金属及合金的回复与再结晶教学文稿

金属及合金的回复与

再结晶

金属及合金的回复与再结晶

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塑性变形以前的过程。晶粒仍保持伸长的纤维状．

再结晶：冷变形金属被加热到适当温度后，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐步取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消失的过程。

回复与再结晶的驱动力都是储存能的降低

储存能：存在于冷形变金属内部的一小部分（约为10％）变形功．形变温度越低，形变量越大，则储存能越高。

储存能存在形式：弹性应变能（３％～１２％）＋点阵畸变能点阵畸变能包括点缺陷能和位错能，点缺陷能所占的比例较小，而位错能所占比例较大，约占总储存能的８０～90％。

力学性能的变化

在回复阶段：强度、硬度均略有下降，而塑性有所提高．在再结晶阶段：硬度、硬度均显著下降，塑性大大提高．在晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降

另外，金属的电阻与晶体中点缺陷的浓度有关。随着加热温度的升高，变形金属中的点缺陷浓度明显降低，因此在回复和再结晶阶段，电阻均发生了比较明显的变化，电阻不断下降。此外，点缺陷浓度的降低，应力腐蚀倾向显著减小。

回复过程及其动力学特征

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变化前所产生的某些亚结构和性能的变化过程．回复的程度是温度和时间的函数．温度越高，回复的程度越大．温度一定时，回复的程度随时间的延长而逐渐增加．但在回复初期，变化较大，随后就逐渐变慢，当达到一个极限值后，回复停止。

回复机制

低温回复时，主要涉及空位的运动。空位可以移至表面、晶界或位错处消失，也可以聚集形成空位对、空位群，还可以与间隙原子相互作用而消失，总之空位运动的结果使空位密度大大减小。电阻率对空位密度比较敏感，因此其数值会有显著下降。而力学性能对空位的变化不敏感，没有变化。

中温回复时，主要涉及位错的运动。由于位错滑移会导致同一滑移面上异号位错合并而相互抵消，位错密度略有下降，但降低幅度不大，力学性能变化不大。

高温回复时，主要涉及位错的运动。位错不但可以滑移、而且可以攀移，发生多边化，使错密度有所降低，降低系统部分内应力，从而使硬度、强度略有下降，塑性、韧性得到改善。

回复过程中亚结构（胞状亚结构）的变化

金属材料经塑性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。经短暂回复退火后，空位浓度大大下降，胞内的位错向胞壁滑移，与胞壁的异号位错相抵消，位错密度有所下降．随着回复的进一步进行，胞壁中的位错逐渐形成低能态的位错网络，胞壁变得比较明晰而成为亚晶界，接着这些亚晶界通过亚晶界的迁移而逐渐长大，亚晶粒内的位错密度进一步下降．回复温度越低，变形量越大，则回复后的亚晶粒越细小．

再结晶形核机制

亚晶长大形核机制（适用于大变形度）因在回复阶段，塑性变形所形成的胞状组织经多边形化后转变为亚晶，其中有些亚晶粒就会逐渐长大，发展成为再结晶的晶核，这种亚晶成为再结晶晶核的方式有两种：

１）亚晶界移动形核它是依靠某些局部位错密度很高的亚晶界的移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核。

２）亚晶合并形核相邻亚晶界上的位错，通过攀移和滑移，转移到周围的晶界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，然后通过原子扩散和位置的调整，终于使两个或更多个亚晶粒的取向变为一致，合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。晶界凸出形核机制（变形度约小于４０％）又称为晶界弓出形核。由于变形度小，所以金属的变形不均匀，有的晶粒变形度大，位错密度也大；有的晶粒

变形度小，位错密度也小。回复退火后，它们的亚晶粒大小也不同。在再结晶退火时，在显微镜下可以直接观察到，晶界中的某一段就向亚晶粒细小、位错密度高的一侧弓出，被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体，这就是再结晶晶核。

再结晶中的长大

当再结晶晶核形成之后，它就可以自发、稳定地生长。晶核在生长时，其界面总是向畸变区域推进。界面移动的驱动力：无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差。

界面移动的方向：背离界面曲率中心。当旧的畸变晶粒完全消失，全部被新的无畸变的再结晶晶粒所取代时，再结晶过程即告结完成，此时的晶粒即为再结晶初始晶粒。再结晶晶粒长大的驱动力是新晶粒与周围变形基体的畸变能差。

形变金属必须加热到一定的温度，才能够发生再结晶，这个温度叫再结晶温度。

再结晶温度：冷变形金属开始发生再结晶的最低温度，通常为经过严重冷变形（变形在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。

临界变形度：通常把对应于得到特别粗大晶粒的变形度称为临界变形度。当变形度达到某一数值（一般金属均在2%-10%范围内）时，由于此时的变形度很小，储存能较低，再结晶驱动力较小，形成粗大的晶粒。

影响再结晶温度的因素

①变形度。在一定的变形度范围内，变形度大，储存能多，再结晶驱动力大，再结晶温度Ｔ越低．

②变形金属中杂质和合金元素含量．含量高，位错、晶界移动的阻力大，同时溶质原子的扩散速度低，Ｔ再高。

③变形金属的晶粒大小．晶粒小，晶界多，易形核，Ｔ再低．

④加热速度和保温时间．加热速度慢，回复充分，储存能减少（这个具体原因有待考察），驱动力少，Ｔ越高；保温时间长，利于形核、长大，Ｔ再低

要想得到合适细小的再结晶晶粒，必须严格控制再结晶晶粒的长大

得到细小再结晶晶粒的方法

（１）避开临界变形度。当变形度很小时，晶粒大小没有变化．当变形度达到某一值（２％－10％）时，晶粒突然粗大。当变形度超过临界变形度后，晶粒随变形度增大而变得细小．

（２）加热温度要适当。（加热温度过高会使晶粒粗化）

（３）金属的原始晶粒尺寸要细小。变形度一定时，原始晶粒度越细，晶界越多，再结晶形核容易，所以再结晶晶粒也越细小。

（４）基体中加入合金元素，有利于细化再结晶晶粒．溶入基体中的合金元素，一方面增加变形金属的储存能，另一方面阻碍晶界的运动，一般均起细化晶粒的作用。

总结：形变金属在退火处理（在加热过程中）时，随着保温时间的延长，会发生回复、再结晶与再结晶之后的长大

再结晶与同素异构转变的区别，金属再结晶变化前后不会发生结构的变化