第六章 回复与再结晶
《材料科学基础》回复与再结晶
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）
而再结晶速率和产生某一再结晶体积分数x所 需时间成反比，故： 1/tx＝Bexp（-Q/RT）
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三、再结晶温度
对形变金属，从受形变开始就获得储存能，它 立刻就具有回复和再结晶的热力学条件，原则上就 可发生再结晶。 温度不同，只是过程的速度不同罢了，所以， 再结晶并没有一个热力学意义的明确临界温度。人 为定义了一个再结晶温度： 在一定时间内（一小时）刚好完成再结晶的温 度，是一个动力学意义的温度。
13
1. 低温回复（0.1－0.3 Tm） 点缺陷运动：（1）空位、间隙原子移至晶界、位 错处消失；（2）空位聚集（空位群、对）。→点 缺陷密度降低 2. 中温回复（0.3－0.5 Tm）
位错滑移：异号位错相遇而抵销；位错缠结重新排 列。→位错密度降低
14
3. 高温回复（ > 0.5 Tm）多边化
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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）。
G：晶界迁移速度； G0：常数； QG：晶界迁移激活能。
45
（2）弥散第二相粒子： 弥散第二相粒子对晶界移动有钉扎作用。 产生原因：晶界开始穿过粒子时，晶界面积减小， 即减少了总的界面能量，这时粒子是帮助晶界前进 的。
但当晶界到达粒子的最大截面处后，晶界继续 移动又会重新增加晶界面积，即增加了总的界面能 量，这时粒子对晶界移动产生拖曳力，即起钉扎作 用。
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。
金属学与热处理第六章 回复与再结晶
第六章回复与再结晶(一)填空题1. 金属再结晶概念的前提是，它与重结晶的主要区别是。
2. 金属的最低再结晶温度是指，它与熔点的大致关系是。
3 钢在常温下的变形加工称，铅在常温下的变形加工称。
4．回复是，再结晶是。
5．临界变形量的定义是，通常临界变形量约在范围内。
6 金属板材深冲压时形成制耳是由于造成的。
7．根据经验公式得知，纯铁的最低再结晶温度为。
(二)判断题1．金属的预先变形越大，其开始再结晶的温度越高。
（）2．变形金属的再结晶退火温度越高，退火后得到的晶粒越粗大。
（）3．金属的热加工是指在室温以上的塑性变形过程。
（）4．金属铸件不能通过再结晶退火来细化晶粒。
（）5．再结晶过程是形核和核长大过程，所以再结晶过程也是相变过程。
（）；6 从金属学的观点看，凡是加热以后的变形为热加工，反之不加热的变形为冷加工。
（）7 在一定范围内增加冷变形金属的变形量，会使再结晶温度下降。
( )8．凡是重要的结构零件一般都应进行锻造加工。
（）9．在冷拔钢丝时，如果总变形量很大，中间需安排几次退火工序。
( )10．从本质上讲，热加工变形不产生加工硬化现象，而冷加工变形会产生加工硬化现象。
这是两者的主要区别。
( )(三)选择题1．变形金属在加热时发生的再结晶过程是一个新晶粒代替旧晶粒的过程，这种新晶粒的晶型( )。
A．与变形前的金属相同 B 与变形后的金属相同C 与再结晶前的金属相同D．形成新的晶型2．金属的再结晶温度是( )A．一个确定的温度值B．一个温度范围 C 一个临界点D．一个最高的温度值3．为了提高大跨距铜导线的强度，可以采取适当的( )。
A．冷塑变形加去应力退火 B 冷塑变形加再结晶退火C 热处理强化D．热加工强化4 下面制造齿轮的方法中，较为理想的方法是( )。
A．用厚钢板切出圆饼再加工成齿轮B用粗钢棒切下圆饼再加工成齿轮C 由圆钢棒热锻成圆饼再加工成齿轮D．由钢液浇注成圆饼再加工成齿轮5．下面说法正确的是( )。
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。
回复与再结晶的异同点
回复与再结晶的异同点回复和再结晶是金属材料学中常用的两种热处理方法，它们都能够改善材料的力学性能和微观结构。
虽然它们都是通过热处理来改善材料性能，但是它们的机制和效果有很大的不同。
本文将从几个方面来比较回复和再结晶的异同点。
一、机制不同回复是指在高温下，材料中原有的位错被消除或减少，从而使材料的硬度和强度降低，塑性增加的过程。
回复的机制是通过材料中的位错移动和聚集来实现的。
随着温度的升高，材料中的位错能够更容易地移动，从而形成更大的位错环和蠕变流，这有助于位错的聚集和消除。
再结晶是指在高温下，材料中原有的晶粒被消除或减少，从而使材料的晶粒尺寸变小，晶界数量增加，从而提高材料的硬度和强度的过程。
再结晶的机制是通过晶界迁移和晶粒长大来实现的。
随着温度的升高，材料中的原始晶粒能够被破坏，从而形成更小的晶粒。
在材料中存在的能量梯度会引导晶界的迁移，从而使晶粒长大。
二、效果不同回复能够改善材料的塑性，但是对于硬度和强度的提高效果不是很明显。
回复后，材料的位错密度减少，从而使材料的塑性增加。
但是，由于材料中的位错并没有完全消除，所以材料的硬度和强度并没有明显提高。
再结晶能够改善材料的硬度和强度，但是对于塑性的提高效果不是很明显。
