第七章 金属及合金的回复与再结晶-3
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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
回复与再结晶
微观机理：相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆解， 位错的滑移和攀移，转移到其他晶界上，导致相邻亚晶 界消失与亚晶合并。 合并后：尺寸增大，晶界转化成大角度晶界，比小角度 晶界相比迁移率高的多，可以迅速移动，清除移动路径 上的位错，使其后面留下无畸变 的晶体，从而构成再结晶的核心。 在变形度大且具有高层错能的 金属中发生，高层错能金属 易发生交滑移而形成位错胞。
1 lg ln
1 R
lg t
图
直线斜率为K，直线的截距为 lg B
等温温度对再结晶速率v的影响，可用阿累尼乌斯公式
表示，即
v AeQ/ RT
而再结晶速率和产生某一体积分数φR所需的时间t成反
比，即
v
1 t
故
1 A'eQ / RT
t
式中 为常数，Q为再结晶的激活能；R为气体常数，T
为绝对温度 两边取对数
弓出形核时所需能量条件为：
G=
Es
dA dV
dA 若弓出的曲面为球面，dV
=
2 r
G=
Es
2
r
自发形核的能量条件为：
Es
2
L
再结晶的形核将在晶界上两点距离为2L，且弓出距离大
于L的凸起处进行。使弓出距离大于L所需的时间为再结
晶的孕育期（晶界弓出形核必经的过程）。
(2) 亚晶长大形核机制
该机制一般在大变形度下发生。 变形时位错增殖、聚集、缠结形成位错胞（胞内位错密 度很低），加热时胞壁平直化，形成亚晶，借助亚晶作 为再结晶核心。 ①亚晶合并形核
黄铜再结晶和晶粒长大的各个阶段
(e)580ºC保温15分后的金相 (f)700ºC保温10分后晶粒长 组织，晶粒已有所长大。 大的金相组织。
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。
七章-回复与再结晶习题答案（西北工业大学-刘智恩）
七章-回复与再结晶习题答案（西北⼯业⼤学-刘智恩）1．设计⼀种实验⽅法，确定在⼀定温度( T )下再结晶形核率N和长⼤线速度G （若N和G都随时间⽽变）。
2．⾦属铸件能否通过再结晶退⽕来细化晶粒?3．固态下⽆相变的⾦属及合⾦，如不重熔，能否改变其晶粒⼤⼩?⽤什么⽅法可以改变?4．说明⾦属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长⼤各阶段晶体缺陷的⾏为与表现，并说明各阶段促使这些晶体缺陷运动的驱动⼒是什么。
5．将⼀锲型铜⽚置于间距恒定的两轧辊间轧制，如图7—4所⽰。
(1) 画出此铜⽚经完全再结晶后晶粒⼤⼩沿⽚长⽅向变化的⽰意图；(2) 如果在较低温度退⽕，何处先发⽣再结晶?为什么?6．图7—5⽰出。
—黄铜在再结晶终了的晶粒尺⼨和再结晶前的冷加⼯量之间的关系。
图中曲线表明，三种不同的退⽕温度对晶粒⼤⼩影响不⼤。
这⼀现象与通常所说的“退⽕温度越⾼，退⽕后晶粒越⼤”是否有⽭盾?该如何解释?7．假定再结晶温度被定义为在1 h 内完成95％再结晶的温度，按阿累尼乌斯(Arrhenius)⽅程，N ＝N 0exp(RT Q n -)，G ＝G 0exp(RT Q g -)可以知道，再结晶温度将是G 和向的函数。
(1) 确定再结晶温度与G 0，N 0，Q g ，Q n 的函数关系；(2) 说明N 0，G 0，Q g ，Q 0的意义及其影响因素。
8．为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5％后于650℃退⽕1 h ，组织反⽽粗化；增⼤冷变形量⾄80％，再于650℃退⽕1 h ，仍然得到粗⼤晶粒。
试分析其原因，指出上述⼯艺不合理处，并制定⼀种合理的晶粒细化⼯艺。
9．冷拉铜导线在⽤作架空导线时(要求⼀定的强度)和电灯花导线(要求韧性好)时，应分别采⽤什么样的最终热处理⼯艺才合适?10．试⽐较去应⼒退⽕过程与动态回复过程位错运动有何不同。
从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶? 11．某低碳钢零件要求各向同性，但在热加⼯后形成⽐较明显的带状组织。
金属学与热处理课后习题答案
金属学与热处理课后习题答案Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#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。
≈δTm，对于工业纯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再金属来说：δ值为，取计算。
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℃。
=，可得：如上所述取T再W=3399×=℃再=1538×=℃Fe再Cu=1083×=℃再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：1、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，位错密度显着下降，性能发生显着变化恢复到冷变形前的水平，称为（一次）再结晶。
