金属学与热处理第七章回复与再结晶
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材料科学基础@七 回复与再结晶
15
第二节 再结晶
再结晶:当变形金属被加热到较高温度时，由 于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变 化，被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大， 变成新的均匀、细小的等轴晶粒的过程。
再结晶的驱动力：弹性畸变能的降低
16
再结晶的形核和长大过程
17
再 结 晶 的 形 核 和 长 大 过 程
18
再结晶过程特点
二 再结晶动力学 （1）再结晶速度与温度的关系（热激活过程）
v再＝Aexp(-QR/RT)
（2）规律 开始时再结晶速度很小，在体积分数为50％时 最大，然后减慢。
25
26
三 再结晶温度 1 再结晶与相变的区别 共同点：①形核-长大过程；
②都使组织形态发生了彻底改变； ③转变动力学也有固态相变特点。 区别： ①再结晶前后各晶粒的点阵结构类型和成分都 未变化。 ②再结晶温度不像结晶那样有确定的转变温度。
流线的应用：流线的分布形态与零件的几何外 形一致并在零件内部封闭。不在外部露头。
例如曲轴工作时最大应力与流线平行，冲击力 与流线平行，不易断裂。
58
59
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。 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。
带状组织和纤维 组织有何异同
53
动态回复中的组织： （1）也发生多边化(类似静态回复)，形成亚晶。 亚晶在稳定阶段保持等轴状态和恒定尺寸。 （2）动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶， 故仍呈纤维状
亚晶的尺寸受变形速率与变形温度的影响，变形速率 越小，变形温度越高，生成的亚晶尺寸也越大。
54
2 动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。
62
第二节 再结晶
再结晶:当变形金属被加热到较高温度时，由 于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变 化，被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大， 变成新的均匀、细小的等轴晶粒的过程。
再结晶的驱动力：弹性畸变能的降低
16
再结晶的形核和长大过程
17
再 结 晶 的 形 核 和 长 大 过 程
18
再结晶过程特点
二 再结晶动力学 （1）再结晶速度与温度的关系（热激活过程）
v再＝Aexp(-QR/RT)
（2）规律 开始时再结晶速度很小，在体积分数为50％时 最大，然后减慢。
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三 再结晶温度 1 再结晶与相变的区别 共同点：①形核-长大过程；
②都使组织形态发生了彻底改变； ③转变动力学也有固态相变特点。 区别： ①再结晶前后各晶粒的点阵结构类型和成分都 未变化。 ②再结晶温度不像结晶那样有确定的转变温度。
流线的应用：流线的分布形态与零件的几何外 形一致并在零件内部封闭。不在外部露头。
例如曲轴工作时最大应力与流线平行，冲击力 与流线平行，不易断裂。
58
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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。 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。
带状组织和纤维 组织有何异同
53
动态回复中的组织： （1）也发生多边化(类似静态回复)，形成亚晶。 亚晶在稳定阶段保持等轴状态和恒定尺寸。 （2）动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶， 故仍呈纤维状
亚晶的尺寸受变形速率与变形温度的影响，变形速率 越小，变形温度越高，生成的亚晶尺寸也越大。
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2 动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。
62
第7章 金属的回复与再结晶--8章扩散
性能变化
2/2
原子仅短程扩散
回复 再结晶
原子可长程扩散
晶粒长大
组织变化
强度
塑性
加热温度
图18.冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化
7.1 冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化(2/2) 返回