再结晶后，材料的晶粒尺寸变小，晶界数量增加，从而使材料的硬度和强度提高。
但是，由于晶粒尺寸变小，晶界的数量增加，所以材料的塑性并没有明显提高。
三、应用不同回复主要用于提高材料的塑性，适用于需要进行复杂成形的材料。
回复后，材料的塑性增加，从而使材料更容易进行成形。
回复也可以用于消除材料中的残余应力，从而提高材料的稳定性和寿命。
再结晶主要用于提高材料的硬度和强度，适用于需要提高材料强度和硬度的材料。
再结晶后，材料的硬度和强度提高，从而使材料更适合用于高强度和高硬度的应用中。
四、温度要求不同回复的温度比较低，一般在0.3Tm~0.5Tm之间。
其中Tm为材料的熔点。
回复的温度比较低，可以减少材料的变形和晶粒长大，从而使材料更容易进行塑性变形。
第六章金属与合金的回复与再结晶复习题
第六章金属与合金的回复与再结晶复习题金属与合金的回复与再结晶复习题一、名词解释：1. 回复：指冷塑性变形的金属在加热时，在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。
2. 再结晶：是指冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生无畸变的新等轴晶粒，而性能也发生明显的变化，并恢复到冷变形之前状态的过程。
3. 临界变形度：使晶粒发生异常长大的变形度(2～10%)生产上应尽量避免在临界变形度范围内进行塑性加工变形。
4. 热加工：在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。
5. 冷加工：在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。
二、填空题：1．变形金属的最低再结晶温度是指通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属，经一小时加热后能完全再结晶(＞95%的转变量)的最低温度为再结晶温度。
2．钢在常温下的变形加工称为加工，而铅在常温下的变形加工称为热加工。
3．影响再结晶开始温度的因素预变形度、金属的熔点、微量杂质和合金元素、加热速度、保温时间。
4．再结晶后晶粒的大小主要取决于预变形度和加热温度。
5．金属在塑性变形时所消耗的机械能，绝大部分(占90%)转变成。
6．但有一小部分能量（约10%）是以增加金属晶体缺陷（空位和位错）和因变形不均匀而产生弹性应变的形式（残余应力）储存起来，这种能量我们称之为形变储存能。
7．金属在热加工过程中，由于加工温度高于再结晶温度，金属在塑性变形过程中同时发生回复(动态回复)与再结晶(动态再结晶)，使其发生软化。
三、判断题：1．金属的预先变形度越大，其开始再结晶的温度越高。
（×）2．其它条件相同，变形金属的再结晶退火温度越高，退火后得到的晶粒越粗大。
（√）3．金属铸件可以通过再结晶退火来细化晶粒。
（×）4．热加工是指在室温以上的塑性变形加工。
（×）5．再结晶能够消除加工硬化效果，是一种软化过程。
第六章 回复、再结晶与金属热加工
第八章回复、再结晶与金属热加工经过冷变形后的金属材料吸收了部分变形功，其内能增高，结构缺陷增多，处于不稳定状态，具有自发恢复原始状态的趋势。
室温下，原子扩散能力底，这种亚稳定状态可以一直保持下去，一旦受热，原子扩散能力增强，就将发生组织结构与性能的变化。
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。
1 形变金属及合金在退火过程中的变化1.1 显微组织变化金属经过塑性变形，会发生加工硬化现象，而且内部产生残余内应力。
为了去除内应力，或者为了消除加工硬化现象以便继续变形，需要对冷变形金属进行加热处理。
由于变形金属内部存在严重的晶格畸变，原子处于不稳定状态，本身就有向稳定状态转变的倾向。
加热时，原子的活动扩散能力提高了，促使其向稳定状态转变，并使金属的组织结构和性能发生变化。
这种变化可分为回复（recovery）、再结晶（recrystallization）和晶粒长大（grain growth）这三图 4.11 回复再结晶回复个阶段，如图 4.11所示。
1.2 储存能释放与性能变化冷变形时，外力所作的功尚有一小部分储存在形变金属内部，这部分能量叫储存能，加热过程中，原子活动能力增强，偏离平衡位置大，能量高的原子将向低能的平衡位置迁移，将储存能逐步释放出来，使内应力松驰，纯金属储存能释放少，合金储存能释放多，储存能的释放使金属的对结构敏感的性质发生不同程度的变化。
右图给出几种性能的变化与储存能的关系2. 回复回复是指冷变形金属在加热温度较低时，金属中的一些点缺陷和位错的迁移，使晶格畸变逐渐减小，内应力逐渐降低的过程。
这时因为原子活动能力不大，所以金属的晶粒大小和形状尚无明显的变化，因而其强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只会使内应力及电阻率等理化性能显著降低。
工业上，对冷变形后金属要保持其因加工硬化而提高的强度、硬度，又需消除残余内应力的，则可在低温回复阶段加热保温，以基本去除其内应力，这种热处理称为去应力退火。
06 金属材料热处理 第六章 变形金属及合金的回复与再结晶
第六章 变形金属与合金的回复与再结晶本章教学目的：1 揭示形变金属在加热过程中组织和性能变化的规律；2 揭示再结晶的实质3 说明热加工与冷加工的本质区别以及热加工的特点。