7.金属及合金的回复与再结晶
由于位错运动使其由冷 塑性变形时位错的无序 状态变为垂直分布，形 成亚晶界，这一过程称 多边形化。
图 位错在多边化过程中重新分布
第七 章金属及合金的回复与再结晶
三、亚结构的变化 金属材料经冷塑性变形后，形成胞状亚结构，在 胞内，位错密度较低，在胞壁处则集中着缠结在 一起的位错，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。 经短时回复退火后，空位密度大大下降，胞内的 位错向胞壁滑移，与胞璧内的异号位错相抵消， 位错密度有所下降。回复温度越低，变形度越大， 则回复后的亚晶粒尺寸越小。
第七 章金属及合金的回复与再结晶
一、显微组织的变化
金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定状 态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长 时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回 复、再结晶和晶粒长大。
黄 铜
加热温度 ℃
第七 章金属及合金的回复与再结晶
t0～t1为第1阶段，称为回复 ：显微组织几乎不发生变化， 晶粒仍保持变形后的形态。 t1～t2为第Ⅱ阶段，称为再结晶:变形晶粒通过形核和长大， 变为新的等轴晶粒（但不是相变）；
图变形金属退火过程中的能量释放
第七 章金属及合金的回复与再结晶
三、性能的变化规律
随着加热温度高，电阻不 断下降。 金属的电阻与晶体中点缺 陷的密度相关，点缺陷所 引起的晶格畸变会使电子 产生散射，它的散射作用 比位错所引起的更为强烈。 在回复阶段，形变金属中 缺陷密度将有明显地降低。 点缺陷密度的降低，还将 使金属的密度不断增加， 应力蚀倾向显著减小。
第七 章金属及合金的回复与再结晶
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13
§7-2 回 复
二、回复机制
多边化使应变能降低
冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积 它们的应变能是相加的，致使晶格弯曲
高温回复过程中，多边化 上下相邻的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，互相部分抵消 降低系统的应变能
14
§7-3 再
结
晶
一、再结晶晶核的形成与长大 二、再结晶温度及其影响因素 三、再结晶晶粒长大的控制
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、热加工后的组织与性能
33
一、金属的热加工与冷加工
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）
（3）第二相质点
（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，界面移动的驱动力小，晶界移动速度低 大角度晶界界面能高，界面移动的驱动力大，晶界移动速度高
31
§7-4 晶粒长大
二、晶粒的反常长大
二次再结晶 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的晶粒长大过程 特殊条件下的晶粒长大过程
原子活动能力提高，迁移至平衡位置 内应力得以松弛；储存能的释放
1 2 3 能 量 的 释 放
再 结 晶
再 再 晶粒出现的温度 结 结 晶 晶
第一批再结晶
回复阶段： 一类（宏观）内应力 第
几乎全部被消除
第二类（微观）内应力、 第三类内应力（点阵畸变）部分消除 温度 图7-2 退火过程中的能量释放 1- 纯金属 2- 不纯金属 3- 合金
第七章 金属及合金的回复与再结晶
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 形变金属与合金在退火过程中的变化 回复 再结晶 晶粒长大 金属的热加工
1
形变金属在退火过程中发生的现象
金属发生塑性变形时，外力所做的功，大部分转化为热能， 小部分（变形功的10％）保留在金属内部，变为残留应力。
塑性变形功 热能（大部分） 畸变能 空位能 位错能（80-90%）
ABC合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶晶核
亚晶合并形核机制
18
一、再结晶晶核的形成与长大
（一）形核
1.亚晶长大形核机制（变形度较大时）
(2) 亚晶界移动形核（图7-10b）
位错密度很高的亚晶界的移动
吞并相邻变形基体和亚晶
再结晶晶核
亚晶界移动形核机制
亚晶长大形核机制的特点：消耗周围的高能区 变形度 高能区
储存能（小部分）
弹性应变能（3-12%） 回复 退火 再结晶 晶粒长大
塑性变形后的金属 材料的自由能升高 在热力学上处 于不稳定状态 有自发恢复到变形前 低自由能状态的趋势
提高温度就能实 现恢复低能状态 常温下原子活动能力小 不能发生明显的变化
2
形变金属在退火过程中发生的现象
黄 铜
