3-回复再结晶-回复-再结晶-孟彬

p p0 ，则有 ： p m p0
3.2 回复
四. 回复动力学
积分上式可得:
ln x 常数 A exp(Q /( RT ))t
上式说明在一定温度下，性能的衰减将按指数关系进行。
若在不同温度下的回复曲线上，将x规定为常数，即不同温度各 经历一定时间，性能恢复至相同的程度，则上式左端为一常数， 通过取对数，可得到：
D D0 eQ / RT
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3.1 概述
三. 回复和再结晶的变化过程
晶粒形状和大小； 力学性能（强度、硬度、塑性）； 物理性能（电阻率、密度）； 变形储能的释放；
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3.2 回复
一. 回复的定义
定义1：
冷变形金属在加热时，在新的无畸变晶粒出现以前，所产生的 亚结构与性能变化的过程。
(1)晶界凸(弓)出形核 当预先变形量较小时，再结晶是在原晶界处生核。 由于多晶体的变形具有不均匀性，不同晶粒的变形不同，变形大 的晶粒具有高的位错密度，变形小的晶粒位错密度低。 不同变形度相位错密度的两个晶粒被晶界所分开，在一定能量条件 下，局部毗邻低位错密度区的晶界AB段，可以扩张至高位错密度 的晶粒。 晶界扫过区域，位错密度减少，能量降低，成为低畸变或无畸变 区，经一定时问，晶界扫过形成的低畸变区达到一定尺寸，即成 为稳定的再结晶核心。
1)早期理论认为，再结晶生核是在畸变严重的高能区通过热
激活形成临界尺寸的核心以补偿形核功方式形成的； 2)近代再结晶形核理论认为，再结晶生核不是在畸变最严重 的高能区域，而是在邻接畸变最严重区的无畸变或低畸变 区生核。
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二. 再结晶过程机制
再结晶形核有以下几种方式：
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3.2 回复
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3.2 回复
三. 回复过程机制
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3.2 回复
三. 回复过程机制
低温回复主要和空位变化有关： ① 在冷变形过程中，由于螺位错交割产生刃型割阶的非保守运动，会 形成过饱和空位 ； ② 低温回复中冷变形形成的过饱和空位消失，以保持平衡浓度，使能 量降低。 ③ 空位的消失是由于空位与位错、晶界、间隙原子以及空位本身结合、 交互作用的结果。 ④ 空位与位错结合，引起位错的正攀移，使空位消失；空位之间凝聚 成空位片、崩塌转化为位错环，空位消失；间隙原子与空位结合使 空位消失，在晶界处空位消失引起疏松。 ⑤ 由于空位的消失引起某些物理性能显著的变化，电阻率降低，密度 增大，而对力学性能则不发生影响。
变形Zn性能回复曲线
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vs 等温退火时间
3.2 回复
四. 回复动力学
现考察一物理性能p在回复过程中随时间t的变化，设p0为形变 前的物理性能值，p为形变后由结构缺陷引起的物理性能增值， 则形变后、回复前的物理性能可写成：
p p0 P
假设p与由形变造成的某种结构缺陷的体积浓度Cd成正比，故 ：
亚晶界将弯曲变形晶体分割成具有低界面曲率小角位向差的小晶 块，即形成亚晶。
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3.2 回复
三. 回复过程机制
稳定多边形化过程由以下几个阶段组成： 单个位错的攀移和滑移，形成亚晶界
亚晶界合并形成Y结点 Y结点移动，亚晶长大，完成多边形化
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3.2 回复
t1 exp(Q / RT2 ) Q 1 1 exp( ( )) t 2 exp(Q / RT1 ) R T2 T1
由上式，根据已知一个温度下所需时间，可以确定在其他温度 下达到相同回复程度所需时间。
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3.2 回复
四. 回复动力学
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3.2 回复
3.3 再结晶
二. 再结晶过程机制
(2)亚晶转动、聚合形核 当预先形变量较大或材料层错能较高时，再结晶形核采取亚晶转