教学内容：（1）变形金属在退火过程中（回复，再结晶以及晶粒长大）过程的组织与性能变化；（2）影响再结晶的因素；（3）再结晶晶粒大小及控制；（4）热加工与冷加工重点：（1）回复与再结晶的概念和应用；（2）临界变形度的概念；（3）再结晶晶粒度的控制；（4）热加工与冷加工的区别。
难点：（1）再结晶形核机制与再结晶动力学；（2）再结晶晶粒的二次长大机理§6-1变形金属与合金在退火过程中的变化金属经冷塑性变形后，内部组织和各项性能均发生相应变化，而且由于位错等结构缺陷密度的增加以及畸变能的升高，使其处于热力学不稳定状态。
当变形金属加热时，通过原子扩散能力的增加，有助于促进向低能量状态的转变。
一、显微组织的变化第一阶段：显微组织基本上未发生变化，其晶粒仍保持纤维状或扁平状变形组织，称回复阶段。
第二阶段：以新的无畸变等轴小晶粒逐渐取代变形组织，称为再结晶阶段。
第三阶段：上述小晶粒通过互相吞并方式而长大，直至形成较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。
二、储存能及内应力的变化当变形金属加热到足以引起应力松弛的温度时，其中的储存能将释放出来。
回复阶段释放的储存能很小三、机械性能的变化规律回复阶段硬度变化很小，约占总变化的1/5，再结晶阶段下降较多，强度与硬度有相似的变化规律。
因为回复阶段仍保持很高的位错密度。
在再结晶阶段，硬度与强度显著下降，塑性大大提高。
四、其它性能的变化1、电阻的变化电阻的回复阶段已表现出明显的下降趋势。
点缺陷对电阻的贡献远大于位错，而回复阶段点缺陷的密度发生显著的减小。
2、密度的变化再结晶阶段密度急剧增高。
五、亚晶粒尺寸在回复阶段前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶温度时，晶粒尺寸显著增大。
§6-2 回复一、退火温度和时间对回复过程的影响回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变之前所产生的某些亚结构和性能的变化过程。
6回复与再结晶
•
黄铜冷加工变形量达到C 38％ （a）黄铜冷加工变形量达到CW＝38％后的组织 580ºC保温3 （b）经580 C保温3秒后的组织
（a）可见粗大晶粒内的滑移线 ） （b）试样上开始出现白色小的颗粒，即再结晶出的新的晶粒 ）试样上开始出现白色小的颗粒，
580ºC保温4 （c）580 C保温4秒后的金相组织 580ºC保温8 （d）580 C保温8秒后的金相组织
加热时冷变形金属显微组织发生变化
黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的照片
•
退火时，由于温度升高原子的能动性增加， 退火时，由于温度升高原子的能动性增加，即原子的 扩散能力提高， 回复阶段只是消除了由由于冷加工应变 扩散能力提高，而回复阶段只是消除了由由于冷加工应变 能产生的残余内应力，大部分应变能仍然存在， 能产生的残余内应力，大部分应变能仍然存在，变形的晶 粒仍未恢复原状。所以，随着保温时间加长， 粒仍未恢复原状。所以，随着保温时间加长，新的晶粒核 心便开始形成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶 再结晶的开 心便开始形成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶的开 随着保温时间的加长或温度的升高， 始。随着保温时间的加长或温度的升高，再结晶部分愈来 愈多，直到原来的晶粒全部被新的小晶粒所代替。 愈多，直到原来的晶粒全部被新的小晶粒所代替。进一步 晶粒长大现象。 保温或升温，新晶粒尺寸开始增大，这就是晶粒长大现象 保温或升温，新晶粒尺寸开始增大，这就是晶粒长大现象。 可用下图为黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的照片来 说明退火过程中的这种变化本照片。 说明退火过程中的这种变化本照片。
（c）显示有更多新的晶粒出现 ） （d）粗大的带有滑移线的晶粒已完全被细小的新晶粒所取代，即完成了再结晶 ）粗大的带有滑移线的晶粒已完全被细小的新晶粒所取代，
材料科学基础-第6章塑性变形2
Recovery - A low-temperature annealing heat treatment designed to eliminate residual stresses introduced during deformation without reducing the strength of the coldworked material. Recrystallization - A medium-temperature annealing heat treatment designed to eliminate all of the effects of the strain hardening produced during cold working. Grain growth - Movement of grain boundaries by diffusion in order to reduce the amount of grain boundary area.
