材料科学基础 冷变形变形金属的回复、再结晶与晶粒长大
材料科学基础@七 回复与再结晶
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
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再结晶的形核和长大过程
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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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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
材料科学基础-回复与再结晶
3.亚晶界迁移、亚晶长大形核
亚晶迁移机制：层错能较低时，位错密度较大的亚晶界，向位向差较大 的周围亚晶方向迁移，并逐渐转化为大角晶界，成为成核中心并长大
再结晶核心的长大
➢ 长大实质：具有临界曲率半径的大角界面向变形基体迁移 消耗变形基体至全部消失 ➢ 驱动力：新晶粒与周围畸变母体之间的应变能差。低能区 兼并高能区
变形程度（% CW）
临界变形量（度）：给定温度下
发生再结晶需要一个最小变形量 （程度），一般金属约为2~10%
再结晶后晶粒的大小
约翰逊-梅厄方程：
d
常数
×
(
G N
1
)4
d — 再结晶晶粒尺寸；N — 形核率；G — 长大速率
— 变形量的影响：
临界变形度下再结晶得到特别粗大晶粒；变形 量大于临界变形量后，变形越大，晶粒越细小
特征： 1.组织不发生变化； 2.宏观一类应力全部消除，微观二类应力大部分消除； 3.一般力学性能变化不大，某些物理性能有较大变化； 4.变形储能（回复再结晶驱动力）在回复阶段部分释放。
1.低温回复
回复过程机制
主要与空位变化相关
原因：金属中的空位具有平衡浓度，冷变形形成过饱和 空位在低温回复中消失以保持平衡浓度，使能量降低。
再结晶性能变化
— 硬度明显下降：正在消除 加工硬化的影响 — 储能释放明显提高：将释 放90%的变形总储能，用于再 结晶的形核与长大 — 亚晶粒尺寸明显变大：新 的晶粒替代亚晶粒 — 电阻率持续下降：无畸变 新晶粒出现，点缺陷减少
再结晶过程机制
1.晶界弓出形核（应变诱导晶界移动、凸出形核） 特点：变形程度较小时（小于20% CW），晶粒间变形不均匀、位错密度
-
Q RT
冷变形金属的回复、再结晶与长大
根据加热温度不同，发生回复、再结晶及晶粒长大过程，经塑性变形后的金的过程称之为“退火”.回复阶段，从光学显微镜下观察的组织几乎没有变化，晶粒仍是冷变形之后的纤维状；在再结晶阶段，首先是出现新的无畸变的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形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，是在界面能的驱动下，再结晶的新晶粒相互吞并而长大，以获得该温度下更为稳定的晶粒尺寸回复和再结晶的驱动力是内部储存的畸变能（内应力），在回复和再结晶过程中全部释放出来，不同的金属类型，再结晶以前释放的储能不同，从纯金属→不纯金属→合金，储能的释放增加；由于杂质和溶质原子阻碍再结晶的形核和长大，推迟再结晶过程.三个阶段金属的性能变化如图所示：①电阻率在回复阶段就已明显下降，到再结晶时下降更快，最后恢复到变形前的电阻；②强度和硬度在回复阶段下降不多，再结晶开始后硬度急剧下降，降低的规律因金属的种类不同而不同；③内应力在回复阶段明显下降,宏观内应力在回复时可以全部或大部分被消除，微观内应力部分消除；在再结温度以上，微观内应力被全部消除.④材料的密度随退火温度升高而增加.所谓回复是指冷变形金属在加热时，在新的无畸变晶粒出现之前，所产生的亚结构与性能的变化过程.回复动力学研究材料的性能向变形前回复的速率问题：①回复过程没有孕育期；②在一定的温度下，初期的回复速率很高，以后逐渐减慢，直到最后回复的速率为零.③每一个温度的回复过程都有一个极限值，退火温度越高，这个极限值越高，需要时间越短.R为回复时已恢复的加工硬化，σm σr σ0分别为变形后、回复后以及完全退火的屈服应力，R越大，（1-R）越小，表示回复阶段性能恢复程度越大.