材料科学基础-回复与再结晶
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
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
16
再结晶的形核和长大过程
17
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。
25
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
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。
材料科学基础-第六章_金属及合金的回复与再结晶
晶界凸出形核机制
在晶界处A 晶粒中的某些亚晶粒能通过 晶界迁移而凸入B 晶粒中，借消耗B 中的 具有亚晶粒组织晶粒间的凸出形核机制 亚晶而生长，从而形成再结晶的核心。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.3 再结晶
2.长大
再结晶晶核形成之后，即借界面的移动向周围畸变区域长大。 ①再结晶晶核长大（晶界迁移）的驱动力 无畸变的新晶粒与周围畸变的旧晶粒之间的畸变能差。 ②晶界的迁移方向 晶界总是背离其曲率中心，向着畸变区域推进，直至全部形成无畸变的等 轴晶粒为止，再结晶即告完成。
将后式代入前式并积分，以x0表示开始时性能增量的残留分数，则得：
t dx Q / RT x0 x c0e 0 dt x
或
x0 ln c0 te Q/RT x
回复的速度随温度升高和加热时间的延长而增大。
举例：
采用不同的温度加热冷变形金属使之回复到同样的程度（即残留分数相 同），则所需时间不同。
轴小晶粒，并随时间的延长不断长大，直至伸长的晶粒完全转变为新的等轴 晶粒为止。
3.晶粒长大阶段
再结晶过程中形成的等轴晶粒逐步相互吞并而长大，直至达到一个稳定的 尺寸。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
二、储存能及内应力的变化
1.储存能的变化
冷变形造成的偏离平衡位置 大、能量较高的原子，在加热
冷变形后保留在金属内部的畸变 能，或称储存能。 冷变形金属在不同加热温度时 组织和性能的变化
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
一、显微组织的变化
1.回复阶段
显微组织几乎没 有发生变化，晶粒 仍保持冷变形后的 伸长状态。
材料科学基础I 回复与再结晶
§9-7 回复
一、回复过程的特征
1、回复过程中组织不发生变化； 2、宏观一类应力全部消除，微观二类应力部分消除； 3、力学性能变化很小，电阻率显著降低，密度增加； 4、变形储存的能量部分释放。
二、回复过程机制
低温回复 (0.1~0.3)Tm 低温回复阶段主要是空位浓度明显降低。原因： 1、空位迁移到金属表面或晶界而消失； 2、空位与间隙原子结合而消失； 3、空位与位错交互作用而消失； 4、空位聚集成片，晶体崩塌而转变成位错环。
经常需要将冷变形金属加热退火，以使其性能恢复到变形前。
冷变形金属与合金随 着被加热温度升高，依 次发生回复、再结晶和 晶粒长大。
右图为冷变形黄铜随 温度身高组织与性能的 变化情况。可以分为三 个阶段：回复、再结晶 和晶粒长大。其中，再 结晶阶段性能变化最大： 强度迅速下降，塑性迅 速升高。
冷变形金属在加热过程中性能随温度升高而变化，在再结晶 阶段发生突变。
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。
三、再结晶图
把再结晶退火后的晶粒大小、冷变形程度及退火温度间的关 系绘制成三维图形，称为再结晶图。
四、退火孪晶
一些面心立方结构的金属或合金，如铜、铜合金、奥氏体不 锈钢等，经再结晶退火后，其晶粒中出现孪晶组织，称为退火 孪晶。