Section 6.3 回复与再结晶
经过冷塑性变形的材料，空位、 经过冷塑性变形的材料，空位、位借等晶体缺陷大量增 产生一定的残余内应力，组织发生了明显的变化。 加，产生一定的残余内应力，组织发生了明显的变化。 材料的能量升高，使其在热力学上处于亚稳状态， 材料的能量升高，使其在热力学上处于亚稳状态，有自 发向稳定态转化的趋势，储存能是转化过程的驱动力。 发向稳定态转化的趋势，储存能是转化过程的驱动力。 在常温下，由于原子的活动能力较弱， 在常温下，由于原子的活动能力较弱，原子的扩散困难 这种变化极为缓慢。如果温度升高， ，这种变化极为缓慢。如果温度升高，原子具有足够的 活动能力，扩散速度显著增加，那么， 活动能力，扩散速度显著增加，那么，冷变形材料就会 由亚稳定状态向稳定状态转变， 由亚稳定状态向稳定状态转变，从而引起一系列组织和 性能的变化。 性能的变化。 根据其显微组织及性能的变化情况， 根据其显微组织及性能的变化情况，可将这种变化分为 三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。 三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。
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。
材料的回复与再结晶
异号位错相遇而抵销 位错密度降低 位错滑移 位错缠结重新排列 亚晶规整化
12
3 高温回复机制 位错攀移和滑移！
位错攀移（＋滑移） 多边化（亚晶粒）
位错垂直排列（亚晶界） 弹性畸变能降低。
13
回 复 动 力 学 recovery kinetics
m r 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
(e)
(f)
（f）则是在700º C保温10分后晶粒 8 长大的情形。
晶粒大小
退火温度愈高晶 粒长得愈大，拉 伸强度下降得愈 多，塑性则增加 得愈多。
拉伸强度
退火温度与黄铜 强度、塑性和晶 粒大小的关系
拉伸强度
延展性
退火温度
9
5.2 回复recovery
• 回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位 错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺 陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数 量减少等。
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，这一过程称多边 形化 polygonization。
10
回复机理 recovery mechanism
1 低温回复机制 点缺陷的运动！
点缺陷运动
移至晶界、位错处 空位＋间隙原子 消失 空位聚集（空位群、对）
缺陷密度降低
11
2 中温回复机制 位错滑移！
grain growth
2
冷变形金属在加热时的组织变化
recovery
recrystallization
grain growth
• 回复recovery是指新的无畸变晶粒出现前所产 生的亚结构和性能变化的阶段，在金相显微镜 中无明显变化，仍保持原有的变形晶粒形貌， 若通过TEM，则可观察到位错组态或亚结构已 开始发生变化。
材料科学基础 第6章 材料的塑性变形与再结晶
两三个晶粒的拉伸试验表明：晶界处 的变形能力差，呈竹节状
2)晶界对材料的强化作用机理
晶界对材料的强化作用是通过晶界对位错 的阻塞作用实现的。塑性变形是通过位错在滑 移面上的滑移产生的，晶界可以阻止位错的滑 移，因此位错在晶界处形成阻塞，位错处阻塞 位错的数量越多，对位错源形成位错的反作用 力越大，当增大的某一数值，位错源停止形成 新的位错，因此滑移面停止进行，要使相邻晶 粒发生滑移须增大外应力，以启动其位错源动 作。这就是晶界的强化作用。
滑移方向 〈110〉 〈110〉
〈111〉
〈111〉 〈111〉 〈111〉 〈111〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1123〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1010〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1120〉
3.位错滑移时受到的点阵阻力
由于原子排列的周 期性，位错在滑移过程 中，位错中心的能量将 发生周期性变化，当位 错从位置1移动到位置2 时需要越过一个势垒， 即阻力，其大小如右图 所示。
切应力
2.晶体结构引起的加工硬化曲线的差异
6.1.2多晶体的塑性变形
