第7章 回复与再结晶

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3. 再结晶后的晶粒大小 再结晶后的晶粒大小d取决于形核率N 和长大速率G，它们之间有下列关系： d=C(G/N)1/4 C为系数 可见：N↑，G↓，d↓。即凡影响N、G的因 素，均影响再结晶后的晶粒大小。 影响再结晶后晶粒大小的因素:
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（1）变形度：
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长大 晶核形成之后，借界面的移动而向周围畸变 区域长大，直到全部形成无畸变的等轴晶粒为止， 再结晶即告完成。 界面迁移的推动力是无畸变的新晶粒与周围 畸变的母体之间的应变能差。
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2. 再结晶温度及其影响因素
再结晶温度: 冷变形金属开始进行再结晶的 最低温度称为再结晶温度。 对纯金属：T再＝0.4T熔（K） K＝ ℃ ＋ 273 如：Fe：T熔＝1538℃ T再＝0.4(1538＋273)－273＝451.4℃ 一般再结晶退火温度比T再要高出100～ 200℃，目的：消除加工硬化现象。
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。
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7.1 变形金属在加热时组织和性能的变化
分为三个阶段:
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 塑性变化很小，内应力、电阻明 显下降。
热加工不当，亚共析钢中的F与P会呈层状分 布，在层与层之间还有一些被拉长的夹杂物， 这种层状分布的组织称为“带状组织”,见图 7.26。 带状组织具有严重的各向异性，使性能变 坏。严重时报废，轻微时用扩散退火或正火消 除。 防止方法： ①不在两相区变形； ②减少夹杂元素含量。
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影响再结晶温度的因素有：
(1)变形程度：随冷变形程度增加，储能增多， 再结晶的驱动力增大，再结晶容易发生，再结晶 温度低。当变形量达到一定程度，T再趋于一定 值，见图7-13。
T再
变形度％
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(2)原始晶粒尺寸：原始晶粒越细小，晶界越多， 有利于形核；另外，晶粒越细小，变形抗力越大， 变形储能高，再结晶驱动力越大，容易发生再结 晶，使T再降低。
小
结
1.概念 再结晶，冷加工，热加工。 2.冷变形金属在加热时组织和性能的变化: 再结晶温度：T再＝0.4T熔（K） 再结晶退火温度： T再＋(100－200)℃ 影响再结晶后晶粒大小的因素：5点。
3.金属的热加工： 判断冷热加工；热加工对金属组织和性能的 影响；动态回复和动态再结晶。
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晶粒尺寸
（2）退火温度：提高退火温度，使再结晶速 度加快，晶粒长大。 （3）原始晶粒：越小，越均匀，则变形后晶 粒破碎程度越均匀，再结晶后的晶粒越细。 （4）合金元素和不熔杂质：越多，会阻碍 再结晶晶粒长大，则再结晶晶粒越细小。 （5）加热速度：越快，再结晶温度越高，推迟 再结晶形核和长大过程，所以再结晶晶粒细小。
1) 形成“流线”，出现各向异性 夹杂物一般沿晶界分布，热加工时，晶粒变形， 夹杂物也变形，晶粒发生再结晶形成等轴晶粒，而
夹杂仍沿变形方向呈纤维状分布，这种夹杂的分布
叫“流线”。出现流线使性能出现明显的各向异性，
因此热加工时应力求使工件具有合理的流线分布。
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2) 形成“带状组织”
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再结晶形核机制有三种：
晶界弓出形核机制：对变形度较小的金属，多 以这种方式形核。见图7.7 亚晶合并机制：在变形程度较大且具有高层错 能的金属中，多以这种机制形核。见图7.8 亚晶蚕食机制：在变形度很大的低层错能金属 中，多以这种机制形核。见图7.9 总之，三种形核机制都是大角度晶界的突 然迁移。不同的是获得大角度晶界的途径不同
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7.4 晶粒长大
再结晶后，再继续保温或升温，会使晶粒进一步长大。
1.晶粒的正常长大：表现为大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大。 是靠晶界迁移，相互吞食而进行的，它使界面能减小，是一 个自发过程。 2.晶粒的异常长大：表现为少数晶粒突发性的不均匀长大。见图
7.21。是出现少数较大的晶粒优先快速成长，逐步吞食掉其周
2.动态再结晶
动态再结晶也是形核和核长大过程。动态再结晶后得 到等轴晶粒组织，晶粒内部由于继续承受变形，有较高的 位错密度和位错缠结存在，这种组织比静态再结晶组织有 较高的强度和硬度。如低层错能金属：Cu、Ni、γ -Fe、 不锈钢等。 1）应力-应变曲线：见图7.24，加工硬化→再结晶软化→ 硬化=软化→动态平衡 。 2）动态再结晶机制 动态再结晶也是通过形核和核长大过程来完成的。 3）动态再结晶的组织结构 稳态期间，等轴晶粒，晶界呈锯齿状，晶内包含亚晶。
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（2）在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍 隔一段时间再行弯折，铅板又向最初一样柔软， 这是什么原因？（铅的熔点为327.5℃） 经计算：T铅再＝－33℃ 所以，室温下弯折属于热加工，消除了加工硬化。 热加工过程中，在金属内部同时进行着加工 硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。
思考题
1.冷变形金属在加热时组织和性能有何变 化？ 2.计算纯铁的最低再结晶温度，指出纯铁 在400℃加工时，属于何种加工？并估计 其再结晶退火温度。
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2. 动态回复与动态再结晶 热加工中回复与再结晶分为两类：一 类在变形终止或中断后，保温或冷却过程 中进行，称为静态回复和静态再结晶（前 面讨论的属于此类）。另一类是与变形同 时发生的回复与再结晶过程，称为动态回 复与动态再结晶。