一般认为退火孪晶 是在晶粒生长过程中 形成的。当晶粒通过 晶界移动而生长时， (111)晶面发生堆垛层 错而产生孪晶。
【材料科学基础】必考知识点第八章
2020届材料科学基础期末必考知识点总结第八章回复与再结晶第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化一回复与再结晶回复：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。
二显微组织变化（示意图）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。
三性能变化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。
四储存能变化（示意图）1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％）变形功。
弹性应变能（3～12％）2 存在形式位错（80～90％）点缺陷是回复与再结晶的驱动力3储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。
五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。
第二节回复一回复动力学（示意图）1 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系ln(x0/x)=c0t exp(-Q/RT)x0 –原始加工硬化残留率；x－退火时加工硬化残留率；c0－比例常数；t－加热时间；T－加热温度。
2 动力学曲线特点（1）没有孕育期；（2）开始变化快，随后变慢；（3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。
二回复机理移至晶界、位错处1 低温回复：点缺陷运动空位＋间隙原子缺陷密度降低（0.1~0.2Tm）空位聚集（空位群、对）异号位错相遇而抵销2 中温回复：位错滑移位错缠结重新排列位错密度降低（0.2~0.3Tm）亚晶粒长大3 高温回复：位错攀移（＋滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚（0.3~0.5Tm）晶粒）弹性畸变能降低。
材料科学基础——回复再结晶
塑性变形对金属组织与性能的影响
4. 力学性能
强度、硬度↑ 塑性、韧性↓
加工硬化
利：提高材料强度 弊：增加变形抗力，不利于进一步加工
塑性变形对金属组织与性能的影响
5. 残余应力(remnant stress)
金属形变时，外力做功 的大部分以热的形式散 掉，只有一小部分 （10%-15%）以残余内 应力的方式储存在形变 金属中（储存能），它 随形变量加大而加大， 但占形变总功的分数却 随形变量加大而减小。
Tm（Tm为金属熔点），经过一定时间后， 就会有晶体缺陷密度大为降低的现象，新等 轴晶粒在冷变形的基体内形核长大，直到冷 变形晶粒完全耗尽为止。
0.6 mm
0.6 mm
33% cold worked brass
New crystals nucleate after 3 sec. at 580C.
a. 单个位错滑移、攀移，形成亚晶界。 b. 亚晶合并成Y结点。 c. Y结点移动，亚晶长大，完成多边形化。
多边形化
内容回顾
回复的不同阶段
形变形成位错缠结和胞状结构（如图a，b）→胞内位 错重排列和对消(如图c)→胞壁的峰锐化形成亚晶(如图 d)→亚晶长大(如图e)
低温回复（ 0.1Tm ＜ T＜0.3Tm）
晶界是有利的再结晶形核 位置，原始晶粒小，再结 晶形核位置多，有利于再 结晶；但原始晶粒小，变 形较均匀，减少形核位置， 不利于再结晶。 总体是前者影响大于后者。 原始晶粒尺寸还可能影响 形变织构，从而影响再结 晶动力学。
亚晶合并机制 亚晶蚕食机制 晶界弓出机制
再结晶核心的长大