说明：再结晶阶段的T比回复阶段更高，原子活动能力增大，晶粒的显微组织 开始发生变化，由破碎的晶粒变成完整的晶粒，拉长的纤维状转变成等轴晶 粒 再结晶的变化过程为：
7.3.2热加工对金属组织和性能的影响 返回
1、改善铸态组织： a、可焊合铸锭中的气孔和疏松，部分地消除偏析，使粗大的枝晶、柱状 简言之： 晶和粗大等轴晶粒破碎，并在再结晶中转变为细小均匀的等轴晶粒； b、改善夹杂物、碳化物的形态、大小与分布； 1、消除铸态组织缺陷：通过热加工可使气孔、缩孔大部 c、以上两点提高了材料的致密度和力学性能，如塑性和冲击韧性较铸态 分焊合，铸态疏松被消除，使其力学性能得到提高。 有明显提高。 2、形成热加工纤维组织（流线）：应使流线分布合理。 a、沿变形方向呈纤维状的夹杂物在再结晶时形状不会改变，从而在纵 2、使晶粒细化：提高金属的力学性能。 向 宏观试样上可看到平行的条纹组织，即热加工纤维组织； b、材料的力学性能呈现出各向异性，沿纤维方向（纵向）较垂直于纤 3、形成纤维组织：若纤维流线分布合理，与构件应力方 维 向一致，可大大提高构件的性能。（见 P208上的图7-23） 3、形成带状组织： 方向（横向）具有较高的强度、塑性和韧性。 a、亚共析钢中呈带状分布的夹杂物和某些元素（如P）会成为先共析F 析 4、形成带状组织：它会引起钢材力学性能各向异性。一 出时的位置，使F也呈带状分布，在F两侧是呈带状分布的珠光体。 b、过共析钢中带状组织表现为密集的粒状碳化物条带，是钢锭中的显 般可用热处理方法将带状组织加以消除。 微偏析在热加工变形过程中延伸而成的碳化物富集带。 c、钢的力学性能呈各向异性，特别是使横向、韧性降低。
2/2
原子仅短程扩散
回复 再结晶
原子可长程扩散
晶粒长大
组织变化
强度
塑性
加热温度
图18.冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化
7.1 冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化(2/2) 返回
说明：再结晶阶段的T比回复阶段更高，原子活动能力增大，晶粒的显微组织 开始发生变化，由破碎的晶粒变成完整的晶粒，拉长的纤维状转变成等轴晶 粒 再结晶的变化过程为：
7.3.2热加工对金属组织和性能的影响 返回
1、改善铸态组织： a、可焊合铸锭中的气孔和疏松，部分地消除偏析，使粗大的枝晶、柱状 简言之： 晶和粗大等轴晶粒破碎，并在再结晶中转变为细小均匀的等轴晶粒； b、改善夹杂物、碳化物的形态、大小与分布； 1、消除铸态组织缺陷：通过热加工可使气孔、缩孔大部 c、以上两点提高了材料的致密度和力学性能，如塑性和冲击韧性较铸态 分焊合，铸态疏松被消除，使其力学性能得到提高。 有明显提高。 2、形成热加工纤维组织（流线）：应使流线分布合理。 a、沿变形方向呈纤维状的夹杂物在再结晶时形状不会改变，从而在纵 2、使晶粒细化：提高金属的力学性能。 向 宏观试样上可看到平行的条纹组织，即热加工纤维组织； b、材料的力学性能呈现出各向异性，沿纤维方向（纵向）较垂直于纤 3、形成纤维组织：若纤维流线分布合理，与构件应力方 维 向一致，可大大提高构件的性能。（见 P208上的图7-23） 3、形成带状组织： 方向（横向）具有较高的强度、塑性和韧性。 a、亚共析钢中呈带状分布的夹杂物和某些元素（如P）会成为先共析F 析 4、形成带状组织：它会引起钢材力学性能各向异性。一 出时的位置，使F也呈带状分布，在F两侧是呈带状分布的珠光体。 b、过共析钢中带状组织表现为密集的粒状碳化物条带，是钢锭中的显 般可用热处理方法将带状组织加以消除。 微偏析在热加工变形过程中延伸而成的碳化物富集带。 c、钢的力学性能呈各向异性，特别是使横向、韧性降低。
第七章 金属及合金的回复和再结晶(金属学与热处理崔忠圻课后答案)
第七章金属及合金的回复和再结晶7-1 用冷拔铜丝线制作导线，冷拔之后应如何如理，为什么？答：应采取回复退火（去应力退火）处理：即将冷变形金属加热到再结晶温度以下某一温度，并保温足够时间，然后缓慢冷却到室温的热处理工艺。
原因：铜丝冷拔属于再结晶温度以下的冷变形加工，冷塑性变形会使铜丝产生加工硬化和残留内应力，该残留内应力的存在容易导致铜丝在使用过程中断裂。
因此，应当采用去应力退火使冷拔铜丝在基本上保持加工硬化的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力），改善其塑性和韧性，提高其在使用过程的安全性。
7-2 一块厚纯金属板经冷弯并再结晶退火后，试画出截面上的显微组织示意图。
答：解答此题就是画出金属冷变形后晶粒回复、再结晶和晶粒长大过程示意图（可参考教材P195，图7-1）7-3 已知W、Fe、Cu的熔点分别为3399℃、1538℃和1083℃，试估算其再结晶温度。
答：再结晶温度：通常把经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成超过95%再结晶转变量的温度作为再结晶温度。