回复过程的组织变化与回复机制多边形化：金属塑性变形后，滑移面上塞积的同号刃型位错沿原滑移面水平排列，高温时通过滑移和攀移使位错变成沿垂直滑移面的排列，形成所谓的位错墙，每组角度晶界分割晶粒成亚晶，这一过程称为位错的多边形化.只在产生単滑移的晶体中，多边形化过程最典型，多滑移情况下可能存在，更易形成胞状组织.胞状组织的规整化：过剩空位消失，变形胞状组织内的位错被吸引到胞壁，并与胞壁中的异号位错互相抵消位错密度降低，位错变得平直较规整，当回复继续时，胞胞壁中的位错缠结逐渐形成能量较低的位错网，胞壁变薄，单胞有所长大，构成亚晶粒.亚晶粒的合并：可能通过位错的攀移和位错壁的消失，从而导致亚晶转动来完成.去应力退火：冷变形金属经回复后使内应力得到很大程度的消除，同时又能够保持效果，因此回复退火又称为去应力退火.工件中内应力的降低可以避免工件的变形或开裂，②异号位错在热激活作用下相互吸引而抵消③亚晶粒长大；①位错攀移和位错环缩小；②亚晶粒合并；③多边形化；中温回复（0.3-0.5T m ）高温回复（≧0.5T m ）不同温度下对应的回复机制（T 表示熔点）温度回复机制低温回复（0.1-0.3T m ）①点缺陷移至晶界或位错处消失；②点缺陷①缠结中的位错重新排列而构成亚晶；.冷加工”塑性变形后的金属再进行加热仍是冷变形之后的纤维状；在周围的变形基体而长大，直到阶段，是在界面能的驱动粒尺寸的过程.回复和再结晶过程中全部释放金属→不纯金属→合金，储能，推迟再结晶过程.这个极限值越高，需要时间越短.后以及完全越大.沿原滑移面水平排列，高温时，每组位错墙均以小可能存在，更易形成胞状组织.被吸引到胞壁，并与胞壁中的时，胞内几乎无位错，单胞有所长大，构成亚晶粒.导致亚晶转动来完成.够保持冷变形的硬化开裂，并提高其耐腐蚀性.而抵消，位错密度下降；熔点）点缺陷合并；；0σσσσ--=m r m R质原子被吸附在晶界，织；②加工温度范围在速率敏感系数.状；抛光表面没有显示滑移线；，晶粒长大越明显；。
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第10章 回复与再结晶一、选择题1．形变后的材料再升温时发生回复和再结晶现象，则点缺陷浓度下降明显发生在（）。
A．回复阶段B．再结晶阶段C．晶粒长大阶段【答案】A2．晶体长大时如生长速率与动态过冷度成正比，则（）。
A．该晶体与液相的界面为粗糙界面B．该晶体与液相的界面为光滑界面C．该晶体藉螺型位错长大【答案】A3．下面关于对再结晶温度影响的说法中，错误的为（）。
A．冷形变程度越小则再结晶温度越高B．在同样的冷变形程度下，原始晶粒尺寸越小则再结晶温度越低C．第二相粒子分布越弥散则再结晶温度越低【答案】C4．下面关于回复与再结晶机制的差别中，正确的为（）。
A．回复不需要孕育期，而再结晶需要孕育期B．回复不需要激活能，而再结晶需要激活能C．回复不能降低形变态的应变能，而再结晶将降低形变态的应变能【答案】A5．形变后的材料在低温回复阶段时其内部组织发生显著变化的是（）。
A．点缺陷的明显下降B．形成亚晶界C．位错重新运动和分布【答案】A6．再结晶结束后发生晶粒长大时的驱动力主要来自（）。
A．高的外加温度B．高的材料内部应变能C．高的总晶界能【答案】C二、填空题1．结晶过程中晶体界面向液相推移的方式被称为______，与液固界面的微观结构有关。
2．再结晶完成后，晶粒长大可分为______晶粒长大和______晶粒长大。
【答案】正常；异常三、名词解释1．回复答：回复是指经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）所产生的某些结构和性能的变化过程。
2．动态再结晶答：动态再结晶是指再结晶温度以上变形和再结晶同时进行的现象。
3．二次再结晶答：二次再结晶是再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。
四、简答题1．说明冷变形金属加热时回复、再结晶及晶粒长大的过程和特点。
答：（1）回复过程①组织不发生变化，仍保持变形伸长的晶粒形态。
③一般力学性能变化不大，硬度、强度仅稍有降低，塑性稍有提高；某些物理性能有较大变化，电阻率显著降低，密度增大。
冷变形后金属的变化
冷变形后金属的变化
金属在冷变形后，组织和性能会发生一系列变化。
