塑性变形金属的回复与再结晶
第七章回复再结晶
注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。
3.影响再结晶温度的因素
(1)金属冷加工变形度 变形度δ越大，驱动力越大，发生再结晶的温度越低，当变形度达 到一程度后， 趋于一个最低温度，称为最低再结晶温度，T再min。 经验表明：T再min≈0.4T熔点， (2)金属的纯度 金属中的杂质或合金元素，尤其是高熔点成分的存在，会阻碍原子 的扩散（位错的扩散），因此再结晶温度会提高。纯度越高，再结晶温 度越低。 如：纯铁T再min =450℃；碳钢T再min =500-650℃；合金钢T再min >650700℃ (3)加热速度和保温时间 a、提高加热速度，再结晶温度升高；加热速度太低，再结晶温度也会 升高。 b、延长保温时间，再结晶温度降低 综合上述因素，再结晶退火温度一般为： T再min +100-200℃
5.分散相粒子
当合金中溶质浓度超过其固溶度后，就会形成第二相，多数情 况下，这些第二相为硬脆的化合物，在冷变形过程中，一般不 考虑其变形，所以合金的再结晶也主要发生在基体上。 当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并在颗粒周围 留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗粒周围畸变严重， 促进再结晶，降低再结晶温度； 当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生明显聚集， 因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结晶晶核的长大过 程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作用，因此使得再结晶 过程更加困难，提高再结晶温度。 间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心，促进 再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁移， 阻碍再结晶。
图 变形程度与再结晶温度的关系
3.微量溶质原子
阻碍位错和晶界的运动， 不利于再结晶。
图 合金元素对铁再结晶温度影响
金属塑性理论基础-回复与再结晶new
金属塑性成形理论基础回复与再结晶加热对冷塑性变形后金属组织和性能的影响经冷塑性变形的金属，随着加热温度升高，依次发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段变化。
1.回复 3.晶粒长大2.再结晶回复是指经冷塑性变形的金属在加热时，发生某些亚结构及物理和化学性能变化的过程，这时的温度称为回复温度。
T回=(0.25～0.3)T熔1）回复后的组织金属的显微组织无显著变化，原子晶粒大小和形状并无改变，但晶格畸变减轻或消失。
2）回复后的性能 加工硬化后的强度和硬度基本不变，塑性略有提高，残余内应力明显下降或基本消除，物理和化学性能基本地恢复到变形前的水平。
•需进行回复退火处理，以提高导电性能。
进行回复退火以降低其内应力并使之定型，而强度和硬度基本保持不变冷拉钢丝弹簧冷拔铜丝导线去应力退火当经冷塑性变形的金属加热到高于回复阶段的温度时， T再=(0.35~0.4)T熔，在变形组织的基体上又形成新的无畸变的等轴晶粒，取代了原来已变形的组织，这一过程称为再结晶。
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）1）再结晶组织：破碎的、被拉长压扁的晶粒出现重新生核、结晶，变为等轴晶粒。
(f)(e)(d)(c)(b)(a)2）再结晶性能：经过再结晶，金属的强度、硬度显著下降，塑性、韧性提高，内应力和加工硬化完全消除，所有性能恢复到变形之前的状态。
再结晶退火有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）晶粒长大，是由于晶界的逐渐移动，晶粒相互吞并来完成的。
强度、硬度将继续下降，塑性会继续提高，在晶粒粗化严重时下降。
3.晶粒长大。
第五章 金属的塑性变形及再结晶
四、金属的热加工
1．热变形加工与冷变形加工的区别
从金属学的观点来看，热加工和冷加工的区别是以再结晶温 度为界限。在再结晶温度之下进行的变形加工，在变形的同时没 有发生再结晶，这种变形加工称之为冷变形加工。而金属在再结 晶温度以上进行塑性变形就称为热加工。
2．热变形加工对金属组织与性能的影响
（1）改善铸态组织 热变形加工可以使金属铸锭中的组织缺陷显 著减少，如气孔、显微裂纹等，从而提高材料的致密度，使金属 的力学性能得到提高。
在工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热既消除应为去应力退火力稳定组织同时又保留了加工硬化性能这种热处理方法称1再结晶过程变形后的金属在较高温度加热时原子活动能力较强时会在变形随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进使新晶核不断消耗原晶粒而长大
金属材料及热处理
第五章 金属的塑性变形及再结晶
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
2．冷塑性变形对组织结构的影响 1）产生“纤维组织”
塑性变形使金属的晶粒形状发生了变化，即随着金属外形的 压扁或拉长。当变形量较大时，各晶粒将被拉长成细条状或纤维 状，晶界变得模糊不清，形成所谓的“纤维组织”。
2）产生变形织构
由于在滑移过程中晶体的转动和旋转，当塑性变形量很大时， 各晶粒某一位向，大体上趋于一致了，这种现象称择优取向。 这种由于塑性变形引起的各个晶粒的晶格位向趋于一致的晶粒 结构称为变形织构。
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
3．产生残余内应力
经过塑性变形，外力对金属所做的功，约90%以上在使金属变 形的过程中变成了热，使金属的温度升高，随后散掉；部分功转 化为内应力残留于金属中，使金属的内能增加。残余的内应力就 是指平衡于金属内部的应力，它主要是金属在外力的作用下所产 生的内部变形不均匀而引起的。 第一类内应力，又称宏观内应力。它是由于金属材料各部分变形 不均匀而造成的宏观范围内的残余应力。 第二类内应力，又称微观残余应力。它是平衡于晶粒之间的内应 力或亚晶粒之间的内应力。 第三类内应力，又称晶格畸变内应力。其作用范围很小，只是在 晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。
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。
金属的塑性变形与再结晶
➢热加工流线的利用
➢纵向（沿纤维方向），塑性、韧性增加 横向（垂直纤维方向），塑性、韧性降低 但抗剪切能力显著增强。
➢纵向具有最大的抗拉强度，横向具有最大 的抗剪切强度.
