回复、再结晶
大连理工大学 材料科学基础 第五章 回复与再结晶
粒长大后趋于缓慢。
8
B：电阻率resistivity：其大小与点阵 中的点缺陷密切相关，随温度升高， 空位浓度下降，故电阻率呈现连续 下降趋势。
C：内应力inner stress：回复之后， 宏观内应力基本消除，微观内应力 部分消除；再结晶后，冷变形造成 的内应力全部消除。
D：密度density：密度在再结晶阶段急剧增加，主要是 由于此时位错密度显著降低造成的。
4th
冷加工变形：加工硬化，可使位错数量增加， 金属的强度和硬度增加
冷加工缺点：内应力，这种残余应力在金属零 件进一步加工和使用过程中往往会产生不应有的变 形，使用中也会由于大气环境与内应力的共同作用， 造成零件的应力腐蚀；冷加工也可能使电阻率增加 等。这时金属处于一种不稳定状态。
1
体发
不生
应
锈应
• 再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始， 在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶 的最低温度称再结晶温度。
31
影响再结晶温度的因素：
• 1、金属的预先变形度：金属预先变形程度越大, 再结晶温度 越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值， 称最低再结晶温度。
• 纯金属的最低再结晶温度与其熔点之 间的近似关系: T再≈(0.35-0.4)T熔， 其 中T再、T熔为绝对温度K.
R m r m 0
R — 屈服强度回复率
m — 变形后屈服强度 r — 回复后屈服强度 0 — 原始态的屈服强度
1.0
同一变形度的Fe在不同温度下的回复
0.8
300oC
350oC
0.6
400oC
0.4
450oC
0.2
500oC
0 100 200 300 400
铝合金热加工过程的回复与动态再结晶
铝合金热加工过程的回复与动态再结晶动态回复在材料的再结晶温度以上的加工过程称为热加工，在加工过程中伴随发生的回复过程称为动态回复。
动态回复主要发生在层错能高的金属的热加工过程中，如铝及铝合金、铁素体钢、镍合金等。
可以把变形过程中的动态回复过程看成是与通常的静态回复相类似的过程。
在这个过程中螺位错交滑移，刃位错攀移，造成位错对消和重排，并发生多边形化过程。
攀移必然伴随扩散过程，因此只有温度高于0.STm时的回复过程才会包括明显的位错攀移运动。
低温时的动态回复主要是位错的交滑移过程[27】。
在热加工过程中，一方面因形变使位错不断增殖和积累，另一方面，通过热激活使位错偶对消、胞壁锋锐规整化形成亚晶以及亚晶合并等过程也在进行，这些过程因外加应力对小角度晶界移动和反号位错对消提供了附加的驱动力而以更快的速度进行，就是说在应变硬化的同时发生动态回复。
这两类相反的过程在热变形中相互消长程度取决于被热加工金属材料的本性、形变速率和形变温度等因素。
对于高层错能材料位错的交滑移和攀移过程容易进行，因而热加工时容易发生动态回复，甚至回复过程可以完全和应变硬化平衡。
这时，在应力一应变曲线上出现流变应力不随应变而变化的稳态应变。
在到达稳态阶段前，由于加工硬化速度大于回复速度，随着应变的增加，位错密度增加，亚晶也在发展，晶粒伸长。
在稳态流变阶段中，晶粒仍然随流变方向伸长，但是位错密度保持不变，回复所形成的亚晶保持等轴形状，并且其尺寸大体保持不变。
图2一1综合描述了发生动态回复的应力一应变曲线以及显微组织的变化。
另外，在稳态阶段中，虽然流变应力保持常数，但还没有达到显微组织的真正稳态，在亚晶界面张力以及位错密度的作用下，原来的晶界会发生局部的迁动，使伸长晶粒的晶界变成锯齿状。
图2一1发生动态回复的应力一应变曲线以及微观组织变化s，一开始德态流变的应变在同一应变速率条件下，变形温度越高，动态回复进行的越快，因而在稳态流变阶段的位错密度越低，亚晶尺寸也比较大。
金属的塑性变形与再结晶(3)
同一滑移面上若有大量的位错移出，则在晶体表 面形成一条滑移线。
位错在晶体中移动时所需切应力很小，因为当位错中心前 进一个原子间距时，一齐移动的只是位错中心少数原子， 而且其位移量都不大，形成逐步滑移，这就比一齐移动所 需的临界切应力要小得多，这称为“位错的易动性”。