再结晶晶核一经形成，就开始自发地长大。 晶核在畸变能的作用下，背离其曲率中心， 向畸变能较高的变形晶粒推移，直到全部形 成无畸变（或畸变很少）的等轴晶粒为止。
材料科学基础4-回复、再结晶
Q Q A exp RT t1 A exp RT t2 1 2
t1 t2 exp exp 1 1 RT2 R T2 T1 e RT 1
晶粒长大--3．影响晶粒长大（即晶界迁移率）的因素
（1）温度 温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大
G =G0exp（-QG /RT）
G：晶界迁移速度 G0：常数 QG：晶界迁移的激活能
（2）第二相 晶粒长大的极限半径 R=kr/f K：常数 r：第二相质点半径 f：第二相的体积分数 ∴ 第二相质点的数量越多，颗粒越小，则阻碍晶粒长大的能 力越强。 （3）可溶解的杂质或合金元素阻碍晶界迁移，特别是晶界偏 聚现象显著的元素，其阻碍作用更大。但当温度很高时， 晶界偏聚可能消失，其阻碍作用减弱甚至消失。
§2
一、回复动力学 1．回复动力学曲线
回复
回复动力学特点：
（1）回复过程没有孕育期，随着退火的开始进行,发 生软化。 （2）在一定温度下，初期的回复速率很大，以后逐渐 变慢，直到最后回复速率为零。
（3）每一温度的回复程度有一极限值，退火温度越高， 这个极限值也越高,而达到此极限所需时间则越短
（4）回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。
TC TA TB sin A sin B sin C
当界面张力平衡时： 因 为 大 角 度 晶 界 TA=TB=TC， 而 A+B+C=360o ∴A=B=C=120o
晶粒长大--晶粒长大的方式
（3）在二维坐标中， 晶界边数少于6的晶 粒，其晶界向外凸出， 必然逐渐缩小，甚至 消失，而边数大于6 的晶粒，晶界向内凹 进，逐渐长大，当晶 粒的边数为6时，处 于稳定状态。 在三维坐标中， 晶粒长大最后稳 定的形状是正十 四面体。
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。
材料科学基础-回复与再结晶
关) — 内应力：
回复阶段消除大部或全部内应力； 再结晶阶段全部消除微观内应力 — 亚晶粒尺寸： 回复阶段变化小； 接近再结晶时，显著增大 — 密度： 再结晶阶段急剧增高(缺陷减少) — 储存能的变化： 再结晶阶段释放多
第二节：回复
现象：除内应力大大减少外，在光学显微镜下看不到金 相组织的变化。在电子显微镜下观察，点缺陷有所减少，位 错在形态上也有变化，但数量没有明显减少。
正常长大影响因素
1）温度：温度影响界面迁移速度，温度越高，界面迁移速 度越大，因而晶粒长大速度也越快。
2）时间：正常晶粒长大时，一定温度下，平均晶粒直径随 保温时间的平方根而增大。
3）第二相粒子：第二相粒子对界面迁移有约束力，阻碍界 面迁移、晶粒长大。粒子尺寸越小，粒子的体积分数越大， 极限的平均晶粒尺寸也越小。
再结晶织构的形成机制
— 定向生长理论：晶核位向各异，只有特殊位向的容易长大 — 定向形核理论：再结晶晶核具有择优取向
制耳现象：在冲制筒形和杯形零件时，各向变形不均匀， 造成薄厚不均、边缘不齐的现象。
第五节：金属的热变形
金属的热变形：金属在再结晶温度以上进行的加工、变形。
热变形的实质是:变形中形变硬化和动态软化同时进行的过程， 形变硬化为动态软化所抵消，因而不显示加工硬化作用。
— 退火温度的影响：
退火温度对刚完成再结晶时晶粒尺寸的影响不 大；但对再结晶速率影响很大，降低临界变形 度数值；促进再结晶后的晶粒的长大，温度越 高晶粒越粗
第四节：晶粒长大
晶粒长大：再结晶结束后，材料通常得到新的细小的无畸变的 等轴晶粒，若继续提高加热温度或延长加热时间，引起晶粒进 一步长大的现象 驱动力：总晶界能的降低 按特点分类： — 正常长大：大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大 — 异常长大：少数晶粒突发性的不均匀长大