57
热加工流线的合理利用
➢流线沿零件轮廓分布不中断 ➢最大拉应力方向沿流线 ➢最大剪应力方向垂直于流线
58
√
59
带状组织
➢（2）杂质与合金元素
杂质元素与微量溶 质原子与晶界产生交互 作用，阻碍晶界迁移。
微量杂质元素含量 越高，晶界迁移越慢
42
➢（3）第二相（分散相）质点
阻碍晶界移动，降低晶粒长大速度
φ：分散相粒子所占的体积分数。 r：粒子的半径
43
第二相颗粒所占体积分数一定时， 颗粒愈细，其数量愈多，则晶界迁移所 受到的阻力也愈大，晶粒正常长大速度 越小。
驱动力：晶界能的降低。
47
48
49
小结：
冷变形在金属材料内部产生了储存能，退 火过程中原子活动能力增强，储存能逐渐释放。 材料内部发生回复、再结晶与晶粒长大。
退火温度较低时，产生回复。储存能部分 释放，材料中的宏观残余应力基本消除，力学性 能及显微组织均保持变形后的特点。
退火温度较高时，产生再结晶。储存能完全 释放，材料重新软化，晶粒为细小的等轴晶。
➢形变金属有回到变形前组织与性能状态 的趋势
3
7.1 形变金属及合金在退火过程中的变化
➢ 回复、再结晶、晶粒长大是形变金属退火时 经历的基本过程
➢1. 显微组织变化
4
2. 储存能释放与性能变化
➢ 经过回复与再结晶， 材料的储存能释放完 毕，材料的组织与性 能能够逐渐恢复变形 前的状态。
5
5 金属的塑性变形、回复和再结晶
第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属 强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度 降低。
内应力的存在，使金属
耐蚀性下降，引起零件
加工、淬火过程中的变
形和开裂。因此，金属 在塑性变形后，通常要 进行退火处理，以消除 或降低内应力。
晶界位错塞积所 引起的应力集中
5.4 回复与再结晶
定加工工艺。
5.1 金属的塑性变形
一、单晶体金属的塑性变形
单晶体受力后，外力在 任何晶面上都可分解为正应 力和切应力。正应力只能引 起弹性变形及解理断裂。只 有在切应力的作用下金属晶 体才能产生塑性变形。
外 力 在 晶 面 上 的 分 解 切 应 力 作 用 下 的 变 形 锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
因原子密度最大的晶面和
晶向之间原子间距最大，
结合力最弱，产生滑移所
需切应力最小。
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑 移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
一个滑移面和其上的一个滑 移方向构成一个滑移系。 三种典型金属晶格的滑移系
体心立方晶格 面心立方晶格
滑移系示意图
密排六方晶格
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格， 体心立方晶格好于密排六方晶格。
加工硬化是强化金属的重要
手段之一，对于不能热处理
强化的金属和合金尤为重要。
变形20%纯铁中的位错网
三、残余内应力
内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,
内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时，外
力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中。
金属的塑性变形与再结晶
等轴晶粒，机械性能完全恢复。
（三）再结晶后晶粒大小与变形量的关系
冷变形金属再结晶后晶粒大小除与加 热温度、保温时间有关外，还与金属的预 先变形量有关。 当变形度很小时，金属不发生再结晶。
晶粒 大小
这是由于晶内储存的畸变能很小，不足以
进行再结晶而保持原来状态，当达到某一 变形度时，再结晶后的晶粒特别粗大，该
2
3 4
低碳钢
低碳钢 低碳钢
压缩58%
压缩45%，550℃退火半小时 压缩58%，550℃退火半小时
伸长的晶粒
部分等轴晶 部分等轴晶
5
6 7 8
低碳钢
低碳钢 低碳钢 低碳钢
压缩45%，650℃退火半小时
压缩58%，650℃退火半小时 压缩45%，700℃退火半小时 压缩58%，700℃退火半小时
完全再结晶
c. 对比分析不同变形量，不同退火温度对晶粒大小的影响。
（二）塑性变形后的回复与再结晶
金属经冷塑性变形后，在热力学上处于不稳定状态，
必有力求恢复到稳定状态的趋势。
但在室温下，由于原子的动能不足，恢复过程不易进 行，加热会提高原子的活动能力，也就促进了这一恢复 过程的进行。 加热温度由低到高，其变化过程大致分为回复、再结 晶和晶粒长大三个阶段，当然这三个阶段并非截然分开。
变形度称之临界变形度。
一般金属的临界变形度在2％～10％范 围内。此后，随着变形度的增加，再结晶
临界变形度
预先变形程度