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1.动态回复
动态回复引起的软化过程是通过刃位错的攀移、螺位 错的交滑移、异号位错对消，使位错密度降低的结果。动 态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶，仍保持沿变形方 向伸长，呈纤维状。如高层错能金属：Al、α-Fe、Zr、Mo、 W等。
1）应力-应变曲线：见图7.23，应力随应变增大→加工硬化 → 稳定态。 2）动态回复机制 变形量↑→位错增殖→变形温度↑→位错攀移交滑移脱钉抵 消→位错密度↓→位错增殖速率和消亡速率达到平衡。 3）动态回复时的组织结构 晶粒沿变形方向伸长呈纤维状，但内部为等轴亚晶无应变 2014-2-17 23 结构。
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7.3 再结晶
1. 再结晶过程 冷变形后的金属加热到一定温度后，在 原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒， 而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前 的状况，这个过程称为再结晶。见图7-6 再结晶是一种形核和长大过程，即通过 在变形组织的基体上产生新的无畸变再结晶 晶核，并通过逐渐长大形成等轴晶粒，从而 取代全部变形组织的过程。
原始晶粒 尺寸 临界变形量
变形量
①当变形程度很小时，晶粒大小没 有变化，因为变形量过小，造成的 储存能不足以驱动再结晶。②当变 形量达到一定值时，再结晶后的晶 粒特别粗大，把这个变形量称为 “临界变形量”，一般金属的临界 变形量为2～10％。因为金属在临界 变形量下，只部分晶粒破碎，大部 分晶粒未破碎，此时，晶粒不均匀 程度很大，最易大晶粒吞并小晶粒， 故晶粒很容易粗化。③当变形量大 于临界变形量之后，再结晶后晶粒 细化，且变形量越大，晶粒越细化。 因为变形量越大，驱动形核和长大 的储存能不断增加大，且形核率增 大较快，使G/N变小，因此细化。
材料科学基础
主讲教师：王亚男
第7章 回复与再结晶
7.1 变形金属在加热时组织和性能的变化 7.2 回复 7.3 再结晶 7.4 晶粒长大 7.5 金属的热变形 小结 思考题
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回复和再结晶
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
(3)微量溶质原子：微量溶质原子可显著提高T再， 原因是溶质原子与位错和晶界间存在着交互作用， 使溶质原子在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移 与攀移和晶界的迁移起阻碍作用，不利于再结晶 的形核和长大，阻碍再结晶过程，因而使 T再提高。
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(4)第二相粒子：既可提高T再，也可降低T再。当 第二相粒子尺寸和间距都较大时，变形中阻碍位 错运动，提高变形储能，提高再结晶驱动力，易 发生再结晶，使T再降低；当第二相粒子尺寸和间 距都很小时，阻碍位错重排构成亚晶界，阻碍晶 界迁移，阻碍了再结晶，使T再提高。 (5)再结晶退火工艺参数：加热速度过慢或极快， 均使T再升高（过慢有足够的时间回复，点阵畸变 度降低，储能减小，使再结晶驱动力减小，T再升 高；极快因各温度下停留时间过短而来不及形核与 长大，使T再升高）。保温时间越长，T再越低。
4
R
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7.1 变形金属在加热时组织和性能的变化
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
在滑移面上有塞积的同号刃型位错；③ 需要加热到较高的
温度，使位错能产生攀移运动。
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从回复机制可以理解： 回复过程中电阻率的明显下降主要是由于过 量空位的减少和位错应变能的降低； 内应力的降低主要是由于晶体内弹性应变的 基本消除； 硬度及强度下降不多是由于位错密度下降不 多，亚晶还较细小。
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R
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7.1 变形金属在加热时组织和性能的变化
晶粒长大：指再结晶结束 之后晶粒的继续长大。在
R
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。
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7.2 回复机制
1.低温回复：主要与点缺陷的迁移有关。点缺陷密度下降 2.中温回复：主要与位错的滑移有关。异号相消排列规整 3.高温回复：刃型位错产生攀移。攀移：①使滑移面上不 规则的位错重新分布，垂直排列成墙，降低了位错的弹性 畸变能；②形成沿垂直滑移面方向排列并具有一定取向差 的位错墙，产生亚晶，即多边化结构。见图7-4 多边化的产生条件：①塑性变形使晶体点阵发生弯曲；②
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3. 热加工对金属组织及性能的影响
(1) 热加工对室温力学性能的影响 ①热加工可使气孔、疏松焊合，提高致密度；
②热加工可消除或减轻铸锭组织、成分不均匀性；
③热加工可使粗大组织破碎并均匀分布，细化晶 粒。 所以,热加工可提高力学性能。
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(2) 热加工材料的组织特征
围的大量小晶粒，最后形成非常粗大的组织，使力学性能大 大降低，称为二次再结晶。其驱动力来自界面能的降低。
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7.5 金属的热变形
1. 冷热加工的划分 小于再结晶温度的加工称为冷加工；大于再结 晶温度的加工称为热加工。 例如：
（1）钨（W）在1100℃加工，锡（Sn）在室温下加
工变形，各为何种加工？（钨的熔点为3410℃，锡 的熔点为232℃） 经计算：T钨再＝1200℃，T锡再＝－71℃ 所以，钨为冷加工，锡为热加工。