研究表明，亚晶界的存在使晶体的变形抗力增加， 是引起加工硬化的重要因素之一。
3.形变织构
在塑性变形过程中，当金属按一定的方向变形量 很大时(变形量大于70%以上)，多晶体中原来任 意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致，这种有 序化结构叫作“变形织构”，又称为“择优取 向”，
金属材料的加工方式不同形成不同类型的织构： 拉拔时形成的织构称为丝织构，其特征是各个晶 粒的某一晶向平行于拉拔方向；轧制时形成的织 构称为板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧 制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。
3.变形引起的内应力
在金属塑性变形过程中，大约有10％的能量转化为内应力而残留在金属中， 使其内能增加。
这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残余内应力。它是由于金 属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。
内应力一般可分为三种类型：Βιβλιοθήκη （1）宏观内应力(第一类内应力)
金属材料在塑性变形时，由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的 宏观范围内(如表层与心部)产生的残余应力。
3.1.2多晶体金属塑性变形的特点
大多数金属材料是由多晶体组成的。 多晶体塑性变形的实质与单晶体一样。 要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用，以及晶界对塑性变形的影
材料科学基础第09章再结晶-文档资料
其中A为与材料类型结构有关的常数，Q为激活能，R为 气体常数，T发生回复的温度，t为回复进行的时间。
回复动力学
因此在不同的温度下，回复到相同的程度 所用的时间的为：
即ln(t)和1/T成线形关系。一方面可以由此测 量计算它的激活能；另一方面说明热激活过程 中时间和温度的等效关系。实际上任何材料变 形后都在慢慢的发生回复，平时在室温下未见 到性能变化的仅因为变化的速度很慢。
其他组织变化
再结晶织构：材料的冷变形程度较大，如果产生了变 形织构，在再结晶后晶粒取向的遗传，组织依然存在 择优取向，这时的织构称为再结晶织构。
晶粒的非正常长大
在长大过程中，一般晶粒在正常缓慢长大时，如 果有少数晶粒处在特别优越的环境，这些大量吞食周 围晶粒，迅速长大，这种现象称为晶粒的异常长大。 这些优先长大的少数晶粒最后到互相接触，早期的 研究以为是形核和核心的生长过程，而称为“二次再 结晶”，但实质并不是靠重新产生新的晶核，而是在 一次再结晶后的长大过程中，某些晶粒的环境特殊而 产生的优先长大。 材料发生异常长大时，出现了晶粒大小分布严重 不均匀，长大后期可能造成材料晶粒尺寸过大，它们 都对材料的性能带来十分不利的影响。
回复
所谓回复，即在加热温度较低时，仅因金属中的 一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化。 回复阶段一宏观应力基本去除，微观应力仍然残存； 2. 物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可 基本回到未变形前的水平；
3. 力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有 明显的变化； 4. 光学金相组织看不出任何变化，温度较高发 生回复，在电子显微镜下可间到晶粒内部组 织的变化。(位错的胞状组织转变为亚晶)
晶粒长大的动力分析
两晶粒的界面如果是弯曲 如图所示，则在晶粒Ⅰ内存在 附加压力
材料科学基础重点总结4 材料形变和再结晶
5 材料的形变和再结晶材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都要受到外力的作用。
材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。
