属 C—合 金
由于杂质原子和 合金元素阻碍再结 晶的形核和长大， 推迟再结晶过程， 从而使不纯金属和 合金中的储能在再 结晶开始以前能通 过回复而较多地释 放出来。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问
三、性能及其他指标的变化
加热过程中变形金属的性能变化
由于金属工件或材料各部分的不均匀变形所引起的，它是整个 物体范围内处于平衡的力。 2. 微观内应力（第二类内应力）
由于晶粒或亚晶粒变形不均匀而引起的，它是在晶粒或亚晶粒 范围内处于平衡的力。 3. 点阵畸变（第三类内应力）
由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原 子、位错等）引起的。只在晶界、滑移面等附近不多的原子群范 围内维持平衡，作用范围是几十至几百纳米。
第六章 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
金属和合金经塑性变形后，内部组织结构与各项 性能均发生相应变化，并产生大量晶体缺陷（位错、 空位等），变形金属中还储存了相当数量的弹性畸变 能，使其处于热力学不稳定的高自由能状态。因此， 经塑性变形的材料具有自发恢复到变形前低自由能状 态的趋势。当冷变形金属加热时会发生回复、再结晶 和晶粒长大等过程。
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。
金属材料及热处理：回复与再结晶
影响再结晶后晶粒的大小的因素
变形量。存在临界变形量，生产中应避免采用 临界变形量。
原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大，形核 位置越多，使晶粒细化。
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。
温度。变形程度和保温时间一定时，退火温度 越高，所得到的晶粒越粗大。严格控制退火保温
能量存在形式：位错（80～90％）、弹性应变 能（3～12％）和点缺陷
储存能的释放：原子迁移至平衡位置，储存能 得以释放。
储能释放的共同点：
每一曲线都出现一高峰，这个高峰 出现的位置对应于再结晶开始的温
度，在此之前，只发生回复 。
• 在回复阶段，A（纯金属）型曲线储能释放少，C型曲线储 能释放多，B型曲线则介乎二者之间
晶界凸出形核（变形量较小时） 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小(位错密度较高)的方
向
形核机制
a.高层错能金属 即相邻亚晶粒某些边界上的位错，通过
攀移和滑移，转移到这两个亚晶外边的 亚晶界上去，而使这两个亚晶之间的亚 晶界消失，合并成一个大的亚晶。 同时通过原子扩散和相邻亚晶转动，使 两个亚晶的取向变为一致。
中温回复
正负位错的抵销
高温回复
温度>0.5Tm 原子活动能力强，G降低。位错可以攀移、滑移和交
滑移，位错垂直排列形成多边化亚晶粒-多边化。 多变化可以降低弹性畸变能，消除宏观、微观应力。 亚晶略有长大。
攀移形成小角度晶界（多边化）
·
两平行滑移面上异号位 错通过攀移相互抵消
同一滑移面上异号位错攀 移过夹杂物后相互抵消
d ktn , n 1/ 2
k k0 exp(Q / RT )
晶界迁移时，弯曲的晶界总是趋向于平直化，向 曲率中心移动，结果是大晶粒吞食小晶粒而长大
第六章 回复、再结晶与金属热加工
第八章回复、再结晶与金属热加工经过冷变形后的金属材料吸收了部分变形功，其内能增高，结构缺陷增多，处于不稳定状态，具有自发恢复原始状态的趋势。
室温下，原子扩散能力底，这种亚稳定状态可以一直保持下去，一旦受热，原子扩散能力增强，就将发生组织结构与性能的变化。
回复、再结晶与晶粒长大是冷变形金属加热过程中经历的基本过程。
1 形变金属及合金在退火过程中的变化1.1 显微组织变化金属经过塑性变形，会发生加工硬化现象，而且内部产生残余内应力。
为了去除内应力，或者为了消除加工硬化现象以便继续变形，需要对冷变形金属进行加热处理。