1、金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在一经验关系式：T再≈δTm，对于工业纯金属来说：δ值为0.35-0.4，取0.4计算。
2、应当指出，为了消除冷塑性变形加工硬化现象，再结晶退火温度通常要比其最低再结晶温度高出100-200℃。
如上所述取T再=0.4Tm，可得：W再=3399×0.4=1359.6℃Fe再=1538×0.4=615.2℃Cu再=1083×0.4=433.2℃7-4 说明以下概念的本质区别：1、一次再结晶和二次在结晶。
2、再结晶时晶核长大和再结晶后的晶粒长大。
答：一次再结晶和二次在结晶。
定义一次再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度，保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新的等轴晶粒，位错密度显著下降，性能发生显著变化恢复到冷变形前的水平，称为（一次）再结晶。
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
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。
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
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位错的攀移是通过空位扩散到位错线处来实现的， 而空位的扩散又是一种热激活过程，因此多边化的速 度随温度升高而迅速增加。
回复退火（又称去应力退火）的应用：
回复退火主要是用作去应力退火，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，以避免变形或开裂，并改善工件的耐 蚀性。如:经冷冲压的黄铜工件、冷拉钢丝卷制弹 簧。
恢复再结晶的驱动力：塑性变形后的储存能
7－1 冷变形金属在加热时的组织 和性能变化
随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再 结晶、晶粒长大。 回复（recovery）—在较低加热温度时，变形后金属 的光学显微组织发生改变前，所产生的某些亚结 构和性能的变化过程。 再结晶（recrystallization）—经回复后的变形金属， 在加热时，纤维状晶粒通过再结晶核心的形成及 长大，变成无畸变的等轴新晶粒的过程。 晶粒长大（grain growth）— 再结晶后的金属继续加 热时，将使晶粒进一步长大的过程。
(二) 再结晶温度
再结晶温度(recrystallization temperature)： 定义：经严重冷变形（大于 70% ）的金属，在约一小时 的保温时间内能够完成再结晶（大于 95% ）的温度。 用TR(或T再)表示。 一般 TR = δTm ；Tm为熔点 工业纯金属δ＝（0.35～0.40）； 高纯金属 δ＝（0.25～0.35） 下表给出了一些金属的TR 应该注意的是：实际生产时再结晶退火温度要比再结 晶温度高出100－200℃
(2) 亚晶形核
对于变形度较大的金属,再结晶形核往 往采用这种方式。亚晶核核方式有： 1. 亚晶合并机制：在变形度大且具有高层错 能的金属中。 2. 亚晶迁移（boundary migration）机制 （也叫吞并机制）：在变形度大,而层错能 低的金属中。
5、总结：再结晶核心无论以哪种方式形成，一旦形
5.加热温度、保温时间：加热温度越高、保温时 间越长，晶粒越大。
加热温度与晶粒尺寸
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: （ 1 ） 正 常 晶 粒 长 大 （ normal grain growth）:均匀长大 （ 2 ） 异 常 晶 粒 长 大 （ abnormal grain growth）: 不 均 匀 长 大 ， 又 称 二 次 再 结 晶 (secondary recrystallization)；把通常说的 再 结 晶 称 为 一 次 再 结 晶 ( primary recrystallization)。
冷变形金属退火时性能变化
退火温度与黄铜强度、塑性和晶粒大小的关系
7-2 回复
一、回复动力学
从图中可以看出，1)时间一定时，温度越高，经回复后加工硬化残 余量越少，回复越快； 2) 当温度一定时，在前十几分钟，残余加工 硬化减少得快，说明回复速度快，然后随时间的增加而逐渐减慢。
三、回复的机制 (一)
（一）晶粒正常长大
1 . 晶粒长大的方式：长大是通过大晶粒吞食小
晶粒，晶界向曲率中心的方向移动进行的。 2. 驱动力：来源于晶界迁移后体系总的自由能 的降低，即总的，界面能越大，见P210图7－17)。 3. 晶粒大小: 在恒温下发生正常晶粒长大时， 平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大。当 金属中存在阻碍晶界迁移的因素(如杂质)时, 的指数项小于1/2。
1.