回复: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: 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: 再结晶结束之后晶粒的继续长大现象。
加工硬化
退火时发生回复和再结晶 （软化）
硬化、软化两个 过程同时存在 34
热加工：在再结晶温度以上的加工过程
二、动态回复和动态再结晶
（热加工过程中进行的回复与再结晶）
静态回复和再结晶：静止状态下发生的回复和再结晶
（1）形变中断或终止后的保温过程中发生的回复和再结晶。
（2）形变中断或终止后的冷却过程中发生的回复和再结晶。
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。
21
二、再结晶温度及其影响因素
再结晶温度：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再结晶 （>95%转变量）的温度。 不是一个物理常数 变形程度、材料纯度、退火时间等因素的影响，较大范围内变化
边数少于6的晶粒，将逐步缩小
边数大于6的晶粒，将逐渐长大 二维晶粒的稳定形状 29
(a) 10min
(b) 20min
(c) 30min
(d) 60min
喷射沉积7075+3.0%Al2O3铝合金在600℃保温不同时间的组织
30
§7-4 晶粒长大 一 、晶粒的正常长大
（三）影响晶粒长大的因素 （1）温度 （2）杂质与合金元素
中温回复：主要涉及位错的运动（滑移） 。
位错密度下降，位错缠结重新排列使亚晶规整化
高温回复：主要涉及位错运动（滑移+攀移）。 多边化： 冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的 位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂
直的亚晶界的过程。
驱动力：储存能的降低
12
二、回复机制
多边化： 冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的 位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂 直的亚晶界的过程。
10
§7-2 回 复
一、退火温度和时间对回复过程的影响
回复：原子迁移扩散过程, 晶体缺陷数量的减少; 储存能下降。 纯金属和合金在回复阶段 储存能的释放程度不同。 合金在回复阶段释放储存 能的70%，大大降低随后 的再结晶的驱动力。 合金元素及杂质能够显著 推迟金属的再结晶过程。
能 量 的 释 放
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。
再结晶阶段：剩余内应力可完全被消除
7
§7-1 形变金属在退火过程中的变化
三、力学性能的变化 回复阶段：
硬度略有下降， 塑性有所提高 位错密度减少有限
冷塑性变形 加工硬化 软化
退火
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
8
§7-2 回复——退火的早期阶段
定义 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。
再结晶结束后，若继续升温或延长保温时间， 晶粒之间互相吞并而长大过程。
晶粒的正常长大 ：晶粒均匀连续地长大
长大特征 晶粒的反常长大 ：晶粒不均匀不连续地长大
26
§7-4 晶粒长大 一 、晶粒的正常长大
（一）驱动力： 总的界面能的降低 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。
23
自学
温度
4. 保温时间
三、再结晶晶粒大小的控制
再结晶晶粒的平均直径
G
G 14 d k ( ) G 长大线速度 N K 比例常数
N 形核率
N
d
1. 变形度 临界变形度： 对应于得到特别粗大晶粒的变形度
<临界变形度 晶粒尺寸为原始晶粒尺寸
变形度
=临界变形度 晶粒特别粗大 >临界变形度 随变形度增加，晶粒逐渐细化
24
三、再结晶晶粒大小的控制
2. 再结晶退火温度
T升高，回复的程度越大，储存能少，使晶粒粗化。
3. 原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒越细，d越小。 45
§7-4 晶粒长大
一、晶粒的正常长大 二、晶粒的反常长大 三、再结晶退火后的组织
晶粒长大
由细到粗（晶粒长大），高能向低能，自发过程。
驱动力与界面能成正比，与曲率半径成反比
d 曲率＝角度/弧度 k ds
1 ds 曲率半径 k d
27
晶界的界面能越大，曲率半径越小（或曲率越大）,驱动力越大
有曲率，有驱动力
一 、晶粒的正常长大
晶粒正常长大的规律 晶界的移动方向：朝向曲率中心方向 弯曲晶界趋向于平直，降低表面能
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
3
§7-1 形变金属在退火过程中的变化
一、显微组织的变化 二、储存能及内应力的变化
三、力学性能的变化
4