由于变形金属内部存在严重的晶格畸变，原子处于不稳定状态，本身就有向稳定状态转变的倾向。
加热时，原子的活动扩散能力提高了，促使其向稳定状态转变，并使金属的组织结构和性能发生变化。
这种变化可分为回复（recovery）、再结晶（recrystallization）和晶粒长大（grain growth）这三图 4.11 回复再结晶回复个阶段，如图 4.11所示。
1.2 储存能释放与性能变化冷变形时，外力所作的功尚有一小部分储存在形变金属内部，这部分能量叫储存能，加热过程中，原子活动能力增强，偏离平衡位置大，能量高的原子将向低能的平衡位置迁移，将储存能逐步释放出来，使内应力松驰，纯金属储存能释放少，合金储存能释放多，储存能的释放使金属的对结构敏感的性质发生不同程度的变化。
右图给出几种性能的变化与储存能的关系2. 回复回复是指冷变形金属在加热温度较低时，金属中的一些点缺陷和位错的迁移，使晶格畸变逐渐减小，内应力逐渐降低的过程。
这时因为原子活动能力不大，所以金属的晶粒大小和形状尚无明显的变化，因而其强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只会使内应力及电阻率等理化性能显著降低。
工业上，对冷变形后金属要保持其因加工硬化而提高的强度、硬度，又需消除残余内应力的，则可在低温回复阶段加热保温，以基本去除其内应力，这种热处理称为去应力退火。
金属学及热处理-回复再结晶
6-回复与再结晶
影响因素
金属的预先变形度。金属的预先变形度越大，金属中 的储存能越多，再结晶的驱动力越大，故金属的再结晶 温度越低，但当变形度增加到一定数值后，再结晶温度 趋于一稳定值；但当变形度小到一定程度时，则再结晶 温度将趋向于金属的熔点，即不会有再结晶过程的发生。 原始晶粒大小。原始晶粒细小，晶界增多，提供更多 的有利于生核的区域。此外，细晶粒金属有更大的变形 抗力，相同变形度下，变形储能高，再结晶驱动力大， 因此，细晶粒容易发生再结晶，使再结晶温度降低。
电阻率对点缺陷比较敏感，所以它的数值有较显著的下 降，而机械性能对点缺陷的变化不敏感，所以这时机械 性能不出现变化。
6-回复与再结晶 中温阶段：位错的运动，表现为：
1. 异号位错互相吸引而抵消；
2. 缠结中的位错重新组合；
3. 亚晶粒的长大。 高温阶段：当温度大于0.5Tm后，位错可以获得足够的 能量自身除滑移外还可产生攀移，除异号位错中和外， 还有位错的组合和重新排列，例如排列成墙明显降低 弹性应变能，变形的晶体发生多边化，甚至形成亚晶 粒。
金属学与热处理
2011版
授课内容
0-绪论 1-金属的晶体结构 2-纯金属的结晶 3-二元合金相图
4-铁碳合金
5-金属及合金的塑性变形 6-金属及合金的回复再结晶 7-扩散 8-钢的热处理原理 9-钢的热处理工艺
6-回复与再结晶
金属及合金经塑性变形后，强度、硬度升高， 塑性、韧性下降，这对于某些应用是重要的， 但却给进一步的冷成形加工(例如深冲)带来困难， 常常需要将金属加热进行退火处理，以使其性 能向塑性变形前的状态转化；塑性、韧性提高， 强度、硬度下降。 本章的目的是讨论塑性变形后的金属与合金 在加热时，其组织结构发生转变的过程，主要 包括回复、再结晶和晶粒长大，了解这些过程 的发生和发展的规律。
材料科学基础课件第六章金属及合金的回复与再结晶
二、储存能及内应力的变化
1.储存能的变化
冷变形造成的偏离平衡位置 大、能量较高的原子，在加热 过程中向能量较低的平衡位置 迁移，使内应力得以松弛，储 存能随之逐渐释放出来。
2.残余内应力的变化
在回复阶段，第一类内应力 得到较为充分的消除，第二类 或第三类内应力部分得到消除。
1－纯金属；2－不纯金属；3－合金。
回复机制：
空位与间隙原子的合并
①空位迁移到金属的自由表面或 晶界处而消失；
②空位与间隙原子合并，空位与 间隙原子同时消失；
③空位与位错发生交互作用而消 失；
④空位聚集成空位片，然后崩塌 成位错环而消失。
位错环
空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
2.中温回复
2.再结晶阶段的变化
硬度和强度显著下降，塑性和韧性 显著提高，电阻率显著地降低。