(一) 再结晶过程
再结晶过程是形核和长大,但无晶格类型变化。
1. 形核
再结晶晶核是存在于局部高能区域内 , 以多边化形成的亚晶 为基础形核。其形核机制有： (1) 晶界弓出形核 ( 凸出形核机制 ) 对于变形度较小 （<20%）的金属，再结晶核多以这种方式。其形核过程如图， 弓出形核时所需能量条件为：△Es≧2γ/L
低温回复
经冷加工变形的金属通常在较低的温度范围就开始回复， 表现在因变形而增高的电阻率发生不同程度的下降，但这 时其机械性能不出现变化。由于金属的电阻率对点缺陷很 敏感，而机械性能对点缺陷不敏感，所以这种低温下发生 的回复与金属中点缺陷的变化有关。 一般认为低温回复主要是由于塑性变形所产生的过量空 位消失的结果，其消失至少存在四种可能的机制：
一、加热时冷变形金属显微组织发生变化
图7-1
(b)回复阶段,保持原来形状(纤维状) （c) 再结晶阶段,变形晶粒转变为等轴晶粒 (d) 晶粒长大阶段,晶粒尺寸发生变化
黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的照片
（a）黄铜冷加工变形量达到CW＝38％后的显微组织，可 见粗大晶粒内的滑移线。
（b）经过580º C保温3秒后的组织，可见试样上开始出现 白色小的颗粒即再结晶出的新的晶粒
第七章 回复和再结晶
一.冷变形金属在加热时的组织和性能变化 二. 回复 三. 再结晶 四. 晶粒长大 五. 金属的热加工
概述
上一章可知，经塑性变形后的金属其纤维 组织和亚结构均发生变化，同时金属会产生加 工硬化和残余应力，这会使金属的进一步加工 困难。所以冷变形金属需要进行退火，但实际 生产中退火的目的不同，有的需要消除加工硬 化，有的只需要去处内应力而保持加工硬化效 果。所以要研究变形金属加热时的组织及性能 的变化规律。
（c）580º C保温4秒后的金相组织显示有更多新的晶粒出现。 （d）580º C保温8秒后的金相组织，可见粗大的带有滑移线 的晶粒已完全被细小的新晶粒所取代，即完成了再结晶
•（e）580º C保温15分后的金相组织。晶粒已有 所长大。 •（f）在700º C保温10分后晶粒长大的情形。
•
退火时，由于温度升高原子的能动性增加，即原 子的扩散能力提高，而回复阶段只是消除了由于冷 加工应变能产生的残余内应力，大部分应变能仍然 存在，变形的晶粒仍未恢复原状。 • 所以，随着保温时间加长，新的晶粒核心便开始形 成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶 （recrystallization）的开始。随着保温时间的加长 或温度的升高，再结晶部分愈来愈多，直到原来的 晶粒全部被新的小晶粒所代替。 • 进一步保温或升温，新晶粒尺寸开始增大，这就是 晶粒长大现象。 (采自美国GE公司）。
临界变形度：发生再结晶的最小变形度。
晶粒粗大的原因：变形量小→变形不均匀且少量晶粒变 形→再结晶晶核少→晶粒粗大。
2. 原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒 越细，再结晶后的晶粒越小。（晶粒小晶界多， 再结晶形核位置多，形核率高，晶粒细小。） 3.合金元素及杂质：一般起细化作用。一方面增 加变形后的储存能，另一方面阻碍晶界迁移。 4.变形温度：变形T升高，回复程度越大，变形 储存能越低，晶粒粗化。
储存的能量较高，再结晶温度则较低。）
3. 微量溶质原子：其作用一方面以固溶状态存在于金 属中，会产生固溶强化作用，有利于再结晶；另一 方面溶质原子偏聚于位错和晶界处，起阻碍作用。 总体上起阻碍作用，使TR提高。
4. 退火工艺参数：加热速度过于缓慢 TR 上升 （使回复进行的彻底，储存能减少，再结晶 驱动力减少，再结晶温度升高）； 加热速度极快时，TR上升（再结晶形核长大没 有足够时间，使其推迟到更高温度）； 当变形程度和保温时间一定，退火温度 越高，再结晶速度快；在一定范围内延长保 温时间，TR降低。
1. 在保持加工硬化状态下降低内应力，为后续加工 提供可能，同时可减轻工件的翘曲和变形。
2. 降低电阻率。 3. 提高材料耐蚀性。 4. 提高工件使用的安全性。