动、聚合的方式， 通过再结晶前多边形化，形成较小的亚晶，亚晶界曲率不大，不 易迁移，但某些亚晶界中位错可通过攀移和交滑移而迁出，使亚 晶界消失，相邻亚晶转动，位向接近而聚合成为更大的亚晶，消 失的位错进入邻近的亚晶界中，使与周围亚晶位向差增大，当小 角亚晶界转变为大角晶界，并达到形核的临界尺寸时，即成为再 结晶核心，亚晶转动聚合形核机制如图11-9所示。
3) 变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应力(点阵畸变)
消除，位错密度降低。
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3.3 再结晶
二. 再结晶过程机制
再结晶过程中，新晶粒的形成是通过生核和核心长大两个 基本过程。 首先在变形基体中形成无畸变的再结晶核心，然后核心在 变形基体中扩张、长大，最后变形基体消失，全部形成新晶 粒。 再结晶生核位臵
材料科学基础/Fundamentals of Materials Science
第10章 回复和再结晶
Chapter 10 Recovery and Re-crystallization
昆明理工大学 材料科学与工程学院 / 材料学系 孟彬
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讲授提纲
3.1 概述 3.2 回复 3.3 再结晶 3.4 孪晶 3.5 滑移和孪生的比较 3.6 多晶体的范性形变 3.7 范性形变对材料组织和性能的影响
式中，Q为缺陷消失过程的激活能。合并以上三式，得到 ： d ( p p0 ) A exp(Q /( RT ))dt p p0
令 x
dx A exp( Q /( RT )) dt x pm为变形后增量最大的物理量，x即为形变引起性能增量的残留分数。
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3.1 概述
二. 回复与再结晶的发生条件
1. 热力学条件：
经受冷塑性变形的金属，由于位错增殖、空位增加，以及 弹性应力的存在，导致变形储能增高，处于热力学不稳定 状态，有发生变化以降低能量的趋势。
2. 动力学条件：
变形金属加热时发生的变化主要通过空位移动和原子扩散 进行，而原子扩散的能力以扩散系数表示：
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3.2 回复
四. 回复动力学
回复动力学指出冷变形金属在回复过程中性能恢复的速率
0 残留加工硬化率 x m 0
一定温度下，性能回复速率开始 时最快，随时间延长逐渐降低，直 到回复速率为零；
在每一回复温度下，只能达到一 定的回复程度； 温度愈高，回复程度愈大，残留 硬化愈小，回复速率愈快；

因此，AB段晶界凸出、扩展的能量条件应是：
G ES V A 0
A E S V
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3.3 再结晶
二. 再结晶过程机制
(1)晶界凸(弓)出形核 假设部分晶界为球形表面，半径为R，δV和δA分别为曲率半 径R变化一微量所扫过的体积和新增加的面积
Q ln t 常数＋ RT
由上式取1nt-1/T作图，可由直线斜率求得回复过程的激活能Q。
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3.2 回复
四. 回复动力学
根据测定的Q值可推断回复过程的机制。如铁在短时回复，其Q 值接近空位移动的激活能，长期回复，其Q值接近铁的自扩散激 活能，从而可推测两个阶段回复机制不同，前期以空位移动为主， 后期则以位错攀移为主；整个回复阶段，有多种回复机制在起作 用。 如取两个不同的回复温度，将同一变形金属的性能恢复到相同 的值，则所需不同时间具有以下的比值。
五. 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。 如冷卷弹簧的定型、黄铜弹壳的去应力等。
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3.3 再结晶
一. 再结晶过程的特征
冷变形金属加热时，继回复之后发生再结晶过程 再结晶过程有以下特点 1) 组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒。 2) 力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧降低，塑性提 高，恢复至变形前状态。
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3.2 回复
三. 回复过程机制