预先变形程度对晶粒度的影响
后的晶粒度逐渐变细。
三、实验方法
1．实验材料及设备 （1）金相显微镜； （2）低碳钢不同变形量及再结晶状态金相样品一套；
编号 1 材料 低碳钢 处理状态 压缩45% 组织 伸长的晶粒
实验二 金属的塑性变形与再结晶
实验二金属的塑性变形与再结晶一、实验目的1、了解工业纯铁经冷塑性变形后，变形量对硬度和显微组织的影响2、研究变形量对工业纯铝再结晶退火后晶粒大小的影响二、实验原理金属在外力作用下，当应力超过其弹性极限时将发生不可恢复的永久变形称为塑性变形。
金属发生塑性变形后，除了外形和尺寸发生改变外，其显微组织与各种性能也发生明显的变化。
经塑性变形后，随着变形量的增加，金属内部晶粒沿变形方向被拉长为偏平晶粒。
变形量越大，晶粒伸长的程度越明显。
变形量很大时，各晶粒将呈现出“纤维状”组织。
同时内部组织结构的变化也将导致机械性能的变化。
即随着变形量的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化或应变硬化。
在本实验中，首先以工业纯铁为研究对象，了解不同变形量对硬度和显微组织的影响。
冷变形后的金属是不稳定的，在重新加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。
其中再结晶阶段金属内部的晶粒将会由冷变形后的纤维状组织转变为新的无畸变的等轴晶粒，这是一个晶粒形核与长大的过程。
此过程完成后金属的加工硬化现象消失。
金属的力学性能将取决于再结晶后的晶粒大小。
对于给定材料，再结晶退火后的晶粒大小主要取决于塑性变形时的变形量及退火温度等因素。
变形量越大，再结晶后的晶粒越细；金属能进行再结晶的最小变形量通常在2~8%之间，此时再结晶后的晶粒特别粗大，称此变形度为临界变形度。
大于此临界变形度后，随变形量的增加，再结晶后的晶粒逐渐细化。
在本实验中将研究工业纯铝经不同变形量拉伸后在550℃温度再结晶退火后其晶粒大小，从而验证变形量对再结晶晶粒大小的影响。
三、实验设备和材料1、实验设备箱式电阻炉、万能拉伸机、卡尺、低倍4X型金相显微镜、洛氏硬度计等2、实验材料(1)变形度为0%、30%、50%、70%的工业纯铁试样两套，其中一套用于塑性变形后的硬度测定，一套为已制备好的不同变形量下的金相标准试样，用于观察组织（2）工业纯铝试样，尺寸为160mm×20m m×0.5mm，（3）腐蚀液：40mlHNO3+30mlHCl+30mlH2O+5g纯Cu），硝酸溶液四、实验内容及步骤1、测定工业纯铁的硬度（HRB ）与变形度的关系，观察不同塑性变形量后工业纯铁的金相显微组织（1）将工业纯铁的试样在万能拉伸实验机上分别进行0%、30%、50%、70%的压缩变形。
金属的塑性变形与再结晶
可见在滑移过程中“取向软化”和“取向硬化”是 同步进行旳。
三、多晶体旳塑性变形
工程上使用旳金属材料大多为位向、形状、大小 不同旳晶粒构成旳多晶体，所以多晶体旳变形是 许多单晶体变形旳综合作用旳成果。多晶体内单 晶体旳变形仍是以滑移和孪生两种方式进行旳， 但因为位向不同旳晶粒是经过晶界结合在一起旳， 晶粒旳位向和晶界对变形有很大旳影响，所以多 晶体旳塑性变形较单晶体复杂。
所以对冷变形金属进行旳这种低温加热退火只能用在 保存加工硬化而降低内应力改善其他旳物理性能旳场 合。
例如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生旳高强 度，另外，因为残余内应力对其使用有不利旳影响， 所以采用低温退火以消除残余应力。
2 .再结晶
经过回复，虽然金属中旳点缺陷大为降低， 晶格畸变有所降低，但整个变形金属旳晶粒 破碎拉长旳状态仍未变化，组织仍处于不稳 定旳状态。
1. 晶界和晶粒位向旳影响 2. 多晶体金属旳变形过程
1. 晶界和晶粒位向旳影响
晶界旳存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中 各晶粒晶格位向旳不同，也会增大其滑移抗力， 所以多晶体金属旳变形抗力总是高于单晶体 。
金属旳晶粒愈细，金属旳强度便愈高 ，而且塑 性与韧性也较高
1.晶界和晶粒位向旳影响
为了确保变形金属旳再结晶退火质量，取得细晶粒， 有必要了解影响再结晶晶粒大小旳原因。
二、影响再结晶粒大小旳原因
变形度影响 退火温度旳影响
1.变形度影响
当变形量很小时，因为晶格畸变很小，不足以引 起再结晶，故加热时无再结晶现象，晶粒度仍保 持原来旳大小，当变形度到达某一临界值时，因 为此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀， 再结晶晶核少，且晶粒极易相互兼并长大，因而 再结晶后晶粒粗大，这种变形度即为临界变形度，
吉林大学工程材料第2章 金属的塑性变形和再结晶
1、晶粒正常长大： 再结晶后的晶粒均匀、稳速地长大的现象。发生在
再结晶晶粒细小且均匀时。（希望的长大方式）
2、晶粒异常长大：