本章主要内容：一．晶体的塑性变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对材料组织与性能的影响二．回复和再结晶冷变形金属在加热时的组织与性能变化回复再结晶晶粒长大再结晶织构与退火孪晶5.1 晶体的塑性变形塑性加工金属材料获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得一定形状、尺寸和机械性能的型材、板材、管材或线材。
塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。
金属在承受塑性加工时，当应力超过弹性极限后，会产生塑性变形，这对金属的结构和性能会产生重要的影响。
5.1.1 单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的两种方式：滑移孪生滑移:滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动。
滑移线：为了观察滑移现象，可将经良好抛光的单晶体金属棒试样进行适当拉伸，使之产生一定的塑性变形，即可在金属棒表面见到一条条的细线，通常称为滑移线.滑移带：在宏观及金相观察中看到的滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平行的更细的线所组成的，称为滑移带。
滑移系：塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。
一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。
滑移的临界分切应力τk晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力。
滑移的特点晶体的滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分同时做整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动的结果，因此实际滑移的临界分切应力τk 比理论计算的低得多。
（滑移面为原子排列最密的面）单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动。
第7章 回复、再结晶-2
再结晶后晶粒的长大
再结晶完成后,得到细小等轴的晶粒，从 热力学角度看，晶粒长大，总的晶界面积减 少，能量降低是一个自发过程。 长大： ¾ 正常长大（连续均匀长大）：参与长大的晶粒 数量多，且分布均匀；所有晶界具有大致相同 的可动性；各晶粒尺寸差异不大，且平均尺寸 连续增大。 ¾ 异常长大（二次再结晶）：少数晶粒优先长 大，吞食周围晶粒而长成粗大晶粒。
式中：m 为比例常数，称为晶界的平均迁移率（即单位驱 动力作用下的晶界平均迁移速度）；r 为晶界的平均曲率 半径，正常长大时r≈D。 m和σ对各种金属在一定温度均可视为常数，则：
近似有： 上式表明：在恒温下，晶粒发生正常长大时，平均直径与 保温时间的平方根成线性关系。 上述关系适用：高纯度金属在高温加热保温时。在一般情 况下，时间的指数小于1/2。
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一、正常长大 长大方式： 依靠界面移动“大吃小、凹吃 凸”，长大中界面向曲率中心方向移 动，大晶粒吞食了小晶粒，直到晶界平 直化。
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1、晶粒长大时的晶界迁移方向和驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的迁移。 晶界迁移的驱动力：界面能的减少，与曲率有关。（界面
向曲率中心方向移动将引起晶界面积减小，降低界面能。但这 种驱动力与储存能相比是较小的，所以晶粒长大时晶界迁移速 度比再结晶时慢。）