中温回复涉及异号位错的对消和位错密度的变化： ① 同一滑移面上的异号位错在热激活作用下，相互吸引、会聚 而消失，不在同一滑移面上的异号刃型位错则通过空位凝聚 消除半原子面或空位逃逸制造半原子面而消失； ② 例如--对密排六方晶体： 主要发生沿底面的单系滑移，其回复机制基本是在同一滑移 系统上异号位错的互相抵消。通过回复，密排六方单晶体的 力学性能可以急剧变化，全部恢复至变形前状态。如单晶Zn、 Cd，拉伸至100%～200%，室温下保持24h，其力学性能(强度 极限)可全部恢复。
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3ຫໍສະໝຸດ Baidu2 回复
三. 回复过程机制
高温回复的主要机制是多边形化。 因原始变形状态位错组态不同，有两类多边形化：第一类叫稳 定多边形化，第二类为再结晶前多边形化。 ① 稳定多边形化 ；
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3.2 回复
三. 回复过程机制
① 稳定多边形化 ； 稳定多边形化发生在同号刃位错沿滑移面上塞积而导致点阵弯曲 的晶体中，回复过程中发生位错的运动和重排，位错由沿滑移面 的水平排列转变为沿垂直滑移面的排列，形成位错壁，组成亚晶 界，如下图所示。
p p0 KCd
因而，物理性能随时间的变化速率为 ：
d ( p p0 ) dCd K dt dt
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3.2 回复
四. 回复动力学
dCd 式中 dt 为结构缺陷衰减速率，是缺陷浓度和缺陷迁移率的函
数，可以一级化学反应速度方程来表达 dCd A exp(Q /( RT ))C d dt
三. 回复过程机制
② 再结晶前多边形化 ； 再结晶前多边形化在变形后具有位错胞结构的晶体中发生 变形后位错的分布不是均匀的，而是塞积在位错胞壁，当加 热发生多边形化过程时，通过螺位错的交叉滑移和刃位错的 攀移，引起位错的重新分布和部分消失以及位错胞壁的平直 化，形成具有相当高曲率较平直的亚晶界，此时，由空间位 错网络所分开的位错胞就转化为由更规则、更薄而较平直的 亚晶界所分开的亚晶。
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3.1 概述
一. 研究回复与再结晶的意义
经受冷变形的金属和合金在加热时发生的回复、再结晶 现象及相应的理论是材料科学中的重要内容，在工程中具 有重要应用；
材料在冷塑性变形后，强度、硬度提高，韧性、塑性下 降，产生第一、二类内应力；回复可以消除应力，防止开 裂；再结晶可以提高塑性，回复变形能力； 除冷变形金属外，伴随固态相变过程也会发生回复、再 结晶过程； 利用回复再结晶规律，可以控制晶粒尺寸、构件内应力；
A d d 4 2 2 (4R ) / ( R3) V dR dR 3 R 2 可得：E S R 2 或：R 称为-稳定再结晶核心的临界尺寸 E S
由：

ES为变形储能引起的晶界迁移驱动力，2 / R 为界面曲率引起的驱
动力，前者使晶界背离曲率中心方向迁移，后者使晶界向曲率中 心方向迁移，当 ES 大于 2 / R ，净驱动力使晶界弓出，向背离曲 率中心方向迁移。 2013-8-13 27
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3.3 再结晶
二. 再结晶过程机制
(1)晶界凸(弓)出形核 AB段晶界可以扩展、形成再结晶核心的条件是当其扩展时能量 可以降低。 局部晶界扩展时，系统能量包括两部分：一是晶粒Ⅱ的部分体积 δV转变为晶粒I所引起体积畸变能的变化，设单位体积畸变能的 变化为 ES，总的体积畸变能变化为 ES V ; 二是扩展后晶界面积 增加δA引起界面能的变化，单位面积界面能为γ，总界面能变化 为γδA。
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3.3 再结晶
二. 再结晶过程机制
(3)亚晶界迁移、亚晶长大形核 当形变量很大，或材料层错能较低时，再结晶核心也可在再结 晶前多边形化所产生的无应变较大亚晶的基础上形成 由于变形大；位错密度高，亚晶界曲率大，易于迁移。亚晶界 迁移中清除并吸收其扫过区相邻亚晶的位错，使亚晶界获得更 多位错，与相邻亚晶取向差增大变为大角晶界，当大角界面达 到临界曲率半径，便成为稳定再结晶核心。亚晶界迁移，亚晶
定义2：
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。
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3.2 回复
二. 回复过程的特征
仍保持变形组织，为伸长的晶粒。
5. 变形储能的释放：
高纯金属仅3%，某些合金则可高达25%-70%