7-3 再结晶
再结晶是一个显微组织重新改组，变形储 存能充分释放,性能显著变化的过程，其驱动力 为回复后未被释放的变形储存能。再结晶后金属 性能回复到变形前的状态。 2.再结晶与重结晶 相同：均通过形核与长大两个阶段；转变前后成 分不变。 不同点：再结晶前后晶体结构相同，但显微组织 不同；重结晶前后晶格类型不同，如，铁的同素 异构转变为重结晶。
二. 性能变化
1. 力学性能 (1) 硬度（ hardness）和强度（ strength）: 回复阶段 , 变化 不大,再结晶时硬度和强度明显下降。 (2) 塑性 : 回复阶段 , 变化不大 ; 再结晶阶段上升；粗化后下 降。 2. 物理性能 (1) 电阻（resistance）:温度升高，电阻率下降。 (2) 密度（ density）: 回复阶段变化不大，再结晶阶段上升。 3. 内应力:回复阶段宏观应力基本消除完毕 ,而微观应力消除 需再结晶后才能完成 4. 亚晶粒 (sub-grain) 尺寸：回复前期亚晶粒尺寸变化不大， 接近再结晶温度时，尺寸显著增大。 由此可见，储存能释放（release of stored energy）：再 结晶温度对应能量释放高峰。
在退火过程中通过刃型位错的滑移和攀移，使同号刃型位错 沿垂直于滑移面方向排列成小角度亚晶界的过程称为多边化。 多边化后刃型位错的排列情况如图所示。
位错的攀移：位 错沿垂直于滑移 面方向的运动。
图7-5 刃型位错的攀移和滑移示意图
2、冷变形金属发生多边化过程的驱动力来自应变能的 下降。
当同号的正刃型位错塞积于同一滑移面上时，它们 的应变能是相加的，因为在每一个正刃型位错的应变 场内，滑移面上部的区域都受到压缩，下部都受到伸 张；而当多边化后同号的正刃型位错沿滑移面的法线 方向重叠排列时，上下相邻的两个正刃型位错的区域 内，上面一个位错所产生的张应变场正好与下面一个 位错所产生的压缩应变场相迭加，从而互相部分的抵 消。
（1）空位迁移到金属的自由表面或晶界而消失；
（2）空位与间隙原子重新结合而消失； （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。
（二）中温回复 这种回复发生于较之低温回复稍高一些的温度范围， 其主要的机制是位错滑移导致位错重新组合，以及异 号位错会聚而互相抵消。 （三）高温回复 1 、高温回复的主要机制为多边化。冷变形后由于同号刃 型位错在滑移面上塞积而导致点阵弯曲的晶体[见图]，
回复退火（又称去应力退火）的应用：
回复退火主要是用作去应力退火，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，以避免变形或开裂，并改善工件的耐 蚀性。如:经冷冲压的黄铜工件、冷拉钢丝卷制弹 簧。
恢复再结晶的驱动力：塑性变形后的储存能
7－1 冷变形金属在加热时的组织 和性能变化
随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再 结晶、晶粒长大。 回复（recovery）—在较低加热温度时，变形后金属 的光学显微组织发生改变前，所产生的某些亚结 构和性能的变化过程。 再结晶（recrystallization）—经回复后的变形金属， 在加热时，纤维状晶粒通过再结晶核心的形成及 长大，变成无畸变的等轴新晶粒的过程。 晶粒长大（grain growth）— 再结晶后的金属继续加 热时，将使晶粒进一步长大的过程。
(二) 再结晶温度
再结晶温度(recrystallization temperature)： 定义：经严重冷变形（大于 70% ）的金属，在约一小时 的保温时间内能够完成再结晶（大于 95% ）的温度。 用TR(或T再)表示。 一般 TR = δTm ；Tm为熔点 工业纯金属δ＝（0.35～0.40）； 高纯金属 δ＝（0.25～0.35） 下表给出了一些金属的TR 应该注意的是：实际生产时再结晶退火温度要比再结 晶温度高出100－200℃
(2) 亚晶形核
对于变形度较大的金属,再结晶形核往 往采用这种方式。亚晶核核方式有： 1. 亚晶合并机制：在变形度大且具有高层错 能的金属中。 2. 亚晶迁移（boundary migration）机制 （也叫吞并机制）：在变形度大,而层错能 低的金属中。