再结晶阶段位错密度下降明显，点 缺陷继续减少，导致上述性能变化。
冷拉伸变形后的工业纯铜在加 热时性能的变化
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
第二节 回复（Recovery）
回复是冷变形金属在较低温度加热时，在光学显微组织发生改变前所产 生的某些亚结构和性能变化的过程。
冷变形金属在加热过程中能量的释放
在再结晶阶段，因冷变形造成的残余内应力得以完全消除。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
三、性能的变化
1.回复阶段的变化
硬度和强度略有下降，塑性和韧性 略有提高，电阻率较显著地降低，应 力腐蚀倾向显著减小。
回复阶段位错密度减少有限，但点 缺陷数量明显降低，导致上述性能的 变化。
第六章 回复及再结晶
δ T
912℃ G
L
L+γ
4.3 C
L +Fe3C
D
γ α+γ
P 0.0218 0.77 S
1148℃ F
γ +Fe3C
A1
727℃
K
α
α+Fe3C
Fe C% Fe3C
6.69
0.0008 Q
二 形变金属在退火过程中的变化
根据组织变化不同，分为三个阶段：
回复 再结晶 晶粒长大
组织 变化
变形金属加热时性能性能变化
§6-1 形变金属与合金在加热过程中的变化
1 金属加热中组织转变的原因 ——驱动力问题 退火T> Ac1 时，驱动力为相变中两相的 体积自由能之差； 退火T< Ac1时，对形变金属而言驱动力 为形变储存能(其中晶格畸变能占80~90%) ┗ 不稳定组织
铁碳相图
L+δ
1538℃ 1495℃ 0.53 J 2.11 E
② 纯度
—— 纯度↓，杂质% ↑ ，T再↑ 如：高纯铝(99.999%)： T再＝80 ℃ ； 而工业纯铝(99.9%)： T再＝ 290℃ 原因：杂质原子阻碍基体原子扩散以及晶界 迁移 又如： 纯铁： T再＝ 450℃； 而碳钢： T再＝ 500～650℃
③ 变形程度
最低再结晶 温度
——变形程度↑，T再↓ 原因： 储存能↑，驱动力↑ 当ε<40%, 影响显著； 当 ε>60%, 趋于稳定； 当ε↓↓，T再↑↑→ 无再结晶过程
③ 晶粒内部点缺陷、亚结构发生变化： Ⅰ 点缺陷大大下降 ——畸变原子回到正常晶格位置。
Ⅱ 发生多边形化过程，形成回复亚晶。
——通过异号位错的合并使位错密度有所降低，同 号位错通过“多边形化”的规整化过程，形成回复 亚晶，但仍保留较高密度位错。
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第六章回复与再结晶
(一)填空题
1. 金属再结晶概念的前提是，它与重结晶的主要区别是。
2. 金属的最低再结晶温度是指，它与熔点的大致关系是。
3 钢在常温下的变形加工称，铅在常温下的变形加工称。
4．回复是，再结晶是。
5．临界变形量的定义是，通常临界变形量约在范围内。
6 金属板材深冲压时形成制耳是由于造成的。
7．根据经验公式得知，纯铁的最低再结晶温度为。
(二)判断题
1．金属的预先变形越大，其开始再结晶的温度越高。
（）
2．变形金属的再结晶退火温度越高，退火后得到的晶粒越粗大。
（）
3．金属的热加工是指在室温以上的塑性变形过程。
（）
4．金属铸件不能通过再结晶退火来细化晶粒。
（）
5．再结晶过程是形核和核长大过程，所以再结晶过程也是相变过程。
（）；
6 从金属学的观点看，凡是加热以后的变形为热加工，反之不加热的变形为冷加工。
（）
7 在一定范围内增加冷变形金属的变形量，会使再结晶温度下降。
( )
8．凡是重要的结构零件一般都应进行锻造加工。
（）
9．在冷拔钢丝时，如果总变形量很大，中间需安排几次退火工序。
( )
10．从本质上讲，热加工变形不产生加工硬化现象，而冷加工变形会产生加工硬化现象。
这是两者的主要区别。
( )
(三)选择题
1．变形金属在加热时发生的再结晶过程是一个新晶粒代替旧晶粒的过程，这种新晶粒的晶型( )。
A．与变形前的金属相同 B 与变形后的金属相同
C 与再结晶前的金属相同D．形成新的晶型
2．金属的再结晶温度是( )