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。
【材料科学基础】必考知识点第八章
2020届材料科学基础期末必考知识点总结豆第八章回复与再结晶第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化一回复与再结晶回复：冷变形金属在低温加热时，具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。
二显微组织变化（示意图）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三性能变化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。
四储存能变化(示意图)1储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分(〜10%)变形功。
「弹性应变能(3〜12%)2存在形式J位错(80〜90%) 1I点缺陷j 是回复与再结晶的驱动力3储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。
五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。
第二节回复一回复动力学(示意图)1加工硬化残留率与退火温度和时间的关系ln(x o/x)=C o texp(-Q/RT)x o原始加工硬化残留率；X—退火时加工硬化残留率；C0一比例常数；t—加热时间；T—加热温度。
2动力学曲线特点(1)没有孕育期；(2)开始变化快，随后变慢；(3)长时间处理后，性能趋于一平衡值。
3高温回复：位错攀移（+滑移）f 位错垂直排列（亚晶界）+多边化（亚（0.3~0.5Tm ）晶粒）一►弹性畸变能降低。
三回复退火的应用去应力退火：降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开 裂，提高耐蚀性。
材料科学基础 第七章 形变金属材料的回复与再结晶
三、再结晶温度及其影响因素： 影响再结晶温度高低的因素： （1）冷变形量 （2）纯度 （3）第二相颗粒 （4）晶粒大小 （5）加热速度和保温时间
19
四、控制再结晶晶粒尺寸——预先变形度、再结晶退火温度、原始 晶粒尺寸、合金元素及杂质。
预先变形度对再结晶晶粒尺寸的影响
20
工业纯铝的再结晶晶粒大小与变形量的关系 （再结晶退火温度550℃，保温时间30min） 变形量自左至右依次为：1%、2.5%、4%、6%、8%、10%、12%、15%
晶粒逐渐被吞并到相邻的较大晶粒中。
23
晶粒长大过程的特点：晶界本身趋于平直化，三个晶粒的晶界交角
趋于120º；晶界迁移总是指向其曲率中心方向；随着晶界迁移，小
晶粒逐渐被吞并到相邻的较大晶粒中。
24
25
晶 粒 的 反 常 长 大 （ 二 次 再 结 晶 ）
26
四、再结晶退火/中间退火的应用
1. 冷变形金属材料消除加工硬化——又称中间退 火，以利进一步冷加工； 2.对于无固态相变的金属材料，通过冷塑性变形 并再结晶退火，可获得细小均匀的晶粒； 3. 磁性材料获得高密度的再结晶织构。
31
热加工对金属材料组织和性能的影响——改善铸态组织、 产生纤维组织或带状组织、控制晶粒大小。
32
热加工流线
33
模锻拖钩
切削加工拖钩
34
35
一、显微组织的变化
3
二、形变储存能的降低是形变金属材料回复和再 结晶的驱动力。
4
三、残余应力和性能的变化
5
§7.2 回复
回复——冷变形金属材料加热时，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。
第7章回复和再结晶
第7章回复和再结晶第7章回复和再结晶⾦属发⽣冷塑性变形后，其组织和性能发⽣了变化，为了使冷变形⾦属恢复到冷变形前的状态，需要将其进⾏加热退⽕。
