回复与再结晶
回复与再结晶
（1）温度 随T↑，晶粒长大 温度一定，晶粒达到一定尺寸后不再长大。 （2）杂质与合金元素 异类原子吸附晶界处，降低晶界能，减少驱动力，阻碍晶粒长大。
第八章: 回复与再结晶
8.4晶粒长大
8.4.1晶粒的正常长大 3.影响晶粒长大的因素 晶粒长大，是通过晶界处的原子扩散迁移实现
（3）分散相粒子 第二相粒子越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大能力越强。
8.1.1 显微组织的变化
冷变形金属随加热温度升高组织变化示意图
再结晶后组织恢复到变形前的程度，性能也恢复到变形前的程度 晶粒长大:新晶粒逐渐相互合并长大.
第八章: 回复与再结晶
8.1 冷变形金属及合金在退火过程中的变化
8.1.2 储存能与内应力变化
随T↑,储存能逐渐释放. 再结晶后,形变储存能全部释放.
第八章: 回复与再结晶
8.5 金属的热加工（变形）
8.5.2热加工后的组织与性能
热加工对组织和性能有如下影响： 3.产生带状组织
未热轧的20钢组织：F+P
热轧后的20钢组织：F+P 带状分布
带状组织常在热轧板材、管材中 出现，性能上产生各向异性
第八章: 回复与再结晶
8.3再结晶(recrystallization)
8.3.2 再结晶动力学
第八章: 回复与再结晶
8.3再结晶(recrystallization)
8.3.3 再结晶温度及其影响因素 再结晶温度:经过严重冷变形的金属,在一个小时的退火保温时间内,能完成再结 晶的最低温度(T再).对纯金属T再=0.4T熔 再结晶速度:V再 若T再低,V再快,则再结晶易进行. 影响再结晶的因素如下： 1.加热温度(退火温度) : 退火温度越高,原子扩散越容易进行,V再↑,完成再结晶时间越短. 2.预先变形量 变形度越大,则T再越低 ∵储存能大,再结晶驱动力大.
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。
回复与再结晶
微观机理：相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆解， 位错的滑移和攀移，转移到其他晶界上，导致相邻亚晶 界消失与亚晶合并。 合并后：尺寸增大，晶界转化成大角度晶界，比小角度 晶界相比迁移率高的多，可以迅速移动，清除移动路径 上的位错，使其后面留下无畸变 的晶体，从而构成再结晶的核心。 在变形度大且具有高层错能的 金属中发生，高层错能金属 易发生交滑移而形成位错胞。
1 lg ln
1 R
lg t
图
直线斜率为K，直线的截距为 lg B
等温温度对再结晶速率v的影响，可用阿累尼乌斯公式
表示，即
v AeQ/ RT
而再结晶速率和产生某一体积分数φR所需的时间t成反
比，即
v
1 t
故
1 A'eQ / RT
t
式中 为常数，Q为再结晶的激活能；R为气体常数，T
为绝对温度 两边取对数
弓出形核时所需能量条件为：
G=
Es
dA dV
dA 若弓出的曲面为球面，dV
=
2 r
G=
Es
2
r
自发形核的能量条件为：
Es
2
L
再结晶的形核将在晶界上两点距离为2L，且弓出距离大
于L的凸起处进行。使弓出距离大于L所需的时间为再结
晶的孕育期（晶界弓出形核必经的过程）。
(2) 亚晶长大形核机制
该机制一般在大变形度下发生。 变形时位错增殖、聚集、缠结形成位错胞（胞内位错密 度很低），加热时胞壁平直化，形成亚晶，借助亚晶作 为再结晶核心。 ①亚晶合并形核
黄铜再结晶和晶粒长大的各个阶段
(e)580ºC保温15分后的金相 (f)700ºC保温10分后晶粒长 组织，晶粒已有所长大。 大的金相组织。
回复与再结晶
• 回复 • 再结晶 • 晶粒长大 • 再结晶后的组织 • 金属的热加工
引言
冷变形金属在加热时组织性能会发生变化。 冷变形时较高的弹性畸变能、高位错密度、空
位等储存能量是促使冷变形金属发生变化的驱 动力。 微观组织处于不稳定状态。一旦加热，原子具 有足够的扩散能力，将发生一系列变化，从而 导致性能的变化。 变化时从储能释放及组织结构和性能的变化来 分析，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶 段。
• 3. 形核与长大
4.再结晶的转变不是相变
• 冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和 晶核长大来进行，但再结晶过程不是相变
• 原因有：
1.变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化， 因此它们是属于同一个相。
2.再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没 有确定的转变温度。
3.再结晶过程是不可逆的。相变过程在外界条件变化 后可以发生可逆变化。
经验公式 工业纯金属：T再＝(0.35~0.45)Tm。 合金：T再＝(0.4~0.9)Tm。