通常使用的材料多为多晶材料，多晶材料变形 有以下特点： ①每个晶粒的变形行为方式与其单晶相同； ②每个晶粒的变形受其周围晶粒的影响；主要涉及 到晶粒之间的方位及取向关系； ③整个材料体的变形是通过各晶粒变形相互配合与 协调实现的。 因此多晶材料的屈服强度明显高于同类材料的 单晶体；并且晶粒越细，强度越高。
0 10 20 40 60 80 276 497 566 593 607 662
抗拉强度 （Mpa）
456 518 580 656 704 792
延伸率 断面收缩率 （% ） （% ）
34 20 17 16 14 7 70 65 63 60 54 26
第6章金属及合金的回复与再结晶
第六章：金属及合金的回复与再结晶1．回复和再结晶的概念：形变后的金属和合金处于不稳定的高自由能状态，具有一种向着形变前低自由能状态自发恢复的趋势，因此，只要动力学条件允许，例如温度较高，原子具有相当的扩散能力时，形变后的金属和合金就会自发的向着自由能降低的方向转变。
进行这种转变的过程称回复和再结晶。
前者是指在较低温度下或在较早阶段所发生的转变过程；后者则指在较高温度下或较晚阶段发生的过程。
2．退火：将金属材料加热到某一规定温度，并保温一段时间，而后缓慢冷却至室温的一种热处理过程。
其目的在于足够提高金属材料组织和结构的热力学稳定性，以保证所要求的各种性能指标，形变金属和合金的退火主要由回复、再结晶和晶粒长大三个过程综合组成的。
3．形变金属或合金退火过程中发生的一般变化：①显微组织的基本变化回复阶段：显微组织的基本变化看不出任何变化，晶粒保持伸长状或扁片状；再结晶阶段：形变晶粒内部发生了新晶粒的生核和成长过程，直到形变组织完全改组为新的等轴晶粒；晶粒长大阶段：新晶粒逐步相互吞食而长大，直到一个较为稳定的尺寸。
②储存能的变化供金属和合金形变而施加的外部能量有相当一部分以弹性能和缺陷能的形式储存在金属内部，这一部分储存能在加热退火过程中应释放出来，成为回复和再结晶的推动力。
③性能的变化硬度、强度变化：回复过程中，位错密度的减小有限，只有达到再结晶阶段时，位错密度才会显著下降，因此回复阶段强度变化有限，再结晶阶段变化很大。
电阻、密度变化：在回复阶段，点缺陷密度显著下降，因此回复阶段电阻显著减小，密度逐步增大。
总之，回复过程中，硬度和强度等力学性能等变化率很小，而电阻和密度等一些物理性能变化率却相当大；再结晶过程中，各种变化都是比较剧烈的。
回复机理：再结晶与相变：再结晶形似相变，但并非相变。
一般来说，再结晶前后各晶粒的晶体类型不变，成分也不变。
从转变过程来看与相变有很多相似之处。
相变是自由能较低的新相在自由能较高的旧相中进行生核和成长的过程，驱动力是体积自由能差，阻力主要来自异相间的界面能；而再结晶则是无畸变能或畸变能较低的晶粒在畸变能较高的基体中进行生核和成长的过程，驱动力是畸变能差，阻力则来自晶界能。
第六章 回复与再结晶
A
11
2. 中温回复
加热温度稍高时，会发生位错运动和重新分布。回复的 机制主要与位错的滑移有关，同一滑移面上的异号位错可 以相互吸引而抵消。
3. 高温回复
高温时，刃型位错可获得足够能量产生攀移，发生多边
化（或多边形化）。
多边化：冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的位错通
过攀移和滑移，形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。
再结晶不是相变，没有一个恒定的转变温度。因此再结 晶温度不是一个物理常数，而是随条件的不同（如变形程 度、材料纯度、退火时间等），可以在一个较宽的范围内 变化。
金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在经验关系：
T再 ≈ Tm (K) 对于工业纯金属，值为 0.35～0.4；
对于高纯金属，值为 0.25A～0.35 甚至更低。
加工硬化率大，储能高，再结晶温度则较低。此外，晶界
往往是再结晶形核的有利区域，故再结晶形核率和长大速
率均增加，再结晶温度也被降低。
A
26
3. 微量溶质原子
微量溶质原子的存在能显著提高再结晶温度。
A
27
4. 第二相
在烧结铝中加入5%的Al2O3， 可 使 再 结 晶 温 度 提 高 到 500℃ 。
再结晶的驱动力：储存能的降低（与回复的驱动力 相同）。
A
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A
17
A
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再结晶的特点
变形金属发生再结晶时，力学性能发生显著变 化，金属恢复到软化状态；变形储存能得到充分 释放；新的无畸变等轴晶完全取代了原畸变晶粒， 但是再结晶前后晶格类型不变，因此再结晶不是 相变。
A19ຫໍສະໝຸດ 一、再结晶晶核的形成与长大
A
28
三、再结晶晶粒大小的控制
材料物理基础-第六章_3_2012
