回复再结晶-晶粒长大.概要
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
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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。
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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
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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。
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一文看懂回复和再结晶
一文看懂回复和再结晶回复和再结晶一、冷变形金属在加热时的组织与性能变化金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能（晶体缺陷所储存的能量）的升高将使其处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能会发生一系列变化。
这一变化过程随加热温度的升高可表现为三个阶段：回复：指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。
在此阶段，组织：由于不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同，仍为纤维状或扁平状。
性能：强度与硬度变化很小，内应力、电阻明显下降。
（回复是指冷塑性变形的金属在（较低温度下进行）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。
）再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。
在此阶段，组织：首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，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。
性能：强度与硬度明显下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢复到变形前的程度。
晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。
在此阶段，在晶界表面能的驱动下，新晶粒相互吞食而长大，最后得到较稳定尺寸的晶粒。
显微组织的变化：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。
性能变化：回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度变化不大，电阻明显下降。
再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；密度急剧升高。
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。
二、回复1. 回复动力学上图同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈服强度的回复动力学曲线特点：（1）没有孕育期；（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直至趋近于零；（3）每一温度的恢复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此一极限值所需的时间则越短；（4）预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快。
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；。
说明液固转变、回复、再结晶、晶粒长大、扩散的驱动力和可能需要的工艺条件。
说明液固转变、回复、再结晶、晶粒长大、扩散的驱动力和可能
需要的工艺条件。
液固转变的驱动力是过冷度，即实际结晶温度与理论结晶温度之差。
需要的工艺条件包括控制冷却速率和温度。
回复的驱动力是变形储存能，即在变形过程中存储在材料内部的能量。
需要的工艺条件包括加热到一定温度并保持一定时间。
再结晶的驱动力也是变形储存能。
需要的工艺条件包括加热到一定温度以上，使晶粒重新形成并长大。
晶粒长大的驱动力是界面能，即晶粒边界处的能量。
需要的工艺条件包括在一定温度下保温，使晶粒逐渐长大。
扩散的驱动力是化学势梯度，即物质在不同区域的浓度差异。
需要的工艺条件包括提供足够的能量使原子或分子能够克服扩散激活能并在材料中移动。
这些过程的具体工艺条件会根据材料的类型、变形程度、温度和时间等因素而有所不同。
回复与再结晶
• 回复 • 再结晶 • 晶粒长大 • 再结晶后的组织 • 金属的热加工
引言
冷变形金属在加热时组织性能会发生变化。 冷变形时较高的弹性畸变能、高位错密度、空
位等储存能量是促使冷变形金属发生变化的驱 动力。 微观组织处于不稳定状态。一旦加热，原子具 有足够的扩散能力，将发生一系列变化，从而 导致性能的变化。 变化时从储能释放及组织结构和性能的变化来 分析，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶 段。
• 3. 形核与长大
4.再结晶的转变不是相变
• 冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和 晶核长大来进行，但再结晶过程不是相变
• 原因有：
1.变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化， 因此它们是属于同一个相。
2.再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没 有确定的转变温度。