再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。在再结晶 粒大小不均时，大晶粒吞并小晶粒，将得到异常粗大的 晶粒，也称“二次再结晶”。
d晶↑ 晶界面积↓ 能量↓∴晶粒长大是自发的 过程。因为粗晶是弱化，所以要避免晶粒长大，特别要
方向 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(%) ψ(%) αk(KJ/M2)
平行 701 垂直 659
460
17．5 62．8
608
431
10．0 31．0
294
34
四 、热加工的不足
在实际生产中，热加工与冷加工相比也有不足处
（1）热加工需要加热，不如冷加工简单易行。 （2）热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易 于控制。
目的：1. 消除加工硬化 使、σ、HB↓ δ%、 %、ak↑ 2. 消除内应力，但保留加工硬化，使理化性能↑
对于冷加工后的金属，由于10%的变形能储存在 金属中，在加热时，随着温度的升高，原子活动能力 提高，在变形能的作用下，就要发生组织和性能的变 化，其主要包括三个阶段：回复、再结晶及晶粒长大。
18
底面对角线
1 面×3 方向=3
7
4、滑移机理
临界切应力（c）： 能够发生滑移的最小切应
力叫做为)。当切应力（）满足 c时滑移才 能发生。
铜的滑移临界切应力：理论计算 1500 Mpa 实际测试 1 MPa
滑移是由于滑移面上的位错运动造成的。
8
位错运动造成滑移示意图
9
10
二、 多晶体金属的塑性变形
700℃
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。
实验三 金属塑性变形与再结晶
实验三金属塑性变形与再结晶一、实验目的认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；研究形变程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。
加深对加工硬化现象和回复再结晶的认识。
二、基本原理1、金属冷塑性变形后的显微组织和性能变化金属冷塑性变形为金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。
金属在发生塑性变形时，外观和尺寸发生了永久性变化，其内部晶粒由原来的等轴晶逐渐沿加工方向伸长，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带，当变形程度很大时，晶界消失，晶粒被拉成纤维状。
相应的，金属材料的硬度、强度、矫顽力和电阻等性能增加，而塑性、韧性和抗腐蚀性降低。
这一现象称为加工硬化。
为了观察滑移带，通常将已抛光并侵蚀的试样经适量的塑性变形后再进行显微组织观察。
注意：在显微镜下滑移带与磨痕是不同的，一般磨痕穿过晶界，其方向不变，而滑移带出现在晶粒内部，并且一般不穿过晶界。
2、冷塑性变形后金属加热时的显微组织与性能变化金属经冷塑性变形后，在加热时随着加热温度的升高会发生回复、再结晶、和晶粒长大。
（1）回复当加热温度较低时原子活动能力尚低，金属显微组织无明显变化，仍保持纤维组织的特征。
但晶格畸变已减轻，残余应力显著下降。
但加工硬化还在，固其机械性能变化不大。
（2）再结晶金属加热到再结晶温度以上，组织发生显著变化。
首先在形变大的部位（晶界、滑移带、孪晶等）形成等轴晶粒的核，然后这些晶核依靠消除原来伸长的晶粒而长大，最后原来变形的晶粒完全被新的等轴晶粒所代替，这一过程为再结晶。
由于金属通过再结晶获得新的等轴晶粒，因而消除了冷加工显微组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形以前的状态。
金属的再结晶过程是在一定的温度范围能进行的，通常规定在一小时内再结晶完成95％所对应的温度为再结晶温度，实验证明，金属熔点越高，再结晶温度越高，其关系大致为：T＝0.4T熔。
（3）晶粒长大再结晶完成后，继续升温（或保温），则等轴晶粒以并容的方式聚集长大，温度越高，晶粒越大。
第四章 金属的塑性变形与回复再结晶
第四章金属的塑性变形与回复再结晶第一节金属的塑性变形金属的一项重要特性是具有塑性，能够在外力作用下进行塑性变形。
外力除去后，永久残留的变形，称为塑性变形。
塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种，最常见的是滑移。
下面我们就讨论：一、光学金相显微镜下滑移带、变形孪晶与退火孪晶的特征滑移：所谓滑移即在切应力作用下晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑动。
所沿晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。