具体来说，随着冷变形程度的增加，金属的强度和硬度会上升，而塑性和韧性会下降。
这是因为在冷变形过程中，金属内
部的晶格结构会发生扭曲，产生大量的晶体缺陷，如位错和畸变，这些缺陷会导致金
属的强化。
同时，由于冷变形过程中金属的晶粒被拉长、破碎和细化，导致金属的塑
性和韧性下降。
此外，冷变形后的金属在加热时，组织和性能也会发生变化。
具体来说，随着温度的
升高，原子扩散能力增加，金属将经历回复、再结晶和晶粒长大等过程。
在回复阶段，金属中的位错和空位等缺陷会重新排列，形成较为稳定的晶格结构，导致金属的力学
性能变化不大，但塑性略有提高。
当温度继续升高，金属将发生再结晶，形成新的等
轴晶粒组织。
在这个过程中，金属的强度和硬度会进一步上升，而塑性和韧性会明显
改善。
金属在冷变形后组织和性能会发生变化，具体变化程度取决于变形程度和加热温度等
因素。
了解这些变化对于材料的加工、选材和应用都具有重要意义。
8材料科学基础课件-第四章回复与再结晶
ln t 如图：
斜率＝Q/R
ln t D Q / RT
或： ln
t1 Q 1 1 ( ) t2 R T1 T2
1 T
由实验斜率可求得Q，据此推算其机制。
返回
一般来讲，激活能Q ln t
不只是一个，常按回复温
度高低分为低温、中温和 高温回复。对应的激活能 为Q1、Q2、Q3。
Q3 Q2
第四章
回复与再结晶
变形金属的热行为
返回
章目录：
4.1 4.2 4.3 4.4 冷变形金属在加热时的变化 回 复
再结晶 再结晶后的晶粒长大
4.5
4.6 4.7
再结晶退火及其组织
金属的热变形 超塑性加工
返回
经冷变形的金属具有如下特点：
• 机械性能和理化性能发生明显变化。强度、硬度升高，塑性韧性下降。
迁移的大角度晶界，成为核心。
• 特点：
（高层错能材料Al，Ni等）
位错易于攀移，位错重排成稳定的亚晶界，胞内位错密度低。
返回
② 亚晶生长
通过亚晶界移动生长，成为大角度晶界。
（低层错能材料，位错难以重组，胞内位错密度高。如 Co、Ag、Cu、Au变量较小时）
A • 作ΔP — T℃曲线如图，能量释放 峰对应于新晶粒的出现 — 再结 0 A — 纯金属，B — 合金
返回
B
T℃
晶，在此之前为回复。
三、性能的变化
经冷变形的金属
缓慢加热，测其性能
的变化，如图所示。
性能急变区对应于新
晶粒的出现，再结晶
之前为回复，之后为
晶粒长大。
返回
总之：由以上变化说明，冷变形金属在加热时要 经历三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。
材科基考点精讲(第8讲 回复与再结晶)
回复与再结晶主讲人：王准网学天地网学天地（ ）版权所有主要内容一、冷变形金属在加热时的组织和性能的变化二、回复过程三、再结晶过程四、晶粒长大过程五、热加工对金属组织和性能的影响网学天地（ ）版权所有一、冷变形金属在加热时的组织和性能的变化回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。
再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。
1. 回复与再结晶网学天地（ ）版权所有回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。
晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。
2. 显微组织变化（示意图）网学天地（）版权所有网学天地（ ）版权所有（1）力学性能（示意图）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。
（2）物理性能密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。
3. 性能变化储存能变化（示意图）网学天地（）版权所有网学天地（ ）版权所有5. 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。
网学天地（ ）版权所有二、回复1. 回复过程的特征（1）组织不发生变化，仍保持变形状态伸长的晶粒；（2）变形引起的宏观一类应力全部消失，微观二类应力大部分消除；（3）一般力学性能变化不大；某些物理性能有较大变化，电阻率显著降低，密度增大。
