再结晶和金属热加工

回复、再结晶和金属热加工
第一节 冷变形金属在退火时的一般变化
冷金属在退火时包含如下的一些变化： • 显微组织的变化 • 性能的变化 – 力学性能的变化 – 物理性能的变化 – 储存能的释放
显微组织的变化
1. 回复阶段 显微组织几乎不发生任何变化，晶粒仍然保持为冷变形状态的 纤维状形态；
2 再结晶阶段 变形态的晶粒通过形核和长大过程，完全改变称为新的等轴晶 粒。当等轴晶粒边界互相接触，变形晶粒完全消失时，再结晶阶 段结束。（再结晶过程虽然也是形核与长大的过程，但完全是同一相 的组织形态发生转变『纤维状 等轴状』，而不是相的转变。）
晶粒长大的驱动力
• 驱动力 总的来说，晶粒长大的驱动力为：界面能的降低。晶粒长大在 热力学上是一自发过程。 • 实现方式 晶粒长大是通过晶界迁移实现的。引起晶界迁移的驱动力是界 面能的降低和界面曲率的减少。
P=2/γ
其中
P—— 界面两侧的压力差（晶粒长大时晶界迁移的驱动力）； σ—— 界 面 张 力 （ 界 面 能 ） ； γ—— 球形界面的曲率半径。
再结晶的形核方式
再结晶的形核方式主要有以下三种： 亚晶合并 亚晶迁移 晶界弓出形核（凸出形核）
亚晶合并
• 定义 两亚晶之间的亚晶界消失，使相邻的两晶粒合并而生长； • 产生条件 冷变形较大或层错能高的金属，容易以亚晶合并的方式形成再 结晶核心；
亚晶迁移
• 定义 通过亚晶界的迁移，吞并相邻的形变基体和亚晶而生长； • 产生条件 冷变形量很大或层错能低的金属中容易亚晶迁移；
正常长大
主要内容： • 正常长大时晶界的移动 • 晶粒长大的驱动力 • 晶粒的稳定形状及晶粒长大过程 • 影响晶粒正常长大的因素
正常长大时晶界的移动
• 一般规律 大晶粒吞食掉小晶粒，晶界向其曲率中心移动。这种晶界移动 方向与再结晶晶核生长时界面的移动方向相反。 • 原因 晶粒长大的驱动力与再结晶驱动力不同
实际再结晶温度
• 定义 规定：经较大冷变形（变形量>70%)的金属，再1h 退火时间内 能够完成再结晶（或>95%体积分数的再结晶）的最低退火温度， 称为实际再结晶温度。一般所说的再结晶温度常指的就是实际再 结晶温度。 • 再结晶温度与熔点的关系 对于工业纯金属，在较大冷变形量条件下，若完成再结晶的时 间为0.5~1h，则再结晶温度（T再）与熔点（Tm)的经验关系： T再≈（0.35 ~ 0.40)Tm (K)
晶界弓出形核（凸出形核）
• 定义 冷变形量较小的金属，一般是利用变形晶粒的现成大角度晶界 的迁移形成再结晶核心，称为晶界弓出或凸出形核机制； • 产生条件 设界面能为，晶界两侧晶粒单位体积储存能差为，弓出晶界从 位臵I 迁移到位臵II 必须满足条件，即并非任意一段大角度晶界都 能弓出形成再结晶晶核，必须当晶界两侧晶粒中的单位体积储存 能之差大到一定程度后才能发生弓出形核过程。
再结晶温度
• 理论再结晶温度 • 实际再结晶温度 • 影响再结晶温度的因素
理论再结晶温度
• 定义 冷变形金属中能够发生再结晶形核及长大的最低温度。 • 测试方法 – 金相法 以显微镜中观察到第一个新的无畸变新晶粒生成或晶界迁 移出现锯齿状边缘的退火温度，确定为再结晶的开始温度。 – 硬度法 将变形金属硬度与退火温度关系曲线上硬度开始明显降低 的为温度，确定为再结晶开始温度。
第二节 回复
• 回复： 经冷塑性变形的金属加热时，其光学显微组织未发生改变前 的晶体缺陷运动过程。 • 特点： 点缺陷及位错分布和数量不断改变，储存能得到了一定的释 放，为再结晶做好了准备。
回复机制与过程
• 回复机制 空位和位错通过热激活改变了它们的组态分布和数量的过程。 • 分类 根据加热温度的高低可分为： – 低温回复 – 中温回复 – 高温回复
晶粒的稳定形状及晶粒长大过程
• 从界面迁移的驱动力考虑 由△p＝2σ/γ知，当界面为平直状时， γ ，使△p0，即界 面迁移的驱动力消失，晶界变得稳定； • 从界面张力平衡考虑 晶界的迁移还受到三晶界处平衡时，三晶交汇处界面张力T1、 T2、T3与其对应的界面夹角θ1、 θ2、 θ3之间满足关系式：
原始晶粒大小
• 原始晶粒越细，再结晶后的晶粒大小越细小；
合金元素及第二相
• 微量的溶质或杂质固溶在纯金属中，产生一定的固溶强化效果， 提高变形抗力，提高储存能，提高 N ；同时微量溶质或杂质会降 低界面能动性，从而降低晶核长大速度（ G ） • 合金元素和第二相有利于再结晶晶粒的细化，固溶体合金再结晶 后的晶粒比相应纯金属的细小。
4. 晶粒间位向差
反常长大
• 定义 – 在某些情况下，晶粒长大时只有少数几个晶粒突发性地、迅 速地粗化，其他晶粒地长大速率则远远低于这些个别晶粒。 这种长大过程称为反常长大或异常最大、二次再结晶。 – 二次再结晶的驱动力：界面能的降低； – 二次再结晶中少数晶粒可以迅速长大的主要原因：组织中存 在使大多数晶界比较稳定或被钉扎，而只有少数晶界特别自 由或可动性特别大的因素。
再结晶晶核的长大
• 晶核的长大过程 再结晶晶核的长大是通过晶界迁移实现的，晶界背离其曲率中 心，向周围变形基体中迁移。界面迁移的驱动力是储存能，随着 晶核的长大，储存能不断释放。 • 再结晶过程动力学 再结晶过程的快慢与再结晶形核率（N）和晶核长大速率（G） 有关。凡是能影响N和G的因素都会影响再结晶的快慢。