5、总结：再结晶核心无论以哪种方式形成，一旦形
5.加热温度、保温时间：加热温度越高、保温时 间越长，晶粒越大。
加热温度与晶粒尺寸
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: （ 1 ） 正 常 晶 粒 长 大 （ normal grain growth）:均匀长大 （ 2 ） 异 常 晶 粒 长 大 （ abnormal grain growth）: 不 均 匀 长 大 ， 又 称 二 次 再 结 晶 (secondary recrystallization)；把通常说的 再 结 晶 称 为 一 次 再 结 晶 ( primary recrystallization)。
冷变形金属退火时性能变化
退火温度与黄铜强度、塑性和晶粒大小的关系
7-2 回复
一、回复动力学
从图中可以看出，1)时间一定时，温度越高，经回复后加工硬化残 余量越少，回复越快； 2) 当温度一定时，在前十几分钟，残余加工 硬化减少得快，说明回复速度快，然后随时间的增加而逐渐减慢。
三、回复的机制 (一)
（一）晶粒正常长大
1 . 晶粒长大的方式：长大是通过大晶粒吞食小
晶粒，晶界向曲率中心的方向移动进行的。 2. 驱动力：来源于晶界迁移后体系总的自由能 的降低，即总的，界面能越大，见P210图7－17)。 3. 晶粒大小: 在恒温下发生正常晶粒长大时， 平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大。当 金属中存在阻碍晶界迁移的因素(如杂质)时, 的指数项小于1/2。
1.
(一) 再结晶过程
再结晶过程是形核和长大,但无晶格类型变化。
1. 形核
再结晶晶核是存在于局部高能区域内 , 以多边化形成的亚晶 为基础形核。其形核机制有： (1) 晶界弓出形核 ( 凸出形核机制 ) 对于变形度较小 （<20%）的金属，再结晶核多以这种方式。其形核过程如图， 弓出形核时所需能量条件为：△Es≧2γ/L
低温回复
经冷加工变形的金属通常在较低的温度范围就开始回复， 表现在因变形而增高的电阻率发生不同程度的下降，但这 时其机械性能不出现变化。由于金属的电阻率对点缺陷很 敏感，而机械性能对点缺陷不敏感，所以这种低温下发生 的回复与金属中点缺陷的变化有关。 一般认为低温回复主要是由于塑性变形所产生的过量空 位消失的结果，其消失至少存在四种可能的机制：
一、加热时冷变形金属显微组织发生变化
图7-1
(b)回复阶段,保持原来形状(纤维状) （c) 再结晶阶段,变形晶粒转变为等轴晶粒 (d) 晶粒长大阶段,晶粒尺寸发生变化
黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的照片
（a）黄铜冷加工变形量达到CW＝38％后的显微组织，可 见粗大晶粒内的滑移线。
（b）经过580º C保温3秒后的组织，可见试样上开始出现 白色小的颗粒即再结晶出的新的晶粒
第七章 回复和再结晶
一.冷变形金属在加热时的组织和性能变化 二. 回复 三. 再结晶 四. 晶粒长大 五. 金属的热加工
概述
上一章可知，经塑性变形后的金属其纤维 组织和亚结构均发生变化，同时金属会产生加 工硬化和残余应力，这会使金属的进一步加工 困难。所以冷变形金属需要进行退火，但实际 生产中退火的目的不同，有的需要消除加工硬 化，有的只需要去处内应力而保持加工硬化效 果。所以要研究变形金属加热时的组织及性能 的变化规律。
（c）580º C保温4秒后的金相组织显示有更多新的晶粒出现。 （d）580º C保温8秒后的金相组织，可见粗大的带有滑移线 的晶粒已完全被细小的新晶粒所取代，即完成了再结晶
•（e）580º C保温15分后的金相组织。晶粒已有 所长大。 •（f）在700º C保温10分后晶粒长大的情形。
•