注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。
四. 影响再结晶的因素
（1）退火温度。 温度越高，再结晶速度越大。 （2）变形量。 变形量越大，再结晶温度越低 随变形量增大，再结晶温度趋于稳定 变形量低于一定值，再结晶不能进行。 （3）原始晶粒尺寸。 晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。 （4）微量溶质元素。 阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 纯度越高，再结晶温度越低； （5）第二分散相。 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。
9.2 回复
• 一 回复概念 • 回复：在加热温度较低时，仅因金属中的一些
材料科学基础4-回复、再结晶
Q Q A exp RT t1 A exp RT t2 1 2
t1 t2 exp exp 1 1 RT2 R T2 T1 e RT 1
晶粒长大--3．影响晶粒长大（即晶界迁移率）的因素
（1）温度 温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大
G =G0exp（-QG /RT）
G：晶界迁移速度 G0：常数 QG：晶界迁移的激活能
（2）第二相 晶粒长大的极限半径 R=kr/f K：常数 r：第二相质点半径 f：第二相的体积分数 ∴ 第二相质点的数量越多，颗粒越小，则阻碍晶粒长大的能 力越强。 （3）可溶解的杂质或合金元素阻碍晶界迁移，特别是晶界偏 聚现象显著的元素，其阻碍作用更大。但当温度很高时， 晶界偏聚可能消失，其阻碍作用减弱甚至消失。
§2
一、回复动力学 1．回复动力学曲线
回复
回复动力学特点：
（1）回复过程没有孕育期，随着退火的开始进行,发 生软化。 （2）在一定温度下，初期的回复速率很大，以后逐渐 变慢，直到最后回复速率为零。
（3）每一温度的回复程度有一极限值，退火温度越高， 这个极限值也越高,而达到此极限所需时间则越短
（4）回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。
TC TA TB sin A sin B sin C
当界面张力平衡时： 因 为 大 角 度 晶 界 TA=TB=TC， 而 A+B+C=360o ∴A=B=C=120o
晶粒长大--晶粒长大的方式
（3）在二维坐标中， 晶界边数少于6的晶 粒，其晶界向外凸出， 必然逐渐缩小，甚至 消失，而边数大于6 的晶粒，晶界向内凹 进，逐渐长大，当晶 粒的边数为6时，处 于稳定状态。 在三维坐标中， 晶粒长大最后稳 定的形状是正十 四面体。
第七章回复与再结晶
回复、再结晶及晶粒长大阶段中性能的变 化情况
7.2 回复
回复过程3阶段（储存能在回复阶段三个峰值所对应的） 约化温度：表征加热温度的高低，用绝对温标表示的加热温度与其熔点温度之比， TH =T/Tm。
错相遇相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化。
（3）高温回复（ TH >0.5Tm） 高温回复，原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。主要机制是多边化。冷变形后由
于同号刃型位错在滑移面上塞积而导致点阵弯曲，在退火过程中通过刃型位错的攀移和滑移，使同号 刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角的亚晶界，这个过程称为多边化。其驱动力来自应变能的 下降。
位错及晶界处，对位错的运动及晶界的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶的形核与长大，阻碍再结 晶，使再结晶温度升高。 4.原始晶粒尺寸
其他条件相同情况下，晶粒越细，变形抗力越大，冷变形后存储能越多，再结晶温度越低。相同变 形度，晶粒越细，晶界总面积越大，可供形核场所较多，生核率也增大，再结晶速度加快。
5.分散相粒子 分散相粒子直径较大，离子间距较大的情况下，再结晶被促进；而小的粒子尺寸和小的粒子间距，
储存能的释放与性能变化
1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％）变形功。
弹性应变能（3～12％） 2 存在形式 位错（80～90％）
点缺陷
3 储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。
（1）力学性能 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。 再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高,粗
第7章 《材料科学》回复与再结晶.