为什么将冷变形⾦属加热到适当的温度能使其恢复到冷变形前的状态呢？因为冷变形⾦属中储存了部分机械能，使能量升⾼，处于热⼒学不稳定的亚稳状态，它有⾃发向热⼒学更稳定的低能状态转变的趋势。
然⽽，在这两种状态之间有⼀个能量升⾼的中间状态，成为⾃发转变的障碍，称势垒。
如果升⾼温度，⾦属中的原⼦获得⾜够的能量（激活能），就可越过势垒，转变成低能状态。
研究冷变形⾦属在加热过程中的变化有两种⽅法。
1）以⼀定的速度连续加热时发⽣的变化；2）快速加热到某⼀温度，在保温过程中发⽣的变化。
通常采⽤。
P195图1为将冷变形⾦属快速加热到0.5T m附近保温时，⾦相组织随保温时间的变化⽰意图。
可以将保温过程分三个阶段：1）在光学显微组织发⽣改变前，称回复阶段；2）等轴晶粒开始产⽣到变形晶粒刚消失之间，称再结晶阶段；3）晶粒长⼤阶段。
7-1 回复⼀、回复的定义冷变形⾦属加热时，在光学显微组织发⽣改变前所产⽣的某些亚结构和性能的变化称回复。
⼆、回复对性能的影响内应⼒降低，电阻降低，硬度和强度下降不多（基本不变）。
三、回复的机制回复的机制根据温度的不同有三种：（⼀）低温回复机制冷变形⾦属在较低温度范围就开始回复，主要表现为电阻下降，但机械性能⽆变化。
由此认为低温回复的机制是：过量点缺陷减少或消失。
（⼆）中温回复机制温度范围⽐低温回复稍⾼。
中温回复的机制是：位错发⽣滑移，导致位错的重新组合，及异号位错相遇抵消。
发⽣中温回复时，在电镜组织中，位错组态有变化；但位错密度的下降不明显。
若两个异号位错不在同⼀滑移⾯上，在相遇抵消前，要通过攀移或交滑移，这需要更⼤的激活能，只能在较⾼的温度才能发⽣。
（三）⾼温回复机制发⽣⾼温回复时，电镜组织的特征是亚晶粒呈等轴状，即⽆变形的亚晶粒。
于是，提出了⾼温回复的多边化机制（P197图5）。
回复与再结晶
第七章回复与再结晶重点与难点内容提要：晶体在外力的作用下发生形变.当外力较小时形变是弹性的,即卸载后形变也随之消失.这种可恢复的变形就称为弹性变形.但是,当外加应力超过一定值(即屈服极限)时,卸载后变形就不能完全消失,而会留下一定的残余变形或永久变形.这种不可恢复的变形就称为塑性变形.晶体的弹性和材料的微观组织(或结构)关系不大,而晶体的塑性(和强度)则对微观组织(结构)十分敏感.本章的重点时讨论单晶体的塑性变形方式和规律,并在此基础上讨论多晶体和合金的塑性变形特点及位错机制,以便认识材料强韧化的本质和方法,合理使用,研制开发新材料.从微观上看,单晶体塑性变形的基本方法有两种:滑移和孪生.滑移和孪生都是剪应变,即在剪应力作用下晶体的一部分相对与另一部分沿着特定的晶面和晶向发生滑移.在滑移时,改特定晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向,一个滑移面和位于该面上的一个滑移方向便组成一个滑移系统.类似的,在孪生时,该特定晶面和晶向分别称为孪生面和孪生方向,一个孪生面和位于该面上的一个孪生方向组成一个孪生系统.多晶体及合金的塑性变形,其基本方式也是滑移和孪生.不过,也各有其特点,如多晶体变形时,就会受晶粒取向及晶界的影响;而合金变形时还会受到第二相的影响.陶瓷晶体的塑性变形与金属不同.除了与结合键(共价键、离子键)的本性有关外,还与陶瓷晶体中的滑移多少、位错的柏氏矢量大有关.所以,仅有那些以离子键为主的单晶体陶瓷可以进行较多的塑性变形.许多高聚物在一定的条件下都能屈服,有些高聚物在屈服之后产生很大的塑性变形,但这与金属材料的屈服现象有着本质上的差别.高聚物的变形受温度的影响很大:在Tg以下,材料是钢硬的,只有弹性变形;在Tg附近,呈粘弹性或皮革状;在Tg以上呈橡胶态;接近Tm时呈粘性流动。