3.再结晶过程是不可逆的。相变过程在外界条件变化 后可以发生可逆变化。
经验公式 工业纯金属：T再＝(0.35~0.45)Tm。 合金：T再＝(0.4~0.9)Tm。
注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。
四. 影响再结晶的因素
（1）退火温度。 温度越高，再结晶速度越大。 （2）变形量。 变形量越大，再结晶温度越低 随变形量增大，再结晶温度趋于稳定 变形量低于一定值，再结晶不能进行。 （3）原始晶粒尺寸。 晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。 （4）微量溶质元素。 阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 纯度越高，再结晶温度越低； （5）第二分散相。 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。
9.2 回复
• 一 回复概念 • 回复：在加热温度较低时，仅因金属中的一些
材料科学基础I__第九章-2__(回复与再结晶)
3、凸出形核
当冷变形量较 小时，再结晶在 原晶界处形核。
对于多晶体，不同晶粒的变形 程度不同，变形大的位错密度高， 畸变能高；变形小的位错密度低， 畸变能低。低畸变区向高畸变区 伸展，以降低总的畸变能。
三、再结晶核心的长大
再结晶核心形成后，在变形基体中长大。实质是具有临界曲 率半径的大角度晶界向变形基体迁移，直至再结晶晶粒相遇， 变形基体全部消失。 温度越高，扩散越快，再结晶速度越快，时间越长，再结晶 晶粒越粗大。
其他条件相同时，原始晶粒越细，冷变形抗力越大，变形后 储存能越多，再结晶温度越低。 同样变形度，原始晶粒越细，晶界总面积越大，可供再结晶 形核的地方越多，形核率高，再结晶速度快。
5、第二相粒子
根据粒子尺寸和间距的大小，可分为二种情况： 1）粒子较粗大，间距较远——促进再结晶 原因：粒子对位错运动、亚晶界迁移的阻碍作用小；另一方 面，加速再结晶形核。 2）粒子细小，间距小——阻碍再结晶 原因：粒子阻碍位错运动和亚晶界迁移，使亚晶粒生长减慢 或停止，就阻碍了再结晶的形核与长大。
退火温度对临界变形度影响很大，温度越高，临界变形度越小。
注意：图中纵坐标，向上表示晶粒数少，尺寸大。
§9-9 再结晶后的晶粒长大
冷变形金属完成再结晶后，继续加热时会发生晶粒长大。 晶粒长大又可分为正常长大和异常长大（二次再结晶）。
一、晶粒的正常长大
再结晶刚完成时得到的是细小的、无畸变和内应力的等轴晶 粒。温度继续升高或延长保温时间，晶粒仍可以继续长大，若 是均匀地连续生长，就称为正常长大。
晶粒特别粗大。此变形度称为临界变形度。 超过临界变形度后，随变形量增加，储存能增加，使再结晶驱 所以再结晶后晶粒细化。
动力增加，形核率和长大速率同时提高，但由于形核率增加更快，
冷变形金属的回复、再结晶与晶粒长大
(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
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。
山东大学《材料科学基础》讲义第10章 回复与再结晶
第10章回复与再结晶§1 冷变形金属在加热时的变化一、显微组织的变化二、性能的变化（一）力学性能的变化回复阶段：强度、硬度、塑性等力学性能变化不大。
再结晶阶段：随加热温度升高，强度、硬度显著下降，塑性急剧升高。
当晶粒长大时，强度、硬度继续下降，塑性在晶粒严重粗化时，也下降。
（二）物理性能的变化回复阶段：，密度变化不大，电阻明显下降；再结晶阶段：密度急剧升高。
（三）内应力的变化回复阶段，内应力部分消除；再结晶阶段，内应力全部消除。
§2 回复一、回复过程中微观结构的变化机制回复：回复的驱动力：弹性畸变能的降低。
根据回复阶段加热温度及内部结构变化特征、机制不同，将其分为三类：（一）低温回复温度：0.1T m~0.3 T m。
结构变化：主要是点缺陷的运动，空位浓度降低。
（二）中温回复温度：0.3T m~0.5 T m。
结构变化：除点缺陷的运动外，位错也开始运动，位错密度降低。
（三）高温回复温度：≥0.5 T m。
结构变化：位错运动发生多边化，形成亚晶结构；总的应变能下降。
二、回复动力学特点：①无孕育期；②变化速率先快后慢；③最后趋于恒定值。
回复过程的表达式：dx / dt= - cx (c=c0exp(-Q/RT))→ln(x0/x)= c0texp(-Q/RT)。
如果采用两个不同温度将同一冷变形金属的性能回复到同样程度，则有：三、去应力退火§3 再结晶再结晶：经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。
再结晶是一个显微组织彻底改组、变形储能充分释放、性能显著变化的过程。
一、再结晶的形核及长大形核的两种方式：晶界凸出形核、亚晶形核。
（一）晶界凸出形核变形度较小时，再结晶核心一般以凸出形核方式形成。
如右图所示。
若界面由I向II推进，则：当α>π/2时，晶界可以自发生长，因此，凸出形核所需的能量条件为：ΔE>2σ/ lΔE-单位体积A、B相邻晶粒储存能差；ΔA-增加的晶界面积。
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dD 2 1 M K1 exp(Qm /( RT )) dt D D
式中，K1为常数，将上式积分可得：
D D K 2 (Qm /( RT )) t
2 t
2 0
Qm Dt D0 lg( ) lg K 或： 2 t 2.3RT
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3.4晶粒长大及其他结构变化
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即正常晶粒长大时，一定温度下，平均晶粒直径随保温时间的平方 n 根而增大，当有阻碍界面移动的其他因素存在时，有关 Dt Kt 关 1 。 系， n 7 2
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3.4晶粒长大及其他结构变化