式中t为恒温下的加热时间，x为冷变形导致的性能增量经加热后的残留分数，c为 与材料和温度有关的比例常数，c值与温度的关系具有典型的热激活过程的特点：
c c0eQ RT
（ 7.2）
式中Q为激活能，R为气体常数(8.31×10-3J/mol·K)，c0为比例常数，T为绝对温度。 将式7.2代入方程7.1中并积分，以x0表示开始时性能增量的残留分数，则得： （ 7.3）
特点： ①无孕育期； ②开始变化快，随后变慢； ③长时间处理后，性能趋于一平衡值； ④加热温度越高，回复程度也越高； ⑤变形量越大，初始晶粒尺寸越小， 有助于加快回复速率。
图 同一变形度的Fe在不同温度等温退火后的性能变化曲线
§7.2 回复
§7.2.2 回复动力学
回复特征通常可用一级反应方程来表达，即：
再结晶：经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒 的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。
（再结晶是一个显微组织彻底改组、变形储能充分释放、性能显著变化的过程。）
形核的两种方式：晶界凸出形核、亚晶形核。
（1）晶界凸出形核----晶核伸向小位错胞晶粒(畸变能较高域)内
对于变形程度较小的金属（一般小于20%），再结晶晶核往往采用凸出形核机制生 成，如图所示。
※ 注：实际再结晶退火温度一般比上述温度高 100～200℃。 19
§7.3
再结晶
§7.3.4 影响再结晶的因素
（1）退火温度 ----温度越高，再结晶速度越大。 （2） 变形量 ----变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶 温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。 （3） 原始晶粒尺寸 ----晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。 （4） 微量溶质元素 -----阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 （5）第二分散相 ----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。
材料科学基础-回复与再结晶
关) — 内应力：
回复阶段消除大部或全部内应力； 再结晶阶段全部消除微观内应力 — 亚晶粒尺寸： 回复阶段变化小； 接近再结晶时，显著增大 — 密度： 再结晶阶段急剧增高(缺陷减少) — 储存能的变化： 再结晶阶段释放多
第二节：回复
现象：除内应力大大减少外，在光学显微镜下看不到金 相组织的变化。在电子显微镜下观察，点缺陷有所减少，位 错在形态上也有变化，但数量没有明显减少。
正常长大影响因素
1）温度：温度影响界面迁移速度，温度越高，界面迁移速 度越大，因而晶粒长大速度也越快。
2）时间：正常晶粒长大时，一定温度下，平均晶粒直径随 保温时间的平方根而增大。
3）第二相粒子：第二相粒子对界面迁移有约束力，阻碍界 面迁移、晶粒长大。粒子尺寸越小，粒子的体积分数越大， 极限的平均晶粒尺寸也越小。
再结晶织构的形成机制
— 定向生长理论：晶核位向各异，只有特殊位向的容易长大 — 定向形核理论：再结晶晶核具有择优取向
制耳现象：在冲制筒形和杯形零件时，各向变形不均匀， 造成薄厚不均、边缘不齐的现象。
第五节：金属的热变形
金属的热变形：金属在再结晶温度以上进行的加工、变形。
热变形的实质是:变形中形变硬化和动态软化同时进行的过程， 形变硬化为动态软化所抵消，因而不显示加工硬化作用。
— 退火温度的影响：
退火温度对刚完成再结晶时晶粒尺寸的影响不 大；但对再结晶速率影响很大，降低临界变形 度数值；促进再结晶后的晶粒的长大，温度越 高晶粒越粗
第四节：晶粒长大
晶粒长大：再结晶结束后，材料通常得到新的细小的无畸变的 等轴晶粒，若继续提高加热温度或延长加热时间，引起晶粒进 一步长大的现象 驱动力：总晶界能的降低 按特点分类： — 正常长大：大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大 — 异常长大：少数晶粒突发性的不均匀长大
