3.3冷变形加工金属在加热时组织和性能变化

3.3 冷变形加工的金属在加热时 组织与性能的变化
变化过程随着温度的升高可分为 回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。
3.3.1 回复（Recovery）
回复：
冷变形金属在低温加热时，在光学显微组织发生 改变前，产生的某些结构和性能变化的过程。
Strength：强度 Ductility：延展性 Hardness：硬度 Internal residual stresses

冷变形加工金属，经一小时退火能完全再结晶的
最低温度规定为再结晶温度（TR） 。
4. 再结晶温度
影响再结晶温度的因素：
主要取决于变形度。 金属预变形程度ε越大，再结晶温度越低。 ε ：70%~80%,TR趋于稳定
TR与ε的关系 金属的纯度 金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素 起阻碍扩散和晶界迁移作用，使TR显著提高。
开裂，也是通过回复过程来实现的。
退火是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加热到一
定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却（通常是缓 慢冷却，有时是控制冷却）。 目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定 尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除
组织缺陷；均匀材料组织和成分，改善材料性能或为以后
图3.18 预先变形度对再结晶晶粒度的影响
3.3.2 晶粒长大
（Grain growth）
冷变形金属在再结晶刚完成时，一般会得到细小的等轴晶粒组织。 如果继续提高加热温度或者延长保温时间，晶粒之间就会互相吞并 而长大，称为晶粒长大现象。
1.
自发过程
驱动力——界面能差
减少晶界总面积，降低总界面能
2.
3.3.2 再结晶
（Recrystallization）
4. 再结晶温度 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，而且没有经
过冷变形加工的金属是不会发生再结晶。

在规定时间内，能够完成再结晶或者再结晶达到 规定程度的最低温度称再结晶温度（TR）。 工业生产中，通常以经过70%以上的大变形量的
recrystallization经70塑变加热时的组织变化recrystallization黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片冷变形量为38的组织580c保温3秒后的组织580c保温4秒后的组织580c保温8秒后的组织580c保温15分后的组织700c保温10分后的组织recrystallization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而且没有经过冷变形加工的金属是不会发生再结晶
经70%塑变 的纯铁 加热时的 组织变化
3.3.2 再结晶
（Recrystallization）
黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片
冷变形量为38％的组织
580º C保温3秒后的组织
580º C保温4秒后的组织
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织
700º C保温10分后的组织
冷变形黄铜组织性能随温度的变化
冷变形(变形量为38%)黄铜580º C 保温15分后的的再结晶组织
3.3.2 再结晶
（Recrystallization）
2.特点 性能上，强度、硬度↓↓ 塑性、韧性↑↑ 内应力完全消除
再结晶与结晶、重结晶 的根本区别： 无相变，无恒定转变温度， 无晶格类型的变化 工程上为了消除加工硬化现象，降低硬度，提高塑形，使压 力加工能继续进行，广泛采用再结晶退火（中间退火）。
试估算铁和铜的最低再结晶温度，并确定其再结晶退火温度。
（1）分析
TR =0.4Tm 。 生产中再结晶退火温度的选定原则是：TZ +（100℃～200℃）。
（2）解答
铁的最低再结晶温度为TZ =0.4×(1538+273) –273=450℃ ， 铜的最低再结晶温度为TZ =0.4×(1083+273) –273=269.4℃ ； 铁的再结晶退火温度为450+（100～200）=550℃～650℃ ， 铜的再结晶退火温度为269.4+（100～200）=369.4℃～469.4℃ 。
3.3.1 回复（Recovery）
产生回复的机理：点缺陷特别是空位的运动和位错短距离迁移
使晶格畸变减小，内应力明显下降。 空位的逸出 ——空位比较容易移动，如可以移至晶界或位错处而
消失，也可聚合起来形成空位对、空位群，还可与间隙原子相互作用而 消失，结果使点缺陷密度明显下降。 多边形化 ——由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂 直分布，形成亚晶界，称为多边形化过程。
加热时间和加热速ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 再结晶过程需要一定时间才能完成，延长加热时间或降低加热速 度，原子扩散移动能充分进行，有利于新的再结晶晶粒充分形核 和成长，可降低再结晶温度。 原始晶粒尺寸 原始晶粒越细， TR降低。
5. 再结晶温度（TR）与再结晶退火温度（TZ）
TR经验公式 工业纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系: TR≈0.4Tm（K） 其中TR、Tm为绝对温度。金属熔点越高, TR也越高.
3.3.2 再结晶
3. 机理简介
（Recrystallization）
冷变形金属的再结晶是通过形核-长大方式完成的。
形核是在变形后由破碎晶粒中无畸变的小晶块（即低能晶块） 作为核心长大为晶核的。 晶核的长大则是通过晶界的迁移成长为新的等轴晶粒的。
3.3.2 再结晶
（Recrystallization）
特点：温度（>0.5Tm）； 性能（σ↘ ，Ψ、αK↘↘）
工业上应正确控制再结晶退火的加热 时间和保温时间，避免晶粒粗化。