(3)第二相粒子 3f 由前知，第二相粒子对界面迁移有约束力 F阻＝ ，会阻碍界面迁移、
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3.4晶粒长大及其他结构变化
(4)表面热蚀沟
padx b 2da
可导出 ：
p
2 b da / dx a
因 da / dx tg b / 2 s 代入10-46，得到：
2 2 b tg b p a a s
由驱动力与阻力相等，可以确定晶粒长大的极限尺寸， 2 2 b b ＝ DL a s 说明薄板材料中晶粒的极限尺寸与薄板的厚度成正比。愈薄的材料其 极限尺寸也愈小。
(2)时间
在一定温度下晶粒长大速度可写成：
dD 2 1 M K1 dt D D
上式积分，可得：
D D K 't
2 t 2 0
D 0 为恒定温度下起始平均晶粒直径，D t为经时间t后的平均晶粒直径， K’为常数，如 D t 远大于D 0，上式中 D 0可忽略不计，则由上式可导出：
Dt Ct
晶粒长大。此时，晶粒长大有一极限尺寸，由界面迁移的驱动力和约束 力的平衡所确定。 2 3 f ＝ P驱＝F阻 D L 2r 可导出：
2r
DL
4r 3f
说明晶粒长大的极限平均直径决定于第二相粒子的尺寸及其体积分数。 粒子尺寸愈小，粒子的体积分量愈大，极限的平均晶粒尺寸也愈小。
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此时，曲率半径无限大，驱动力为零，同时界面张力平衡，因而晶粒 不再长大。
2018/10/10 43.4晶粒长大ຫໍສະໝຸດ 其他结构变化二. 正常晶粒长大
如晶粒未达到六边形形状，为保持界面张力平衡，维持120°交角，则 边数小于6的晶粒形成外凸的界面，边数大于6的晶粒则具有内凹的界面， 如图10-24所示。
回复和再结晶
- -关于晶粒长大的相关知识
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3.4晶粒长大及其他结构变化
一. 概述
再结晶完成后，形成新的、细小的、无畸变的等轴晶粒。
继续加热或等温下保持会发生晶粒长大，引起一些性能变 化，如强度、塑性、韧性均会下降； 此外，伴随晶粒长大，还发生其他结构上的变化，如再 结晶织构； 晶粒长大有两种型式－正常晶粒长大和反常晶粒长大 （也称为二次再结晶）；
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3.4晶粒长大及其他结构变化
二. 正常晶粒长大
晶粒长大是界面迁移过程，以界面曲率为驱动力，弯曲界面向其曲率 中心的方向移动，以减少曲率，降低能量；
在三个晶粒相邻接的情况下，必须保证界面张力平衡的要求，单相合 金或纯金属在三晶粒会聚处，界面交角成120°时，界面张力达到平衡， 因此，晶粒长大达到的稳定形状应是规则六边形，具有平直界面，交角 互成l 20°角，如图11-23所示
在界面曲率驱动力作用下，界面向曲率中心迁移，结果，大于六边形 的晶粒将长大，而小于六边形的晶粒则缩小并消失。
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3.4晶粒长大及其他结构变化
三. 正常晶粒长大的影响因素
(1)温度
温度影响界面迁移速度；温度愈高，界面迁移速度愈大，因而晶粒长 大速度也越快。 如晶粒长大速度以晶粒平均直径 D 增大的速度( D / dt )表示，界面曲率 近似以 D 代表，则晶粒长大速度与温度有以下关系：
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3.4晶粒长大及其他结构变化
(4)表面热蚀沟 金属在高温下长时间加热时，晶界与表面相交处为达到表面张力间的相 互平衡，以趋向于热力学稳定状态，将会通过表面原子的扩散过程形成 图11-35所示的热蚀沟。 当界面张力保持平衡，有以下关系：
b 2 s sin
近似有 ： sin tg b 2 s 对于薄板材料，当热蚀沟形成，如果晶界自蚀沟处移开，就会增大晶 界面积而增加晶界能。这就产生一约束晶界移动的阻力，设单位晶界 面积作用的阻力为p，则在厚度a，单位宽度晶界上的阻力为pa，如晶 界移动dx，晶界面积增加2da，克服阻力所作的功与增加的晶界能相等， 即
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3.4晶粒长大及其他结构变化
不均匀长大中晶粒尺寸分布曲线如图11-27所示。
可以看出，晶粒尺寸分布曲线的特征是有两 个相距很宽的极大点，代表两组尺寸明显不 同的晶粒。 长大过程中，长大晶粒的尺寸及其所占面积 连续增加，而其他晶粒的尺寸保持不变，其 数目或面积减少。两组晶粒尺寸的差别逐渐 增大，最后全部形成大晶粒。 在不均匀长大中，少数大晶粒相当于核心， 吞并其他晶粒而长大，故此过程也叫二次再 结晶。
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3.4晶粒长大及其他结构变化
四. 反常晶粒长大
反常晶粒长大是在一定条件下，继晶粒正常、均匀长大后发生的晶粒 不均匀长大的过程。
长大过程中，晶粒尺寸相差悬殊，少数几个晶粒择优生长；逐渐吞并 周围小晶粒，直至这些择优长大的晶粒互相接触；周围细小晶粒消失， 全部形成粗大晶粒，过程结束，如图11-26所示。
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3.4晶粒长大及其他结构变化
发生反常晶粒长大或二次再结晶有以下三个基本条件，即稳定基体、 有利晶粒和高温加热。
1) 稳定基体
一次再结晶完成后发生晶粒长大，长大过程中由于某些因素的阻碍，
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3.4晶粒长大及其他结构变化
二. 正常晶粒长大
正常晶粒长大是在再结晶完成后继续加热或保温过程中， 在界面曲率驱动力的作用下，晶粒发生均匀长大的过程；
金属基体体积中，晶粒尺寸分布均匀，连续增大，以给定 尺寸的晶粒数目ni或所占面积Si与晶粒尺寸Di关系作图如图 所示 ；
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