1．滑移带经表面抛光的金属单晶体或晶粒粗大的多晶体试样，在拉伸（或压缩）塑性变形后放在光学显微镜下观察，在抛光的晶体表面上可见到许多互相平行的线条，称为滑移带，如图4一1所示。
ａ黄铜的滑移带600⨯b 纯铁的滑移带 400⨯图4-1 滑移带的光学显微形貌由图可见，纯铁的滑移带特征与黄铜的略有不同，往往呈波纹状。
这主要由于纯铁本身层错能较高，其扩展位错容易束集，加之体心立方晶体可进行滑移的晶面多，因而产生大量交滑移的缘故。
如果用电子显微镜作高倍观察，会发现每条滑移带（光学显微镜下的每根线条）是由许多密集在一起的滑移线群所组成。
实际上，每条滑移线表示晶体表面上因滑移而产生的一个小台阶，而滑移带是小台阶累积的大台阶。
正因为晶体表面有这些台阶的出现才显示出上述的微观形貌。
如果将这些小台阶磨掉，即使重新抛光并浸蚀也看不出滑移带，因为滑移面两侧的晶体位向不随滑移而改变，故只能借助晶体表面出现的小台阶来观察。
1．变形孪晶孪生通常是晶体难以进行滑移时而发生的另一种塑性变形方式。
以孪生方式形变的结果将产生孪晶组织，在面心立方晶体中一般难以见到变形孪晶，而在密排六方晶体中比较容易见到。
因为密排六方晶体的滑移系少，塑性变形经常以孪生方式进行。
图4一2a为锌的变形孪晶，其形貌特征为薄透镜状。
纯铁在低温下受到冲击时也容易产生变形孪晶，其形貌如图4一2b所示，在这种条件下萌生孪晶并长大的速度大大超过了滑移速度。
a 锌的变形孪晶100⨯b 铁的变形孪晶 100⨯图4—2 变形孪晶光学显微形貌如果将变形孪晶试样重新磨制、抛光、浸蚀，是否如同滑移带那样也会消失呢？并不是这样的。
第四章金属的塑性变形与再结晶
第四章金属的塑性变形与再结晶铸态组织具有晶粒粗大且不均匀、组织不致密及成分偏析等缺陷，需要经压力加工再使用。
金属的压力加工，就是通过使金属产生一定的塑性变形获得制件。
压力加工不仅改变其外形尺寸，且使内部的组织和性能发生改变。
因此研究金属塑性变形以及变形后材料的组织结构的变化规律，对于深入了解金属材料各项力学性能指标的本质，充分发挥材料强度的潜力，正确制定和改进金属压力加工的工艺，提高产品的质量以及合理使用材料等都具有重要意义。
第一节金属的塑性变形[教学目的] 理解单晶体的塑性变形，掌握多晶体的塑性变形。
[教学重点] 多晶体的塑性变形。
[教学难点] 多晶体的塑性变形。
[教学方法] 讲授。
[教学内容]所有变形中，塑性变形对组织和性能的影响最大。
为认识塑性变形的规律，首先研究单晶体的塑性变形。
一单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生方式进行。
1 滑移切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动，称为滑移。
外力在一定的晶面分解为垂直于晶面的正应力σN和平行于晶面的切应力τN。
σN引发弹性变形和脆性断裂，断口呈金属光泽；τN引发弹性变形、弹塑性变形和韧性断裂，断口灰暗无光泽。
滑移变形的5个要点：1)滑移只能在切应力作用下发生；2）滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上,并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。
（原因：最密排晶面之间的距离最远；最密排晶面上原子与邻近原子之间的阻力最小）3）滑移必然伴随着晶体的转动（正应力引起）。
4）滑移是滑移面上的位错运动造成的。
位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。
如铜刚性滑移要1540MPa，实际只有1MPa。
二多晶体的塑性变形1 晶界与晶粒位向的影响①晶界竹节现象多晶体金属中，晶界原子的排列不规则，局部晶格畸变严重，且易产生杂质原子和空位等缺陷的偏聚。
位错运动到晶界附近时容易受到晶界的阻碍。
说明金属在冷变形,回复,再结晶及晶粒长大各阶段
金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段一、金属冷变形1. 什么是金属冷变形？金属冷变形是指在室温或较低温度下对金属材料进行塑性加工，以改变其形状或尺寸的过程。
常见的冷变形工艺包括冷拔、冷轧、冷锻等。
2. 冷变形的影响冷变形可以显著提高金属材料的强度和硬度，同时可以改善其力学性能和组织结构。
但冷变形也会导致金属材料产生晶界滑移、位错堆积、析出等微观结构变化，从而影响其综合性能。
二、金属回复1. 什么是金属回复？金属回复是指在冷变形后，应力减小或消除，导致金属材料产生一定程度的弹性恢复的过程。
回复过程主要表现为晶格疲劳裂纹的原子扩散，以及位错消失和减少。
2. 回复的影响金属回复过程可以使金属材料的内应力得到释放，从而降低材料的脆性，提高其韧性和塑性。
回复还可以减小金属材料的形变硬化，有利于后续的再结晶处理。
三、金属再结晶1. 什么是金属再结晶？金属再结晶是指在冷变形后，当金属材料达到一定程度的应变累积后，晶粒开始发生变形重组，并形成新的细小晶粒，以消除原来的应变能量积累的过程。