• 金属和合金塑性变形后，内部组织结构与性能发生变化；空位、位错 等缺陷密度增加，畸变能升高；处于热力学不稳定的高自由能状态 • 经塑性变形的材料具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势；当对 冷变形金加热，将发生 回复 再结晶 晶粒长大 过程 什么是回复？ 再结晶？ 晶粒长大？ 回复：新的无畸变晶粒出现前，亚结构和性能变化的过程 再结晶：出现无畸变的等轴新晶粒、取代变形晶粒的过程 晶粒长大：再结晶后，晶粒继续长大的过程
ln t A
Q RT
• 即：x 一定时，时间（对数）与温度倒数（1/T）呈线性关系 • 以 lnt 对 1/T 作图，斜率为回复激活能 Q，可根据激活能大小推测回复机理 • 实际上任何材料变形后都在慢慢地发生回复， 在室温下未见到性能变化仅因为变化的速度很慢
7
• 锌的回复激活能与其自扩散激活能相近 • 自扩散激活能包括空位形成能和空位迁移能 – 回复过程中空位的形成与迁移同时进行 • 空位产生与位错攀移密切相关，表明位错在回复阶段存在攀移运动 • 铁短时间回复时，其激活能与空位迁移激活能相近； 长时间回复时，其激活能与铁的自扩散激活能相近 • 因此认为，在回复的开始阶段，主要机制是空位迁移， 而在后期则以位错攀移机制为主
10
Recovery by polygonisation of a bent crystal containing edge dislocations. (a) As deformed, (b) After dislocation annihilation, (c) Formation of tilt boundaries
组织转变为亚晶，位错密度下降较小，点缺陷密度下降明显
第六章 回复与再结晶分析
形并改善工件的耐蚀性。
15
第三节
再 结 晶
冷变形后的金属加热到一定温度或保温足够时
间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，
位错密度显著降低，性能也发生显著变化，并恢复 到冷变形前的水平，这个过程称为再结晶 （recrystallization）。 再结晶的驱动力：储存能的降低（与回复的驱动力 相同）。
由于杂质原子和
合金元素阻碍再结
晶的形核和长大， 推迟再结晶过程，
从而使不纯金属和
合金中的储能在再
A — 纯金属 B — 不纯金属 C—合 金
结晶开始以前能通
过回复而较多地释 放出来。
7
三、性能及其他指标的变化
加热过程中变形金属的性能变化
8
第二节
回
复
回复（ recovery）是指冷塑性变形的金属在加热时， 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。
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再结晶的特点
变形金属发生再结晶时，力学性能发生显著变 化，金属恢复到软化状态；变形储存能得到充分 释放；新的无畸变等轴晶完全取代了原畸变晶粒， 但是再结晶前后晶格类型不变，因此再结晶不是
相变。
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一、再结晶晶核的形成与长大
（一）形 核
1. 亚晶长大形核机制
层错能：产生单位面 积层错所需的能量。
态的趋势。当冷变形金属加热时会发生回复、再结晶 和晶粒长大等过程。
2
一、显微组织的变化
3
4
二、储存能及内应力的变化
回复阶段释放的储 存能较少，再结晶晶
粒出现的温度对应于
储能释放曲线的高峰。 在回复阶段，大部
分或全部的宏观内应
回复与再结晶
2 回 复
三、回复动力学（退火温度和时间对回复过程的影响） 如图为变形锌在不同温度 下等温回复时，屈服强度的 衰减曲线，其中：
0 y m 0
ln ln A 讨论：
1 t
QR RT
V再＝Aexp （ QR / RT）
①T℃↑，V再↑。
②已知T1、T2温度下完成再结晶
ln
1 t
lnA'
斜率＝－QR/R
（X再＝0.95）的时间分别为t1、t2。
t1 QR 1 1 则： ln t R ( T T ) 2 1 2
ln 1 Q ln A R t1 RT1 ln 1 Q ln A R t2 RT2
1 T
可求再结晶激活能QR
③可以估算不同等温温度下再结晶到一定数量（如 50
％）
3 再结晶
三、再结晶温度及其影响因素
1、再结晶温度Tk ①一小时再结晶温度Tk（一般定义）
• 退火一小时能完成再结晶（X再≥95％），所对应的 最低温度称一小时TK。 • 测量不同T℃下，完成再 结晶所需时间, 终了线，找出TK。 • 得再结晶温度 但随变形量不同TK 不同。
2 回 复
一、回复机制 2、中温回复 0.3～0.5Tm 与位错的滑移有关： 使位错密度略有衰减 导致材料的加工硬化有所减少
（1）同一滑移面上异号位错相消。
（2）位错偶极子的两根位错相消。
此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。