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3、动态回复组织特点 在伸长的晶粒内部存在许多动态回复亚晶。 动态回复亚晶粒：胞壁位错密度小，胞内位错密度也 小。 当达到稳衡态时，动态回复亚晶有如下特征： 等轴状；胞状亚晶之间的取向差保持不变；胞壁之 间距离（亚晶尺寸）保持不变；胞壁之间的位错密度 保持不变。 注意：热加工过程中的动态回复不能看成是冷加工与 静态回复的叠加。应变与回复同时出现就避免了冷加 工效果的累积，所以，形变金属不能发展成高位错密 度，而且亚晶较细。 动态回复亚晶平均尺寸d与形变温度T和变形速率ε的 关系： d∝T/ε
热变形过程中微观组织演变机理
热变形过程中微观组织演变机理⾦属的热变形是指发⽣在再结晶温度以上的塑性变形。
⾦属发⽣塑性变形后，吸收了部分变形功，内能增⾼，结构缺陷增多，处于不稳定的状态，当条件满⾜时，就有⾃发恢复到原始低内能状态的趋势。
当温度升⾼到⼀定程度，原⼦获得⾜够扩散能⼒时，就将发⽣组织、结构以及性能的变化。
随着温度升⾼，⾦属内部依次发⽣回复与再结晶过程。
热塑性变形时，回复、再结晶与加⼯硬化同时发⽣，加⼯硬化不断被回复、再结晶消除，使⾦属材料始终保持⾼塑性、低变形抗⼒的软化状态。
因此，回复和再结晶是⾦属热变形过程中的软化机制。
⼀般认为在应⼒作⽤下的回复、再结晶称为动态回复、动态再结晶，这样在热变形过程中主要发⽣动态回复和动态再结晶。
动态回复主要通过位错的攀移、交滑移来实现。
位错运动容易、易发⽣攀移、交滑移的⾦属内部，异号位错⽐较容易相互抵消，导致位错密度下降，⾦属内部的畸变能降低，就不⾜以达到动态再结晶所需的能量。
因此，如铝、锌、镁等层错能⾼的⾦属材料，动态回复是其热塑性变形过程中唯⼀的软化机制。
⽽对于如铜、银、奥⽒体钢等层错能低的⾦属材料，在热塑性变形过程中⽆显著的动态回复过程。
这是因为层错能低，扩展位错的宽度就⼤，位错集束困难，不易产⽣位错的交滑移和攀移，这样随着变形程度增⼤，位错密度也增⼤。
当内部畸变能达到临界值时，就会发⽣动态再结晶。
本⽂中研究的连杆材料为40Cr，因此在热锻过程中的软化机制是动态再结晶。
⾦属发⽣动态再结晶过程按照应⼒⼀应变曲线的形态可分为两种:单峰型和多峰型。
单峰型动态再结晶机理是从原始晶界处重复形核和长⼤，促使晶粒的细化。
多峰型动态再结晶的机理还在研究中，因此本⽂中只讨论单峰型动态再结晶过程。
图2-2为单峰型动态再结晶材料的⾼温流变应⼒曲线。
根据曲线特征可将该类型材料的变形过程分为三个阶段:第⼀阶段:加⼯硬化和动态回复阶段，即图中的AB段。
在这⼀阶段，应⼒随着应变上升很快，⾦属出现加⼯硬化。
静态再结晶-1
1. 静态再结晶行为
在七十年代，人们对静态再结晶已进行了许多研究， 在七十年代，人们对静态再结晶已进行了许多研究，田 中用冻结热轧后的奥氏体组织直接观察的方法； 中用冻结热轧后的奥氏体组织直接观察的方法；弄清下列几 点： 在现象方面，根据温度、 （1）在现象方面，根据温度、变形量可化分为完全再结 部分再结晶、未再结晶区。 晶、部分再结晶、未再结晶区。 静态再结晶所需要的临界变形量与温度、 （2）静态再结晶所需要的临界变形量与温度、初始晶粒 尺寸有关系，温度越低，晶粒越粗，所需要的变形量越大。 尺寸有关系，温度越低，晶粒越粗，所需要的变形量越大。 多道次轧制时， （3）多道次轧制时，即使每道次变形达不到再结晶的临 界变形量，但由于形变积累的效果也能产生再结晶。 界变形量，但由于形变积累的效果也能产生再结晶。 虽然再结晶是在加工后极短的时间内开始的， （4）虽然再结晶是在加工后极短的时间内开始的，可是 进行的速度和温度有很强的依赖关系。 进行的速度和温度有很强的依赖关系。 压下量越大，初始晶粒直径越小， （5）压下量越大，初始晶粒直径越小，奥氏体再结晶晶 粒直径越细小。 粒直径越细小。 加入微量的Nb 明显的抑制再结晶。 Nb， （6）加入微量的Nb，明显的抑制再结晶。
对于不同的应变量材料的静态复旧过程可由静回复静态再结晶和准动态再结晶组成过程可由静回复静态再结晶和准动态再结晶组成而准动态再结晶的存在要以产生动态再结晶为前提而准动态再结晶的存在要以产生动态再结晶为前提当予变形量小于动态再结晶临界应变时静回复是唯一当予变形量小于动态再结晶临界应变时静回复是唯一的软化机制其特点是回复产生不需要孕育期不能的软化机制其特点是回复产生不需要孕育期不能引起引起100100的软化如曲线的软化如曲线aa所示
4. 微合金元素对静态再结晶的作用