A．一个确定的温度值B．一个温度范围 C 一个临界点D．一个最高的温度值
3．为了提高大跨距铜导线的强度，可以采取适当的( )。
A．冷塑变形加去应力退火 B 冷塑变形加再结晶退火
C 热处理强化D．热加工强化
4 下面制造齿轮的方法中，较为理想的方法是( )。
A．用厚钢板切出圆饼再加工成齿轮B用粗钢棒切下圆饼再加工成齿轮
C 由圆钢棒热锻成圆饼再加工成齿轮D．由钢液浇注成圆饼再加工成齿轮
5．下面说法正确的是( )。
A．冷加工钨在1 000℃发生再结晶 B 钢的再结晶退火温度为450℃
C 冷加工铅在0℃也会发生再结晶D．冷加工铝的T再≈0.4Tm＝0.4X660℃＝264℃
6 下列工艺操作正确的是( ) 。
A．用冷拉强化的弹簧丝绳吊装大型零件淬火加热时入炉和出炉
B 用冷拉强化的弹簧钢丝作沙发弹簧
C 室温可以将保险丝拉成细丝而不采取中间退火
D．铅的铸锭在室温多次轧制成为薄板，中间应进行再结晶退火
7 冷加工金属回复时，位错( )。
A．增加B．大量消失C．重排 D 不变
8在相同变形量情况下，高纯金属比工业纯度的金属( )。
A．更易发生再结晶B．更难发生再结晶
C 更易发生回复D．更难发生回复
9 在室温下经轧制变形50％的高纯铅的显微组织是( ) 。
A．沿轧制方向伸长的晶粒B．纤维状晶粒
C 等轴晶粒D．带状晶粒
(四)改错题
1．钢的再结晶退火温度一般为1 100℃。
3．低碳钢试样的临界变形度一般都大于30％
4．锡在室温下加工是冷加工，钨在1000℃变形是热加工。
5．再结晶退火温度就是最低再结晶温度。
6．再结晶就是重结晶。
(五)问答题
1．钨(T m＝3 410C)在l 100℃、锡(T m＝232℃)在室温时进行的冷变形加工分别属于冷加工或热加工?
2．用一根冷拉钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热至1 000℃，当出炉后再次吊装工件时，钢丝绳发生断裂，试分析其原因。
3．当把铅铸锭在室温下经多次轧制成薄铅板时，需不需要进行中间退火?为什么?
4．用冷拔钢丝缠绕的螺旋弹簧，经低温加热后，其弹力要比未加热的好，这是为什么? 5．在室温下对铅板进行弯折，你会感到越弯越硬，但稍隔一会儿再行弯折，你会发现铅板又像初时一样柔软，这是什么原因?
6．用低碳钢板冲压成型的零件，冲压后发现各部位的硬度不同?为什么? 如何解决? 7．三个低碳钢试样变形度为5％，15％，30％，如果将它们加热至800℃，指出哪个产生粗晶粒?为什么?
8．口杯采用低碳钢板冷冲而成，如果钢板的晶粒大小很不均匀，那么冲压后常常发现口杯底部出现裂纹，这是为什么?
9．试述影响再结晶过程的因素。
如何确定纯金属的最低再结晶温度和实际再结晶退火温度?
10．如何区分热加工与冷加工?为什么锻件比铸件的性能好?热加工会造成哪些缺陷? 11．已知某低碳钢的抗拉强度为500MPa，若要选用这个牌号的钢来制造抗拉强度达900MPa的机器零件，问应采用除热处理以外的哪一种加工方法。
12．作沙发的冷拉弹簧钢丝，冷卷簧以后一般的弹性都能符合要求。
13．在冷拔钢丝生产过程中，常常要穿插几次中间退火工序才能拉到最终所需的尺寸要求。
如不中间退火，一直拉拔到最终尺寸，钢丝表面往往出现裂纹(发纹)甚至有中途拉断的现象发生。
这是什么原因?试述中间退火的原理及其作用。
14．解释产生下列现象的原因：室温下，铝的塑性优于铁；铁的塑性优于锌。
(六) 作图题
1．拉制半成品铜丝的过程如图5—1，试在图的下部绘出不同阶段的组织和性能的变化示意图，并加以适当解释。
(七)计算题
1．铅的熔点为327℃，锡的熔点为232℃，它们分别在室温20℃下进行压力加工，此时有无加工硬化现象?为什么?
2．已知W的熔点为3410℃，Fe为1538℃，Cu为1083℃，Pb为327℃。
比较几种金属在室温下塑性变形的能力，并简述理由。
(八)思考题
1．用以下三种方法制成齿轮，哪种方法最好?为什么?
(1) 由厚钢板切出圆饼再加工成齿轮
(2) 由粗钢棒切下圆饼再加工成齿轮
(3) 由圆钢棒热锻成圆饼再加工成齿轮
2．在纯铁板上冲一个孔，再将此板加热至200℃、400℃、600℃后保温1h, 试分析其孔
边缘内部组织的变化。