基本要求：(1)熟悉滑移、孪生变形的主要特点;滑移系统及schmid定律(T=σm=Tk)(2)能用位错理论解释晶体的滑移过程,滑移带和滑移线的形成,滑移系的特点;(3)理解加工硬化、细晶强化、弥散强化、固溶强化等产生的原因和它的实际意义;(4)了解聚合物及陶瓷塑性变形的特点;(5)熟悉材料塑性变形后内部组织及性能的变化,这些变化的实际意义;(6)了解屈服现象与应变实效,它对生产有什么危害及如何消除?(7)熟悉下列概念及术语:滑移、滑移线、滑移带、滑移系、滑移面、滑移方向、临界分切应力、多滑移;孪生、孪晶、孪晶面、孪生方向;取向因子、屈服现象、吕德斯带、应变时效、柯氏气团;固溶强化、有序强化、细晶强化、弥散强化、第二相强化;纤维组织、胞状亚结构、位错网络、加工硬化、择优取向、变形织构、内应力.回复、再结晶与晶粒长大是冷变形金属加热过程中经历的基本过程。
材料科学基础回复与再结晶
（3）弥散和稠密分布的第二相粒子钉扎晶界，阻 碍迁动。
35
5. 退火温度： 退火温度越高，再结晶速度越大。退火温度与
再结晶速度v的关系可用阿累尼乌斯公式表示： v再＝Aexp（-Q/RT）
动态再结晶时，大量位错被再结晶核心的大角 度界面推移而消除，当这样的软化过程占主导地位 时，流变应力下降，应力-应变曲线出现峰值。
随材料内、外影响因素的不同，应变曲线可出 现单峰或多峰现象。
55
56
动态再结晶组织结构变化的特点： （1）晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒。 （2）反复形核，有限长大，晶粒较细。
再结晶退火温度：T再＋100～200℃。
39
第三节 晶粒长大
再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小（等 轴晶），若继续升温或延长保温时间，晶粒会继续 长大。晶粒长大是一个自发过程，晶粒长大的驱动 力来自总的界面能的降低。
晶粒长大按其特点可分为两类：
（1）正常晶粒长大（大多数晶粒几乎同时逐渐均 匀长大）；（2）异常晶粒长大（少数晶粒突发性 的不均匀长大）。
19
第二节 再结晶
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。
再结晶是一个显微组织重新改组，变形储存能 充分释放，性能显著变化的过程，其驱动为回复后 未被释放的变形储存能。
20
一、再结晶的形核与长大
1. 形核（非均匀形核）
形变温度越高，应变速率越小，应变量越大， 越有利于动态再结晶。 应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、 快的冷却速度可获得细小晶粒。
回复和再结晶讲解
下面分别详细介绍回复、再结晶、晶粒长大、 再结晶织构以及金属材料的热加工。
第二节 回复 在这一节，涉及的主要问题是：
一、回复的作用 二、回复的动力学 三、回复的机制 四、回复退火的应用
一、回复的作用
260º进行“去应力退火”，内应力能够大部分消除， 而强度、硬度基本不变。这样处理所发生的过程就是回 复。
4、在回复和再结晶的过程中，金属会释放出冷塑 性变形所储存的能量，同时性能也会发生相应的变化。
Δ P,mW Δ ρ ,10-6Ω ·cm HV
125 Δρ
100
HV
30
75
20
50 10
25
ΔP
0
100
200
300
400
温度，°C
图8-1 在室温经75%压缩变形的纯铝(纯度99.998%)以 6ºC/sec的加热速度加热时,热量差Δ P、比电阻的变化Δ ρ 及维
第八章 回复与再结晶
第一节 概述
问题:
1、金属或合金经塑性变形后，为什么要进行退火处理？
金属或合金经塑性变形后，强度、硬度、电阻率和矫 顽力等升高，塑性、韧性、导磁率和耐蚀性则下降，为使 经冷塑性变形的金属的机械性能恢复到冷塑性变形前的状 态，需要对金属加热进行退火。
2、为什么将加工硬化的金属加热到适当的温度能使其恢 复到冷塑性变形前的状态呢？
3、经冷塑性变形的金属加热时，经过那些阶段？各 阶段的特点？
依次经过回复、再结晶和晶粒长大三个阶段 （此三阶段有部分交迭）。如图1所示：
回复
再结晶
晶粒长大
0
T1
T2Biblioteka T3图1 回复、再结晶、晶粒长大过程示意图