再结晶是一种发生在高温下的晶界迁移和新晶核形成的过程。
2. 再结晶的影响再结晶可以消除金属材料变形后产生的应力和位错，从而恢复其初始的塑性和韧性。
再结晶还可以改善金属材料的晶粒结构和晶内组织，提高其综合力学性能和加工性能。
四、晶粒长大1. 什么是晶粒长大？晶粒长大是指再结晶后的金属材料，在较高温度下，晶界迁移和晶粒体积增长，有的晶粒消失，有的晶粒长大的过程。
晶粒长大的主要机制有晶界扩散、声生长和弯曲扩张。
2. 晶粒长大的影响晶粒长大会导致材料的晶粒尺寸增大，影响了金属材料的力学性能、热稳定性和加工性能。
在材料的热处理过程中，需要控制晶粒长大，以保证材料具有良好的综合性能。
结语通过对金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段的过程及影响进行了解，有助于加深对金属材料内部组织和性能变化的认识，为金属材料的加工和应用提供了重要的理论基础和指导意见。
金属的冷变形强化、回复和再结晶
在临界变形速度 C之后，消耗于金属塑性变 形的能量转化为热能，即热效应。由于热效应的 作用，使金属温度升高，塑性上升，变形抗力减 小，金属易锻压加工。
3．应力状态 挤压时金属三个方向承受压应力，如图11-89a所示 。在压应力的作用下，金属呈现出很高的塑性。拉拔时 金属呈两向压应力和一向拉应力状态，如图 11-8b 所示 。拉应力易使金属内部的缺陷处产生应力集中，增加金 属 破 裂 倾 向 ， 表 现 出 金 属 的 塑 性 下 降 。
机械制造基础
第十一章
二、金属的冷变形强化、回复和再结晶
(一) 金属的加工硬化（冷变形强化） 金属在低温下进行塑性变形时，随着 变形程度的增加，金属的硬度和强度升高 ，而塑性、韧性下降，这种现象称为金属 的冷变形强化或加工硬化。
冷变形强化是强化金属的重要途径之一，尤其是对 一些不能用热处理强化的金属材料显得特别重要，如 低碳钢、纯铜、防锈铝、镍铬不锈钢等，可通过冷轧 、冷挤、冷拔、冷冲压等方法来提高金属强度、硬度 。
机械制造基础
第十一章
(二) 锻造比 锻造比是表示金属变形程度大小的参数。具体计算如下： y拔长 = S0／S（视频） y镦粗 = H0／H（视频） 式中 S0、S —— 拔长前、后金属坯料的横截面积； H0、H —— 镦粗前、后金属坯料的高度； 锻造比越大，热变形程度也越大，热加工流线也越明显， 其金属组织、性能改善越明显。
金属材料及热处理：回复与再结晶
中温回复
正负位错的抵销
高温能力强，G降低。位错可以攀移、滑移和交
滑移，位错垂直排列形成多边化亚晶粒-多边化。 多变化可以降低弹性畸变能，消除宏观、微观应力。 亚晶略有长大。
攀移形成小角度晶界（多边化）
·
两平行滑移面上异号位 错通过攀移相互抵消
同一滑移面上异号位错攀 移过夹杂物后相互抵消
回复与再结晶
外力使金属变形时，外力对金属作功。这些能 量大部分转化为热量散失到环境中；有一部分 能量（2~ 10%）保存到变形金属中-形变储存 能，金属处于不稳定状态。
金属塑性变形后，其组织性能发生了很大变化， 为了恢复性能，需要加热-退火。
加热时，不稳定状态的金属将发生一系列转变， 逐步向平衡状态转变。
晶界凸出形核（变形量较小时） 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小(位错密度较高)的方
向
形核机制
a.高层错能金属 即相邻亚晶粒某些边界上的位错，通过
攀移和滑移，转移到这两个亚晶外边的 亚晶界上去，而使这两个亚晶之间的亚 晶界消失，合并成一个大的亚晶。 同时通过原子扩散和相邻亚晶转动，使 两个亚晶的取向变为一致。
σ0：材料经充分退火后的屈服极限 σm是冷变形后的屈服极限 σr是冷变形后经不同规程回复后的屈服极限 纵坐标（1-R）则为剩余硬化分数
R越大，（1-R）越小，表示回复阶段性能恢复程度愈大
8.2 回复 （1）回复的特征
当温度一定时，回复程度随时间延长而逐渐增加； 而在每一温度，回复程度都有一极限值，温度越
形核机制
b.低层错能金属 再结晶形核可能是直接通过亚晶界的迁移来实现。
变形后的亚晶组织中，有些位错密度很高，同号位错过 剩量大的亚晶界与它相邻的亚晶取向差就比较大
能量存在形式：位错（80～90％）、弹性应变 能（3～12％）和点缺陷
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图 3.刃形位错的攀移和滑移示意图
图 4.多变形化前、后刃形位错的排列状况
1.3 回复后金属性能的变化