（4）变形储存能在回复阶段部分释放。
网学天地（）版权所有网学天地（ ）版权所有（3）高温回复（>0.5T m ）位错攀移（＋滑移）→位错垂直排列（亚晶界）→多边化（亚晶粒）→弹性畸变能降低。
冷变形金属的回复、再结晶与晶粒长大
30
ductility
20
300 Recovery
RecrystallizatioGnrain Growth
(二)、回复机制
以相对温度表征回复进行程度：
TH=T/Tm T为实际温度， Tm为熔点。
1. 低温回复（0.1<TH<0.3)
期间空位浓度明显降低，两种方式：点缺陷迁移至晶界、 表面、位错处消失；空位与间隙原子相遇而对消。
3. 力学性能：
强度、硬度略减小, 塑性略有提高。
4. 物理性能：
因点缺陷密度降低，电阻率减小、密度增大。
材料的变形与再结晶
回复和再结晶过程中显微硬度下降趋势
Vickers hardness
50
as deformed state (80% rolling reduction)
annealing at 300oC
材料的变形与再结晶
(一)、回复过程的特征 回复定义：
冷变形金属在加热时，在新的无畸变晶粒出现以 前，所产生的亚结构与性能变化的过程。
回复过程的特征：
1. 组织形貌：
光学显微镜下仍是变形组织形态，但高倍显微 镜下观察到胞状位错缠结形成的亚晶。
材料的变形与再结晶
2. 内应力：
宏观残余内应力完全消除，有部分微观残余内应力。
• Effects of cold work are reversed!
tensile strength (MPa) ductility (%EL)
Annealing Temperature (癈)
100 3 00 500
600 tensile strength
700 60
50 5 00
40
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II. 再结晶过程
3 Johnson-Mehl-Avrami 恒温动力学方程
X R = 1 − exp(− Kt )
适用条件： 恒定退火温度； 非瞬时形核，N随时间发生变化 n值为3-4
n值的确定：
n
lg ln[1 /(1 − X R )] = lg K + n lg t
冷变形金属的再结晶
冷变形金属的再结晶
I. 重要概念
一、金属的冷变形状态
非均匀变形产生残余内应力； 原等轴晶粒沿变形方向被拉长； 结构缺陷(空位和位错)密度增加； 位错组态和分布发生变化：随形变量增加，位 错增殖→位错缠结→位错胞
二、变形储存能
冷变形所消耗的能量中有百分之几到百分之十 几存在于晶体内部，称为储存能。主要存在于结 构缺陷中。
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶形核
• Grain boundaries are preferred sites for nucleation • Finer grain size prior to deformation leads to more random nucleus distribution
Re cr yst al l iza tio n Gr ain
20
III.再结晶后的晶粒长大
一、正常晶粒长大 二、异常晶粒长大
Gr ow th
ductility (%EL)
一、金属的冷变形状态 二、变形储存能 三、静态回复 四、静态再结晶
Annealing Temperature (癈) 100 3 00 5 00 700 60 600
tensile strength
500
50
I. 重要概念
一、金属的冷变形状态
非均匀变形产生残余内应力； 原等轴晶粒沿变形方向被拉长； 结构缺陷(空位和位错)密度增加； 位错组态和分布发生变化：随形变量增加，位 错增殖→位错缠结→位错胞
二、变形储存能
冷变形所消耗的能量中有百分之几到百分之十 几存在于晶体内部，称为储存能。主要存在于结 构缺陷中。
冷变形金属的再结晶
II. 速率随形变量的变化
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶过程
三、再结晶动力学
1 主要内容
研究再结晶量（体积分数）随时间的变化特性
2 Johnson-Mehl 恒温动力学方程
X R = 1 − exp(−π / 3 NG 3t 4 )