§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： 晶粒保持纤维状或扁平状，显微组织上几乎不变化 再结晶阶段： 在变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒；随时 间的延长新晶粒不断出现并长大，直到完全改 组为新的、无畸变的细等轴晶粒。 晶粒长大阶段: 新晶粒互相吞食长大，得到稳定的尺寸。
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
（利用加工余热进行退火；冷加工以后发生的回复和再结晶）
动态回复和动态再结晶：加工过程中发生的回复和再结晶； 与变形同时进行的回复和再结晶 P209图7-26动、静态再结晶的示意图
35
二、动态回复和动态再结晶
§7-2 回 复
二、回复机制
多边化使应变能降低
冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积 它们的应变能是相加的，致使晶格弯曲
高温回复过程中，多边化 上下相邻的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，互相部分抵消 降低系统的应变能
14
§7-3 再
结
晶
一、再结晶晶核的形成与长大 二、再结晶温度及其影响因素 三、再结晶晶粒长大的控制
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、热加工后的组织与性能
33
一、金属的热加工与冷加工
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）
（3）第二相质点
（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，界面移动的驱动力小，晶界移动速度低 大角度晶界界面能高，界面移动的驱动力大，晶界移动速度高
31
§7-4 晶粒长大
二、晶粒的反常长大
二次再结晶 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的晶粒长大过程 特殊条件下的晶粒长大过程
原子活动能力提高，迁移至平衡位置 内应力得以松弛；储存能的释放
1 2 3 能 量 的 释 放
再 结 晶
再 再 晶粒出现的温度 结 结 晶 晶
第一批再结晶
回复阶段： 一类（宏观）内应力 第
几乎全部被消除
第二类（微观）内应力、 第三类内应力（点阵畸变）部分消除 温度 图7-2 退火过程中的能量释放 1- 纯金属 2- 不纯金属 3- 合金
第七章 金属及合金的回复与再结晶
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 形变金属与合金在退火过程中的变化 回复 再结晶 晶粒长大 金属的热加工
1
形变金属在退火过程中发生的现象
金属发生塑性变形时，外力所做的功，大部分转化为热能， 小部分（变形功的10％）保留在金属内部，变为残留应力。
塑性变形功 热能（大部分） 畸变能 空位能 位错能（80-90%）
ABC合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶晶核
亚晶合并形核机制
18
一、再结晶晶核的形成与长大
（一）形核
1.亚晶长大形核机制（变形度较大时）
(2) 亚晶界移动形核（图7-10b）
位错密度很高的亚晶界的移动
吞并相邻变形基体和亚晶
再结晶晶核
亚晶界移动形核机制
亚晶长大形核机制的特点：消耗周围的高能区 变形度 高能区
储存能（小部分）
弹性应变能（3-12%） 回复 退火 再结晶 晶粒长大
塑性变形后的金属 材料的自由能升高 在热力学上处 于不稳定状态 有自发恢复到变形前 低自由能状态的趋势
提高温度就能实 现恢复低能状态 常温下原子活动能力小 不能发生明显的变化
2
形变金属在退火过程中发生的现象
黄 铜
回复: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: 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: 再结晶结束之后晶粒的继续长大现象。
加工硬化
退火时发生回复和再结晶 （软化）
硬化、软化两个 过程同时存在 34
热加工：在再结晶温度以上的加工过程
二、动态回复和动态再结晶
（热加工过程中进行的回复与再结晶）
静态回复和再结晶：静止状态下发生的回复和再结晶
（1）形变中断或终止后的保温过程中发生的回复和再结晶。
（2）形变中断或终止后的冷却过程中发生的回复和再结晶。
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。
21
二、再结晶温度及其影响因素
再结晶温度：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再结晶 （>95%转变量）的温度。 不是一个物理常数 变形程度、材料纯度、退火时间等因素的影响，较大范围内变化
边数少于6的晶粒，将逐步缩小
边数大于6的晶粒，将逐渐长大 二维晶粒的稳定形状 29
(a) 10min
(b) 20min
(c) 30min
(d) 60min
喷射沉积7075+3.0%Al2O3铝合金在600℃保温不同时间的组织
30
§7-4 晶粒长大 一 、晶粒的正常长大