金属的电阻率是点缺陷敏感的一种物理性能， 塑性变形使空位增加而导致金 属电阻率增大；低温回复使空位消失，电阻减小，达到接近冷变形前的状态。力 学能是对点缺陷不敏感的性能，故低温回复之后力学性能不发生较大改变。 中温回复时，第一类应力消除，使金属构件尺寸稳定；第二类应力基本上消 除了， 抗应力腐蚀有明显提高甚至恢复到冷变形前的状态，所以许多金属材料如 黄铜加工产品在出厂之前要经过消除应力退火， 防止以后放置或使用时造成晶界 应力腐蚀开裂。由于位错数量的减少并不显著，故力学性能基本上不发生变化。 高温回复时， 除了上述的物理和化学性能得到完全的回复外，由于多边形化 的形成，力学性能稍有变化，强度有所降低和塑性有少量改善。某些金属材料出 厂前，进行较高温度的消除应力退火，除了提高耐腐蚀性之外，在消除应力、尺 寸稳定的前提下，保留变形硬化效果，也是退火的目的之一。如用冷拉钢丝卷成 弹簧，在成形之后，要在 250-300℃进行退火以消除低内应力并使之定形，而强 度和硬度又基本上保持不变。
1.2 回复机理
回复过程可以分为低温、中温和高温三个阶段。
在低温回复过程中，主要表现为空位的消失。冷变形所产生的大量空位，受 热后发生空位迁移， 使空位迁移到金属的自由表面或界面，或使空位与间隙原子 重新结合；空位与位错发生交互作用；空位聚集成空位片等。这些因素都会使空 位数量急剧减少，因而便与点缺陷敏感的电阻率发生不同程度的下降。 中温回复的过程表现为位错的滑移，导致位错重新结合，异号位错的汇聚而 抵消以及亚晶的长大。 在冷塑性变形过程中，位错的不断增殖和塞积，大量位错的相互交互缠结而 形成发团， 井将晶粒分割成若干个细小的胞状结构。胞壁上纠缠着大量位错且有 一定的厚度。在中温回复时，温度升高，使位错容易滑移，同一滑移面上的异号 位错相遇会相互吸引而抵消， 不但使亚晶内部的位错数目减少，而且胞壁缠结位 错的减少更为显著，重新调整排列规则，胞壁也变得明晰，形成回复亚晶。 高温回复的过程是位错的进一步滑移并产生攀移，形成位错墙，发生多边形 化的过程。 同一滑移面上的异号位错已在中温回复时相互抵消而只留下同号位错， 但其 分布排列并不均匀， 且多层相互平行的滑移面上的位错数目并不相同。在高温回 复阶段，位错运动的动力学条件充分，不但容易发生滑移并能够进行攀移，由于 攀移的结果使多层滑移面上的位错密度趋于相同， 各位错之间的作用力又使同一 滑移面上的位错分布均匀， 间距大体相等，并且使各层滑移面上的位错在与滑移 面垂直的方向上形成规则排列的位错墙，称为多边形化，如图 3 和图 4 所示。多 边形化构成的位错墙即是小角度晶界，它将原晶粒分隔成若干个亚晶粒。
2.1.2 再结晶晶核长大过程
晶核形成之后， 核心部位的畸变能很低，而周围的冷变形基体仍处与位错密 度很高的高能状态。显然，两部位之间的畸变能差成为晶粒长大的驱动力、推动 晶界向高能区移动， 于是无畸变的低能区迅速蚕食高能区并不断释放出能量，使 晶核长大直至冷变形基体的高能区消失，各区域之间达到能量平衡为止，再结晶 完成。
图 6.低层错能金属中局部位错密度很高的亚晶界发生迁移，逐渐长大为核心
图 7.高层错能金属 A，B，C 三个亚晶粒合并为一个核心
图 8.当变形程度较低时，大角度晶界上有一段弓出发展为晶粒
亚晶合并形核，对层错能较高的金属，内于位错易于运动，在回复后亚晶界 上的位错网络容易通过交滑移、 攀移转移到其他晶体上，导致亚晶界的消失而位 亚晶之间合并成为晶核，如图 7 所示。随亚晶合并，取向差不断增大，新亚晶的 边界不断有解离的位错汇集，逐渐累积，最终成取向差较大的大角度晶界。 2)晶界弓出形核机制
2.2 再结晶温度的影响因素
影响再结晶温度的因素主要有以下几种： 1.金属的纯度．在金属中存在杂质或添加合金元素，明显提高再结晶温度。 这是由于异类原子通常偏聚于位错线周围和晶界处， 阻碍位错的运动及晶界的迁 移，而且杂质或合金元素还阻碍原子的扩散，因此，要使再结晶进行，就必须提 高温度给予更大的激活条件。 2.金属的冷变形度越大，存储能能量越多．再结晶时驱动力越大，故再结晶 温度越低。但当变形度增加到一定数值之后，再结品温度趋于定值。 3.加热速度的影响，如果加热时速度缓慢，变形的金属能充分进行回复，并 释放相当大的一部分存储能，故再结晶温度愈低。 4.原始晶粒越细，存储能越高，再结晶温度越低。
结论
回复和再结晶在金属热加工和消除金属加工硬化方面有着极为重要的作用， 本文讲述回复与再结晶的机理， 对以后我们金属热加工和消除加工硬化有着一定
的作用。
参考文献
[1]汤酞则.材料成形工艺基础.长沙：中南大学出版社 [2]机械工业标准化与质量，2009 [3]崔占全.金属学与热处理.，北京:北京大学出版社 2010
冷塑性变形金属的回复与再结晶
引言：基本所有的金属都是由液态金属浇铸成铸锭之后，都需要进行一
定的压力加工，如锻压，轧制，拉拔等，才能被应用。金属经过一定的压力加工 之后，铸态的缩孔，疏松等缺陷得到消除，夹杂物被均匀分配，粗大的树枝晶被 打碎，材料的塑性和强度也得到提高。虽然材料经历了塑性变形之后，特别是较 大程度的冷变形之后， 性能有了很大的提高， 韧性降低，金属的电阻率上升，耐蚀性下降，如果这些缺陷 不进行消除，那么将对后续的加工和应用造成加大的影响。综上所述，了解金属 变形后的回复机制，将对实际生产，材料的应用具有极大的意义。
二、 再结晶