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第六章回复与再结晶(一)填空题1. 金属再结晶概念的前提是，它与重结晶的主要区别是。
2. 金属的最低再结晶温度是指，它与熔点的大致关系是。
3 钢在常温下的变形加工称，铅在常温下的变形加工称。
4．回复是，再结晶是。
5．临界变形量的定义是，通常临界变形量约在范围内。
6 金属板材深冲压时形成制耳是由于造成的。
7．根据经验公式得知，纯铁的最低再结晶温度为。
(二)判断题1．金属的预先变形越大，其开始再结晶的温度越高。
（×）2．变形金属的再结晶退火温度越高，退火后得到的晶粒越粗大。
（√）3．金属的热加工是指在室温以上的塑性变形过程。
（×）4．金属铸件不能通过再结晶退火来细化晶粒。
（√）金属铸件不能通过再结晶退火达到细化晶粒的目的，因为铸件，没有经受冷变形加工，所以当加热至再结晶退火温度时，其组织不会发生根本变化，因而达不到细化晶粒的目的。
再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性能。
再结晶退火的温度较低，一般都在临界点以下。
若对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有形成新晶核的驱动力(如冷变形储存能等)，所以不会形成新晶粒，也就不能细化晶粒。
5．再结晶过程是形核和核长大过程，所以再结晶过程也是相变过程。
（×）；6 从金属学的观点看，凡是加热以后的变形为热加工，反之不加热的变形为冷加工。
（×）7 在一定范围内增加冷变形金属的变形量，会使再结晶温度下降。
( √)8．凡是重要的结构零件一般都应进行锻造加工。
（√）9．在冷拔钢丝时，如果总变形量很大，中间需安排几次退火工序。
( √)10．从本质上讲，热加工变形不产生加工硬化现象，而冷加工变形会产生加工硬化现象。
这是两者的主要区别。
( ×)(三)选择题1．变形金属在加热时发生的再结晶过程是一个新晶粒代替旧晶粒的过程，这种新晶粒的晶型( )。
A．与变形前的金属相同 B 与变形后的金属相同C 与再结晶前的金属相同D．形成新的晶型2．金属的再结晶温度是( )A．一个确定的温度值B．一个温度范围 C 一个临界点D．一个最高的温度值3．为了提高大跨距铜导线的强度，可以采取适当的( A )。
A．冷塑变形加去应力退火 B 冷塑变形加再结晶退火C 热处理强化D．热加工强化4 下面制造齿轮的方法中，较为理想的方法是( C )。
A．用厚钢板切出圆饼再加工成齿轮B用粗钢棒切下圆饼再加工成齿轮C 由圆钢棒热锻成圆饼再加工成齿轮D．由钢液浇注成圆饼再加工成齿轮5．下面说法正确的是( C )。
A．冷加工钨在1 000℃发生再结晶 B 钢的再结晶退火温度为450℃C 冷加工铅在0℃也会发生再结晶D．冷加工铝的T再≈0.4Tm＝0.4X660℃＝264℃6 下列工艺操作正确的是(D ) 。
A．用冷拉强化的弹簧丝绳吊装大型零件淬火加热时入炉和出炉B 用冷拉强化的弹簧钢丝作沙发弹簧C 室温可以将保险丝拉成细丝而不采取中间退火D．铅的铸锭在室温多次轧制成为薄板，中间应进行再结晶退火7 冷加工金属回复时，位错(C )。
A．增加B．大量消失C．重排 D 不变8在相同变形量情况下，高纯金属比工业纯度的金属( A )。
A．更易发生再结晶B．更难发生再结晶C 更易发生回复D．更难发生回复9 在室温下经轧制变形50％的高纯铅的显微组织是( C ) 。
A．沿轧制方向伸长的晶粒B．纤维状晶粒C 等轴晶粒D．带状晶粒(四)改错题1．钢的再结晶退火温度一般为1 100℃。
3．低碳钢试样的临界变形度一般都大于30％4．锡在室温下加工是冷加工，钨在1000℃变形是热加工。
5．再结晶退火温度就是最低再结晶温度。
6．再结晶就是重结晶。
(五)问答题1．钨(T m＝3 410C)在l 100℃、锡(T m＝232℃)在室温时进行的冷变形加工分别属于冷加工或热加工?经计算，钨的再结晶温度为1200℃，在１１００℃加工，仍小于其再结晶温度，故为冷变形加工；经计算，锡的再结晶温度为－71℃，锡虽在室温下变形，仍大于其再结晶温度，故为热变形加工。
2．用一根冷拉钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热至1 000℃，当出炉后再次吊装工件时，钢丝绳发生断裂，试分析其原因。
冷拉钢丝绳在吊装某大型工件进行热处理时，加热严重，其温度大于钢的再结晶温度甚至更高，故在吊装工件出炉时，钢丝绳由于发生了再结晶退火甚至重结晶，组织由原索氏体变为F+P而且晶粒粗大甚至过热组织，导致冷拉钢丝绳强度下降，所以会突然发生断裂。
3．当把铅铸锭在室温下经多次轧制成薄铅板时，需不需要进行中间退火?为什么?4．用冷拔钢丝缠绕的螺旋弹簧，经低温加热后，其弹力要比未加热的好，这是为什么?5．在室温下对铅板进行弯折，你会感到越弯越硬，但稍隔一会儿再行弯折，你会发现铅板又像初时一样柔软，这是什么原因?6．用低碳钢板冲压成型的零件，冲压后发现各部位的硬度不同?为什么? 如何解决?–硬度高的地方变形较大，产生了加工硬发，可用再结晶退火的方法解决。