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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
t n
Dt — t 时间时的平均晶粒直径；T — 温 度；n — 金属中存在阻碍晶界迁移因素
时，常小于1/2；Q — 晶界迁移激活能
正常长大影响因素
1）温度：温度影响界面迁移速度，温度越高，界面迁移速 度越大，因而晶粒长大速度也越快。
2）时间：正常晶粒长大时，一定温度下，平均晶粒直径随 保温时间的平方根而增大。
过程：空位 ~ 晶界（表面）、空位~ 位错、空位 ~ 间隙 原子（复合）、空位 ~ 空位（空位对、空位群、空位片） 等发生作用。
结果：空位浓度明显降低（电阻率下降）。
2.中温回复 主要与位错的滑移有关，发生位错运动和重新分布
过程：在同一滑移面上的位错，异性相吸而消失； 在不同滑移面上的位错，通过空位凝聚消除半原子面 或空位逃逸制造半原子面而消失。
再结晶退火孪晶
退火孪晶的形态：（A）晶界交角处退火孪晶；（B）贯穿晶粒的完整
退火孪晶；（C）一端中止于晶内的不完整孪晶
退火孪晶形成必须满足能量条件，层错能低的晶体容易形成退 火孪晶
再结晶织构
具有变形织构的金属，经再结晶后的新晶粒仍具有择优取向
再结晶织构与变形织构的关系：
— 与原有的织构相一致（类似遗传）； — 原有织构消失而代之以新的织构（类似变异）； — 原有织构消失不再产生新的织构
— 退火温度的影响：
退火温度对刚完成再结晶时晶粒尺寸的影响不 大；但对再结晶速率影响很大，降低临界变形 度数值；促进再结晶后的晶粒的长大，温度越 高晶粒越粗
第四节：晶粒长大
晶粒长大：再结晶结束后，材料通常得到新的细小的无畸变的 等轴晶粒，若继续提高加热温度或延长加热时间，引起晶粒进 一步长大的现象 驱动力：总晶界能的降低 按特点分类： — 正常长大：大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大 — 异常长大：少数晶粒突发性的不均匀长大
B — 常数； K — 常数
假定条件： 均匀成核、球形晶核，N 随时间指数衰减、恒温
再结晶激活能（等温过程）
阿累尼乌斯公式： v 1 Aexp( Q )
t
RT
Q — 再结晶激活能；
ln 1 ln A Q 1
T — 绝对温度；v — 再 结晶速率；t — 时间；
t
RT
A‘ — 常数；R — 气体常
✓ 微量溶质原子：提高再结晶温度，其
原因归于溶质原子的偏聚阻碍位错的滑移和 晶界的迁移，不利于再结晶的形核和长大
✓ 第二相粒子：粒子尺寸大，间距宽，有
利形核，促进再结晶；粒子尺寸小，间距密， 阻碍再结晶
✓ 退火工艺：加热速度过缓，储存能减小，
再结晶温度上升；加热速度过快，来不及形 核与长大，再结晶温度上升；延长保温时间 会降低再结晶温度
再结晶织构的形成机制
— 定向生长理论：晶核位向各异，只有特殊位向的容易长大 — 定向形核理论：再结晶晶核具有择优取向
✓ 回复过程无孕育期； ✓ 初期的回复速率大，随后逐渐变慢； ✓ 特定温度下，回复程度有极值，退火 温度愈高，极值愈大； ✓ 预变形量愈大，起始回复速率愈大； 小晶粒尺寸也有利于回复过程加快
剩余应变硬化分数（1-R）
1.0
（1-R）愈小，回复程度愈大
0.8
300oC
350oC
0.6
400oC
0.4
450oC
— 电阻： 回复阶段已有大的变化(与点缺陷有
关) — 内应力：
回复阶段消除大部或全部内应力； 再结晶阶段全部消除微观内应力 — 亚晶粒尺寸： 回复阶段变化小； 接近再结晶时，显著增大 — 密度： 再结晶阶段急剧增高(缺陷减少) — 储存能的变化： 再结晶阶段释放多
第二节：回复
现象：除内应力大大减少外，在光学显微镜下看不到金 相组织的变化。在电子显微镜下观察，点缺陷有所减少，位 错在形态上也有变化，但数量没有明显减少。
第十章 回复与再结晶