退火温度与保温时间
• 当变形程度和保温时间都一定时，退火温度越高，则得到的晶粒 越粗大。如果在不同温度退火控制不同的保温时间，使之刚好完 成再结晶后就停止退火，则所获得的晶粒大小差别不大。
加热温度
• 如果退火时加热速度很慢，则变形金属在升温过程中发生回复， 储存能降低，降低，故晶粒粗化；N 反之，若提高加热速度则可 获得细的再结晶晶粒。
（注：此式不适用于合金和高纯（纯度>99.99%）金属。）
影响再结晶温度的因素
影响再结晶温度的因素包括： 1. 变形程度 2. 杂质及合金元素
3. 第二相粒子
4. 原始晶粒的大小 5. 形变温度
6. 加热时间
7. 加热速度
再结晶后晶粒的大小
• 再结晶后晶粒尺寸d与G 和 N 之间存在下列关系： G d ( )1 4 式中，α—— 常数 N 该式表明， G N 降低，则d 降低。所以能够使G N值发生变化的 因素都可能引起再结晶晶粒的变化。 • 影响因素 – 变形程度 – 退火温度与保温时间 – 加热温度 – 原始晶粒大小 – 合金元素及第二相
再结晶织构（退火织构）
•
再结晶过程中，若形成的再结晶 晶粒具有择优取向，称其为再结 晶织构。
•
再结晶织构与冷变形金属中的变 形织构有关，可能与原变形织构 位向保持一致，也可能与变形织 构位向不一致而两者之间有一定 的取向关系；
再结晶织构使材料性能出现各向 异性；
•
退火孪晶
•
一些不易产生形变孪晶的fcc金属， 经再结晶退火后会出现孪晶，称 为退火孪晶；
低温回复
• 定义 在低温范围内（1.0 ~ 0.3Tm) 内加热时，发生低温回复； • 机制 主要是空位的运动（温度较低，原子活动能力有限，仅能发生 点缺陷的运动）
中温回复
• 定义 在较高温度范围（0.3 ~ 0.5Tm)内加热时，发生中温回复； • 机制.5Tm) 加热时，发生高温回复； • 机制 温度足够高时，发生包括攀移在内的位错运动和多边化，主要 机制是多变化。 • 多变化 冷变形后在滑移面上塞积的同号刃型位错通过攀移和滑移，使 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（位错 墙）的过程。 • 多边化的驱动力 多边化的驱动力是应变能的降低。
再结晶退火
• 定义 – 将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上温度，保温一段时 间后缓慢冷却至室温的过程，称为再结晶退火。
再结晶图
• 存在两个粗晶区： – 临界变形度区域 – 二次再结晶区域
再结晶晶粒大小控制
再结晶组织的最终性能主要取决于再结晶退火后的实际晶粒尺寸： – 变形再结晶是固态条件下金属细化晶粒的有效方法； – 影响再结晶形核与长大和再结晶完成后晶粒长大的因素，均 能影响再结晶最终组织的粗细； – 较大的冷变形量，较低的变形温度，较细的原始组织，存在 微量的溶质以及尺寸与分布合适的第二相离子，均有利于获 得细的再结晶晶粒； – 避免在临界变形度附近冷变形，避免发生二次再结晶，否则 会使晶粒粗大或粗细不均匀；
•
退火孪晶是在再结晶过程中因晶 界迁移出现层错形成的。层错能 降低、越容易出现退火孪晶；
第六节 金属的热加工
金属的形变过程是属于冷加工还是热加工，与其再结晶温度（T再） 密切相关。 •热加工：在再结晶温度以上进行的变形过程； •动态回复、动态再结晶：在热变形过程中同时出现的回复与再结晶；
•静态回复、静态再结晶：预变形的金属在加热、保温过程中发生的 回复和再结晶。


变形程度
• 当冷变形量<c时，储存能很小，不足以引起再结晶，晶粒仍保 持原来大小r0。 • 当=c时，仅有个别地点的晶界达到晶界弓出形核的能量条件 （Es>2/l），极低，再结晶完成后晶粒极为粗大。 • >c后，随着，储存能，N ，再结晶晶粒随之变细。当>0时， 再结晶晶粒要细与原始晶粒。 • 适当的冷变形加再结晶是细化晶粒的有效方法之一。
第四节 再结晶后晶粒大小
• 正常长大 大多数晶粒长大速率相差不多，几乎同时长大（均匀长大）； • 异常长大（二次再结晶） 少数晶粒突发性的、不均匀地长大（非均匀长大）； • 说明： 一些晶粒地长大必然伴随着一些晶粒的缩小，即长大与缩小同 时存在。所以晶粒长大也是由于一些晶粒缩小和消失的结果，并 非指所有的晶粒都在长大。
动态回复
• 组织特点： – 动态回复的组织形态特点是在显微状晶粒内部有等轴状的亚 晶粒； – 一般动态回复常出现在层错能较高的材料中（扩展位错窄， 易于通过位错的攀移与交滑移实现动态回复）。