7．三个低碳钢试样变形度为5％，15％，30％，如果将它们加热至800℃，指出哪个产生粗晶粒?为什么?5％8．口杯采用低碳钢板冷冲而成，如果钢板的晶粒大小很不均匀，那么冲压后常常发现口杯底部出现裂纹，这是为什么?9．试述影响再结晶过程的因素。
如何确定纯金属的最低再结晶温度和实际再结晶退火温度?10．如何区分热加工与冷加工?为什么锻件比铸件的性能好?热加工会造成哪些缺陷? 11．已知某低碳钢的抗拉强度为500MPa，若要选用这个牌号的钢来制造抗拉强度达900MPa的机器零件，问应采用除热处理以外的哪一种加工方法。
12．作沙发的冷拉弹簧钢丝，冷卷簧以后一般的弹性都能符合要求。
13．在冷拔钢丝生产过程中，常常要穿插几次中间退火工序才能拉到最终所需的尺寸要求。
如不中间退火，一直拉拔到最终尺寸，钢丝表面往往出现裂纹(发纹)甚至有中途拉断的现象发生。
这是什么原因?试述中间退火的原理及其作用。
14．解释产生下列现象的原因：室温下，铝的塑性优于铁；铁的塑性优于锌。
(六) 作图题1．拉制半成品铜丝的过程如图5—1，试在图的下部绘出不同阶段的组织和性能的变化示意图，并加以适当解释。
δHBσ b金属Ag经大变形量(70％)冷加工后，试样一端浸入冰水中，一端加热至0.9Tm，过程持续1小时，然后将试样冷至室温。
试画出沿试样长度的组织与硬度分布曲线，并简要说明之。
Ⅰ. 温度T<T再，仅回复，硬度略有下降；II. 随T ↑，再结晶，硬度大大↓，且随T↑，再结晶的体积％↑，HB↓；Ⅲ. 随温度↑，晶粒长大，晶界对位错运动阻碍↓，故HB进—步↓。
0℃(七)计算题1．铅的熔点为327℃，锡的熔点为232℃，它们分别在室温20℃下进行压力加工，此时有无加工硬化现象?为什么?2．已知W的熔点为3410℃，Fe为1538℃，Cu为1083℃，Pb为327℃。
比较几种金属在室温下塑性变形的能力，并简述理由。
低碳钢(0．1％C)板经大变形量冷轧后，进行了再结晶退火，对其进行拉伸实验，拉伸至延伸率为8％时卸载，若：(1) 卸载后立即拉伸；(2) 卸载后室温下放置10天后拉伸；(3) 卸载后700℃退火1小时，空冷至室温后再拉伸；(4) 卸载后在900℃退火保温10分钟，空冷至室温后再拉伸。
试分别画出上述4种情况下的应力一应变曲线，并简要说明之。
（1）卸载后立即拉伸，溶质原子来不及在位错附近聚集，故无钉扎作用，所以无上、下屈服点；且因加工硬化的作用，屈服强度较第一次拉伸时有所提高；（2）经过室温时效，溶质原子在位错附近聚集又形成气团，钉扎位错，需要在较高应力下才能屈服；一旦溶质原子脱钉，应力将下降，所以有上、下屈服点。
同样，由于加工硬化的作用，屈服强度较第一次拉伸时有所提高；3）对低碳钢，ε＝8％接近临界变形量，因此在700℃(高于再结晶温度)退火后晶粒粗大，强度较低；（4）900℃保温时发生重结晶，冷却后晶粒细小，因此强化提高。
ε(八)思考题1．用以下三种方法制成齿轮，哪种方法最好?为什么?(1) 由厚钢板切出圆饼再加工成齿轮(2) 由粗钢棒切下圆饼再加工成齿轮(3) 由圆钢棒热锻成圆饼再加工成齿轮2．在纯铁板上冲一个孔，再将此板加热至200℃、400℃、600℃后保温1h, 试分析其孔边缘内部组织的变化。
最低再结晶温度经验公式的适用条件有两个——一是该公式仅适用于工业纯金属，二是在运用此公式计算时要换算为绝对温度。
已知铁的熔点1538℃，为铜的熔点为1083℃，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. 分析根据题目给出的已知条件，会自然地想到经验公式T Z =0.4T m，此即为最低再结晶温度。
而生产中广泛使用的再结晶退火温度的选定原则是：T Z +（100℃～200℃）。
2. 解答铁的最低再结晶温度为T Z =0.4×(1538+273) –273=450℃，铜的最低再结晶温度为T Z =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℃。
4－3 冷塑性变形与热塑性变形后的金属能否根据其显微组织加以区别？答：可以通过显微组织来判断是冷塑性变形还是热塑性变形，冷塑性变形后的晶粒形状呈扁平形或长条形，热塑性变形后的晶粒是等轴晶粒。
3－8 为什么钢锭希望减少柱状晶区，而铜锭、铝锭往往希望扩大柱状晶区？答：在柱状晶区，柱状晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩孔很小，组织比较致密。
但当沿不同方向生长的两组柱状晶相遇时，会形成柱晶间界。
柱晶间界是杂质、气泡、缩孔较密集地区，是铸锭的脆弱结合面，故钢锭应减少柱状晶区，以避免在热轧时开裂。
对塑性好的铜锭、铝锭不会因热轧而开裂，故往往希望扩大柱状晶区。