1.概述：冷变形金属加热时的变化过程； 2.回复：回复的特征、机制； 3.再结晶：再结晶的特征、机制；再结晶温度； 再结晶动力学（记住公式）； 4.晶粒长大过程特征； 5.金属的热变形：动态回复、动态再结晶的机制； 热变形引起的组织与性能的变化；
第一节：概述
塑性形变后，材料如何变化… …
包奇瓦尔经验公式：通常再结晶温度在 (0.35 ~ 0.40) Tm 条件：工业纯金属，大变形（70%）退火时间0.5～1h
影响因素
✓ 预先变形程度（如图）：变形量越大，
再结晶驱动力越大，再结晶温度越低
再结晶温度
✓ 原始晶粒尺寸：晶粒越细，冷变形抗
力大，变形后储存的能量大，晶界提供较多 的形核位置，再结晶温度越低
再结晶体积分数 vs. 保温时间
约翰逊-梅厄 Johnson-Mehl 方程：
jR
1
exp(
p
& NG
3t
4
)
3
j R — 再结晶体积分数；
N&— 形核率；
G — 长大速率
假定条件： 均匀成核、球形晶核，N、 G不随时间改变、恒温
阿弗拉密 Avrami 方程：
jR 1 exp(BtK )
j — 再结晶体积分数； R
冷变形金属加热时的组织变化
Cold work
Recovery
Recrystallization Grain growth
回复：晶粒的形态、大小与变形态相同，但亚结构、性能已有变化
再结晶：出现无畸变的等轴晶粒，逐步取代变形晶粒
晶粒长大：再结晶结束后的晶粒继续长大
冷变形金属加热时的性能变化
— 强度和硬度： 回复阶段变化小； 再结晶阶段变化大(与位错密度有关)
正常晶粒长大
定义：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。
驱动力：界面能与晶界的曲率
大多数晶粒几乎同时长大，晶粒界面的不同曲率是造成界面迁 移的直接原因，界面总是向曲率中心的方向移动，大晶粒吞并 小晶粒
恒温下，晶粒正常长大的关系式：
D
t
Kt n
K
0
exp
经塑性变形的材料，由于空位、位错等结构缺陷密度的 增加，以及畸变能的升高，将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
—— 变化的热力学条件（驱动力） 常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加 热可使原子扩散能力增加，冷变形金属将依次发生回复、 再结晶和晶粒长大 —— 变化的动力学条件（扩散）
不同，相应亚晶尺寸不同；为降低系统的自由能，位错密度小的晶粒中的亚 晶通过晶界凸入另外晶粒中，以吞食方式开始形成无畸变的再结晶晶核
2.亚晶转动、聚合形核 特点：变形程度较大时，或层错能较高
亚晶合并机制： 层错能较高时，相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆散、 位错的攀移、滑移，逐渐转移到周围其它亚晶界上，导致亚晶合并；合并后 的亚晶的晶界上位错密度增加，逐渐转化为大角度晶界，从而具有更大的迁 移率，这种晶界移动后留下无畸变的晶体，成为再结晶核心
1/T ~ lg t 直线 的斜率中包含
1 2.3R lg A 2.3R lg t 数
TQ
Q
再结晶激活能 （定值）
Q( 1 1 )
t e 1
R T2 T1
可比较不同温度 下，等温再结晶
t2
过程所用时间
再结晶激活能（定
1
值），不同于回复激
T
活能（因回复程度不
同而改变）
lg t
再结晶温度
开始再结晶温度：一般以显微镜中出现第一颗新晶粒的温度，或硬度下 降50%所对应的温度 完成再结晶温度：工业上通常以经过大变形量（70%以上）的冷变形金 属，经1小时退火完成再结晶（转变量大于95%）所对应的温度
3）第二相粒子：第二相粒子对界面迁移有约束力，阻碍界 面迁移、晶粒长大。粒子尺寸越小，粒子的体积分数越大， 极限的平均晶粒尺寸也越小。
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，以趋向于热力稳定状 态，将会通过表面原子的扩散过程形成热蚀沟。