推导条件： 恒定退火温度； 瞬时、饱和位置形核； 核心长大速率各向同性且不随时间发生变化
(2)亚晶合并形核
冷变形金属的再结晶
2γ b R> E1 − E 2
II. 再结晶过程
二、再结晶的形核率及长大速率
1. 定义
形核率指在单位时间、单位体积内形成的再结晶 核心的数目，常以N表示。 再结晶核心长大速率指再结晶核心单位时间内一 维线性尺寸的增加量，常以G表示。 注意： N是无量纲的，而G是以m/s为国际单位表征的
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶形核
弱变形区 强变形区
RD
Rx RD
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶形核
• If nucleation starts in high stored energy regions then growth rate decreases as nucleus grows • If nucleation at a scale larger than stored energy variations, the average growth rate remains constant
指冷变形金属在再结晶温度以上退火时，由新 的无畸变的晶粒取代变形晶粒的过程。再结晶不 是相变过程，它只有组织变化而没有晶体结构的 变化。
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶过程
一、再结晶的形核
1. 形核驱动力
变形储存能 2. 形核位置 邻近严重畸变区的弱畸变区或无畸变区; 应变不协调区或强变形区; 大角度界面，如晶界、相界、孪晶界、滑移 带界面、或原基体晶粒内某些位向差较大的亚 晶界上。 此外，直径>1微米的大粒子邻近区的局部强 烈畸变区。
冷变形金属的再结晶
II.再结晶过程
再结晶核心长大与变形程度之间的关系
• Intergranular variation in stored energy causes variations in the growth rates of different nuclei
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶过程
第三章第八节
冷变形金属的回复、再结晶与晶粒长大
《材料科学基础》第九章第九节
本节主要内容
I. 再结晶有关概念
tensile strength (MPa)
II. 再结晶过程
一、再结晶的形核 二、再结晶的形核率及长大速率 三、再结晶动力学 四、再结晶温度及晶粒尺寸
40 30
400
ductility
300 R eco v er y
2. 再结晶形核率和再结晶核心长大速率的表达式
C N = C0 ( E D − E D − Fp ) exp(
− QG G = kGB E exp( ) RT
− QN ) RT
3. 再结晶形核率和再结晶核心长大速率的影响因素
(1）变形程度 临界变形量的概念 (2）第二相粒子及夹杂物 （3）初始晶粒尺寸 （4）退火温度 （5）材料特性
冷变形金属的再结晶
I. 重要概念
三、静态回复
指冷变形金属加热时，在新的无畸变晶粒出现 以前经历的亚结构及性能变化的过程。回复机制 主要包括位错运动构成低能组态、位错胞转化为 亚晶粒、亚晶合并长大局部形成大位向差晶界等 几个阶段。
冷变形金属的再结晶
I. 重要概念
冷变形金属的再结晶
I. 重要概念
四、静态再结晶
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶过程
3. 形核方式
(1)晶界弓出形核
• Driving force is the stored energy difference across the grain boundary • For the bulge to grow, the rate of decrease in the stored energy must be greater than the energy increase due to the formation of the new boundary • The critical condition for bulge growth is given by