（三）影响晶粒长大的因素 （1）温度 （2）杂质与合金元素
中温回复：主要涉及位错的运动（滑移） 。
位错密度下降，位错缠结重新排列使亚晶规整化
高温回复：主要涉及位错运动（滑移+攀移）。 多边化： 冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的 位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂
直的亚晶界的过程。
驱动力：储存能的降低
12
二、回复机制
多边化： 冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的 位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂 直的亚晶界的过程。
10
§7-2 回 复
一、退火温度和时间对回复过程的影响
回复：原子迁移扩散过程, 晶体缺陷数量的减少; 储存能下降。 纯金属和合金在回复阶段 储存能的释放程度不同。 合金在回复阶段释放储存 能的70%，大大降低随后 的再结晶的驱动力。 合金元素及杂质能够显著 推迟金属的再结晶过程。
能 量 的 释 放
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。
再结晶阶段：剩余内应力可完全被消除
7
§7-1 形变金属在退火过程中的变化
三、力学性能的变化 回复阶段：
硬度略有下降， 塑性有所提高 位错密度减少有限
冷塑性变形 加工硬化 软化
退火
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
8
§7-2 回复——退火的早期阶段
定义 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。
再结晶结束后，若继续升温或延长保温时间， 晶粒之间互相吞并而长大过程。
晶粒的正常长大 ：晶粒均匀连续地长大
长大特征 晶粒的反常长大 ：晶粒不均匀不连续地长大
26
§7-4 晶粒长大 一 、晶粒的正常长大
（一）驱动力： 总的界面能的降低 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。
23
自学
温度
4. 保温时间
三、再结晶晶粒大小的控制
再结晶晶粒的平均直径
G
G 14 d k ( ) G 长大线速度 N K 比例常数
N 形核率
N
d
1. 变形度 临界变形度： 对应于得到特别粗大晶粒的变形度
<临界变形度 晶粒尺寸为原始晶粒尺寸
变形度
=临界变形度 晶粒特别粗大 >临界变形度 随变形度增加，晶粒逐渐细化
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三、再结晶晶粒大小的控制
2. 再结晶退火温度
T升高，回复的程度越大，储存能少，使晶粒粗化。
3. 原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒越细，d越小。 45
§7-4 晶粒长大
一、晶粒的正常长大 二、晶粒的反常长大 三、再结晶退火后的组织
晶粒长大
由细到粗（晶粒长大），高能向低能，自发过程。
驱动力与界面能成正比，与曲率半径成反比
d 曲率＝角度/弧度 k ds
1 ds 曲率半径 k d
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晶界的界面能越大，曲率半径越小（或曲率越大）,驱动力越大
有曲率，有驱动力
一 、晶粒的正常长大
晶粒正常长大的规律 晶界的移动方向：朝向曲率中心方向 弯曲晶界趋向于平直，降低表面能
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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
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§7-1 形变金属在退火过程中的变化
一、显微组织的变化 二、储存能及内应力的变化
三、力学性能的变化
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§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： 晶粒保持纤维状或扁平状，显微组织上几乎不变化 再结晶阶段： 在变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒；随时 间的延长新晶粒不断出现并长大，直到完全改 组为新的、无畸变的细等轴晶粒。 晶粒长大阶段: 新晶粒互相吞食长大，得到稳定的尺寸。
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
（利用加工余热进行退火；冷加工以后发生的回复和再结晶）
动态回复和动态再结晶：加工过程中发生的回复和再结晶； 与变形同时进行的回复和再结晶 P209图7-26动、静态再结晶的示意图
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二、动态回复和动态再结晶