退火时，由于温度升高原子的能动性增加，即原 子的扩散能力提高，而回复阶段只是消除了由于冷 加工应变能产生的残余内应力，大部分应变能仍然 存在，变形的晶粒仍未恢复原状。 • 所以，随着保温时间加长，新的晶粒核心便开始形 成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶 （recrystallization）的开始。随着保温时间的加长 或温度的升高，再结晶部分愈来愈多，直到原来的 晶粒全部被新的小晶粒所代替。 • 进一步保温或升温，新晶粒尺寸开始增大，这就是 晶粒长大现象。 (采自美国GE公司）。
临界变形度：发生再结晶的最小变形度。
晶粒粗大的原因：变形量小→变形不均匀且少量晶粒变 形→再结晶晶核少→晶粒粗大。
2. 原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒 越细，再结晶后的晶粒越小。（晶粒小晶界多， 再结晶形核位置多，形核率高，晶粒细小。） 3.合金元素及杂质：一般起细化作用。一方面增 加变形后的储存能，另一方面阻碍晶界迁移。 4.变形温度：变形T升高，回复程度越大，变形 储存能越低，晶粒粗化。
储存的能量较高，再结晶温度则较低。）
3. 微量溶质原子：其作用一方面以固溶状态存在于金 属中，会产生固溶强化作用，有利于再结晶；另一 方面溶质原子偏聚于位错和晶界处，起阻碍作用。 总体上起阻碍作用，使TR提高。
4. 退火工艺参数：加热速度过于缓慢 TR 上升 （使回复进行的彻底，储存能减少，再结晶 驱动力减少，再结晶温度升高）； 加热速度极快时，TR上升（再结晶形核长大没 有足够时间，使其推迟到更高温度）； 当变形程度和保温时间一定，退火温度 越高，再结晶速度快；在一定范围内延长保 温时间，TR降低。
1. 在保持加工硬化状态下降低内应力，为后续加工 提供可能，同时可减轻工件的翘曲和变形。
2. 降低电阻率。 3. 提高材料耐蚀性。 4. 提高工件使用的安全性。
7-3 再结晶
再结晶是一个显微组织重新改组，变形储 存能充分释放,性能显著变化的过程，其驱动力 为回复后未被释放的变形储存能。再结晶后金属 性能回复到变形前的状态。 2.再结晶与重结晶 相同：均通过形核与长大两个阶段；转变前后成 分不变。 不同点：再结晶前后晶体结构相同，但显微组织 不同；重结晶前后晶格类型不同，如，铁的同素 异构转变为重结晶。
二. 性能变化
1. 力学性能 (1) 硬度（ hardness）和强度（ strength）: 回复阶段 , 变化 不大,再结晶时硬度和强度明显下降。 (2) 塑性 : 回复阶段 , 变化不大 ; 再结晶阶段上升；粗化后下 降。 2. 物理性能 (1) 电阻（resistance）:温度升高，电阻率下降。 (2) 密度（ density）: 回复阶段变化不大，再结晶阶段上升。 3. 内应力:回复阶段宏观应力基本消除完毕 ,而微观应力消除 需再结晶后才能完成 4. 亚晶粒 (sub-grain) 尺寸：回复前期亚晶粒尺寸变化不大， 接近再结晶温度时，尺寸显著增大。 由此可见，储存能释放（release of stored energy）：再 结晶温度对应能量释放高峰。
在退火过程中通过刃型位错的滑移和攀移，使同号刃型位错 沿垂直于滑移面方向排列成小角度亚晶界的过程称为多边化。 多边化后刃型位错的排列情况如图所示。
位错的攀移：位 错沿垂直于滑移 面方向的运动。
图7-5 刃型位错的攀移和滑移示意图
2、冷变形金属发生多边化过程的驱动力来自应变能的 下降。
当同号的正刃型位错塞积于同一滑移面上时，它们 的应变能是相加的，因为在每一个正刃型位错的应变 场内，滑移面上部的区域都受到压缩，下部都受到伸 张；而当多边化后同号的正刃型位错沿滑移面的法线 方向重叠排列时，上下相邻的两个正刃型位错的区域 内，上面一个位错所产生的张应变场正好与下面一个 位错所产生的压缩应变场相迭加，从而互相部分的抵 消。
（1）空位迁移到金属的自由表面或晶界而消失；
（2）空位与间隙原子重新结合而消失； （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。
（二）中温回复 这种回复发生于较之低温回复稍高一些的温度范围， 其主要的机制是位错滑移导致位错重新组合，以及异 号位错会聚而互相抵消。 （三）高温回复 1 、高温回复的主要机制为多边化。冷变形后由于同号刃 型位错在滑移面上塞积而导致点阵弯曲的晶体[见图]，