将冷加工以后的金属加热到一定温度以后， 在变形的组织中重新产生新的无 畸变的等轴晶粒，性能恢复到冷加工前的软化状态，这一过程称为“再结晶” 。 必须指出，再结晶不同于重结晶(同素异构转变)，冷变形金属经再结晶后晶体结 构不发生变化，而重结晶则发生晶体结构的改变。
2.1 再结晶晶核的形成与长大
图 2.同一变形程度多晶体在不同温度下退火时的回复动力学曲线 从图 2 中可见，在一定的温度下，随着时间的延长，回复程度增加；回复开 始速度较大， 随时间增长速度减慢， 直至速度为零时回复即告停止。 在每一温度， 回复程度大致都有一个极限值，温度越高，这个极限值越大，而且到达极限的时 间也越短，即回复的速度也越大。
图 1.变形金属加热过程中组织变化示意图 冷变形金属重新加热时不但发生回复，再结晶和晶粒长大等组织变化．而材
料性能也随之发生变化。金属的硬度降低，塑性提高，导电率和延伸率都有极大 的提高，随着再结晶的完成，金属的性能越来越接近变形之前的金属。
一、 冷塑性变形金属的回复
回复是冷塑性变形的金属， 在随后的加热时冷变形基体尚未发生变化时的退 火过程。在回复过程中，金属的组织发生了在光学显微镜下观察不到的变化，力 学性能只有少许的变化，然而物理和化学性能却有明显的改变。
当变形程度较小(约小于 40%)时，金属的变形不均匀，各个晶粒内的位错密度互 不相同，晶界两侧经回复后的多边形化的亚晶大小也不一样。退火时，原大角度 晶界上的一小段突然向组织致密的、位密度高的一侧弓出，并逐渐形成—块无位 错区域，这一区域就合成为再结晶晶核而继续长大，如图 8 所示，这一机制又称 “应变诱导晶界移动”机制。
关键词：塑性变形，回复，再结晶，晶核形成
前言
在对金属进行冷压力加工时，外力所做的功大部分以热的形式散失掉，仅有 2%-10%的能量以弹性应变能和增加晶体缺陷等方式在金属中储存起来。弹性应 变能是因变形不均匀而产生， 也就是我们常说的残余应力，它占总存储能的比例 很小， 而 90%以上的存储能以形成大量的空位和位错胞状结构而产生的畸变能为 主要表现形式。从热力学的观点上看，这使金属处于不稳定的高能状态，有向低 能状态转化的自发趋势，但由于室温下原子活动能力较弱，使得转化难以进行； 当变形金属被重新加热时，便自发地向低能量状态，即冷变形前的状态转变。即 发生回复、再结晶等过程，存储能是回复与再结品的驱动力。 冷变形金属在加热时组织的变化过程如图 1 所示。加热初期，变形的晶粒在 光学显微镜下几乎无变化，但内应力却大大下降，这就是我们常说的回复阶段； 随加热时间延长或温度升高， 在冷变形金属的基体上形成新的无畸变的等轴晶晶 核，然后晶核依靠晶界移动向畸变大的部位扩展，直至冷变形基体基本消失，完 全被新的、无畸变的等轴晶粒取代，这就是再结晶过程；此时，如果继续升高温 度或延长保温时间， 再结晶后的晶粒会发生相互吞噬而长大，直到该温度或时间 条件下达到一个较为稳定的晶粒尺寸为止，这就是晶粒长大过程。在冷变形基体 上出现等轴晶之前的全部退火现象称为回复； 在冷变形基体上出现新的等轴晶直 至冷变形基体消失， 全部变成等轴晶的退火过程称为再结晶；等轴晶在加热过程 中尺寸不断增大过程称为晶体长大过程。
再结晶过程是一个形核与晶核长大的过程，如图 5 所示，图中的影线部位代 表加工后被压扁或拉长的变形晶粒， 白色的部位代表再结晶开始至结束晶核的形 成及长大成为等轴晶的过程。
2.1.1 再结晶晶核的形成机制
图 5.再结晶过程示意图 再结晶形核方式与冷变形度有关，当冷变形程度很大时，通常采取亚晶形核 方式，当变形量较小时，采取大角度晶界的弓出形核方式。 1)亚晶形核机制 冷变形度较大的金属， 经回复退火后． 在冷变形晶粒内部形成许多回复亚晶，
再结晶晶核就是在亚晶基础上萌生的。对于层错能较低的金属，它们常借助亚晶 界移动形核；而层错能较高的金属则依靠相邻亚晶粒合并来形成再结晶晶核。 首先讨论亚晶界移动形核， 层错能较低的金属在变形量很大时，晶体内的位 错密度较高， 并形成缠结位错所构成的形变胞状结构。变形越大则胞状结构取向 差越小。但在变形晶体中，总会存在某些畸变较轻、位错密度较低并与周围位向 差较大的亚结构。经回复后，这些取向差较大的亚晶边界具有较大的话性，能够 直接发生迁移吞并周围位错密度较高的亚晶，从而长大成为晶核，如图 6 所示。
1.1 回复动力学简介
性能回复程度与温度、 时间的关系曲线称为回复动力学曲线。图 2 为多晶体 的回复动力学曲线， 该曲线上回复程度以屈服应力来表示，纵坐标为剩余应变硬 化分数(1—R)， 其中R = ������������ − ������������ /(������������ − ������0 )， 其中������������ ， ������������ 和������0 别代表冷变形后、 回复后和完全退火后的屈服应力。显然，R 为性能恢复分数，(1—R)则为退火后 性能尚未恢复的部分,称为线性残留分数或剩余应变硬化分数,(1—R)越小，即 R 越大，则回复程度越大,回复得越彻底。