黄铜再结晶后的晶粒 长大过程
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织
大黄 铜 再 结 晶 后 晶 粒 的 长
700º C保温10分后的组织
请思考？
钨在1100℃变形加工，锡在室温下变形加

再结晶退火温度对晶粒度的影 响
加热温度越高，保温时间越长，金属的晶 粒越粗大,加热温度的影响尤为显著，在高
温下原子活动能力更强，有利于晶界迁移，
促使晶粒长大。
6. 再结晶退火后的晶粒度
（1）加热温度与保温时间 （2）预变形度 (2)预先变形度 预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响. 2-10%
多边形化过程 是位错从高能态的混乱排列 向低能态的规则排列移动的 过程。
3.3.1 回复（Recovery）
生产中的应用：
去应力退火—是利用回复阶段的低温加热处理，
既可保留加工硬化的效果又可降低内应力，稳定组织， 以减轻变形和翘曲，并改善工件耐蚀性，降低电阻率。 冷拉钢丝卷制弹簧。 对铸件和焊接件及时进行去应力退火以防止变形和
热处理做组织准备。
3.3.2 再结晶
1.再结晶：
（Recrystallization）
冷变形加工的金属被加热至较高温度（高于回复温度） 时，在变形组织（拉长、压扁及破碎晶粒）的基体上 产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶粒， 逐渐取代全部变形组织，也是形核长大过程。
3.3.2 再结晶
（Recrystallization）

TR℃ = (Tm℃+273)×0.4–273， 如Fe的TR=(1538+273)×0.4–273=451℃

生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火. 再结晶退火温度（TZ）比再结晶温度高100~200℃，即
TZ=TR+(100~200)℃
例题3.2
【例题3-2】 已知铁的熔点1538℃ ，铜的熔点为1083℃ ，
回复
加热温度 （<0.2～0.35Tm） 显微组织仍为纤维状， 无可见变化； 力学性能 基本保持加工硬化， 仅强度和硬度稍有下降， 塑性略有提高。 内应力↓↓ 耐蚀性↑↑ 电阻↓↓
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
3.3 冷变形加工的金属在加热时组织与性能的变化
The Microstructure and Property Changes of Cold Deformed Metals during Heating 塑性变形时,有一小部分能量储存在金属内部，成为储存能。 储存能使塑性变形的金属的自由能升高，热力学上处于亚稳 状态，有自发恢复到变形前低自由能的稳定状态的趋势。 常温下，原子活动能力很小，扩散速度不足，亚稳状态无明 显变化。 若温度升高，原子活动能力增强，扩散速度增加，冷变形金 属就会由亚稳状态向稳定状态转变，引起组织和性能变化。 储存能就是这一系列变化过程的驱动力。
工，它们各为何种塑性加工类型？（已知钨 的熔点为3410℃ ，锡的熔点为232℃）
（3）归纳
再结晶温度经验公式适用条件有两个： 例如在计算低碳钢的仅适用纯金属及温度为绝对温度。 最低再结晶温度时，就不能直接应用该经验公式，必须考虑碳元素的影响， 通常在纯铁的再结晶温度基础上+（50~100）℃。
6. 再结晶退火后的晶粒度
（1）加热温度与保温时间 （2）预变形度 (1)加热温度和保温时间