材料的回复及再结晶
(6)
(3) 回复的动力学方程
积分得：
ln( P P0 ) A exp(
Q )t C RT
(6)
若在不同温度下回复退火，让性能达到同一P值时，所需时间显然是 不同的，对式(6)取对数，可得
ln t
Q 常数+ RT
3、回复退火的应用
主要作用是去应力退火，使冷加工硬化后的金属一方 面基本上保持加工硬化状态的硬度和强度，同时，使
内应力消除，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，
提高耐蚀性。
三、再结晶
本节主要内容： 1.再结晶形核长大机制
2.再结晶动力学
3.再结晶温度
4.再结晶后的晶粒大小及再结晶全图
5.再结晶织构 6.退火孪晶
dt
P P KCp 0
dC p d ( P P0 ) K dt dt
(1) (2)
(3) (4) (5)
dC p
AC p exp(
Q ) RT
d ( P P0 ) Q KC p A exp( ) dt RT
d ( P P0 ) Q A exp( )dt P P0 RT
低温回复 ：回复的机制主要是过剩空位的消失，趋
向于平衡空位浓度；
中温回复 ：主要机制是位错滑移，导致位错重新组
合，异号位错会聚而互相抵消以及亚晶 粒长大，位错密度降低；
高温回复 ：回复是机制包括攀移在内的位错运动和
多边化，以及亚晶粒合并，弹性畸变能 降低。
回复机制
温 度 回复机制 1、点缺陷移至晶界或位错而消失 低 温 2、点缺陷合并 1、缠结中的位错重新组合 中 温 2、异号位错互相抵消 3、亚晶粒长大 1、位错攀移和位错环缩小 高 温 2、亚晶粒合并 3、多边化
第七章回复与再结晶
§6-2 回复
回复的定义及特点
1 定义：冷变形后的金属在加热温度不高时，其光学显微组织
未发生明显改变时所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 2 特点：
① 加热T低：T回 = (0.25~0.3)T熔； ② 显微组织无明显变化：仍保留拉长、畸变的晶粒。 ③ 晶粒内部亚结构发生变化（电子显微镜）： a 低温回复，点缺陷↓↓；主要指空位 b 高温回复，位错密度↓ (异号位错的合并；同号位错的规整
拉应力场和压应力场重叠而抵消一部分应变能。P197+9
滑移
攀 移 多边形化前 多边形化后
回复亚晶的形成 ——“多边形化” 过程
缠结 位错
位错 伸直
冷加工态
位错 网络
回复0.1h 大的稳 定网格
回复50h
回复300h
④ 性能变化： HB、ζ 略 ↓ ，δ 、ψ 略↑；
R↓↓；耐腐蚀性提高 原因：晶格畸变↓
热加工实质：是否有再结晶软化过程
衡量依据：T再
例：W 在1000℃非热加工； Sn、Pb 在室温为热加工； 动态回复和 动态再结晶
原晶粒
变形晶粒
所形成的小晶粒
全部新晶粒
残留的变形晶粒
金属在热轧时变形和再结晶的示意图
热加工对组织、性能的影响
热加工：钢材的热锻与热轧 1 消除铸态组织缺陷
⑴ 压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和机械
再结晶应用——再结晶退火
再结晶退火的目的：
① 中间退火：消除加工硬化，有利于进一步冷变形；
如：冷拔铁铬铝电阻丝生产中： 氢气保护再结晶退火 ② 无相变金属的细晶强化(如Al、Cu等)： 冷塑变 + 再结晶退火→细化的再结晶晶粒
再结晶图的应用
山东大学《材料科学基础》讲义第10章 回复与再结晶
第10章回复与再结晶§1 冷变形金属在加热时的变化一、显微组织的变化二、性能的变化（一）力学性能的变化回复阶段：强度、硬度、塑性等力学性能变化不大。
再结晶阶段：随加热温度升高，强度、硬度显著下降，塑性急剧升高。
当晶粒长大时，强度、硬度继续下降，塑性在晶粒严重粗化时，也下降。
（二）物理性能的变化回复阶段：，密度变化不大，电阻明显下降；再结晶阶段：密度急剧升高。
（三）内应力的变化回复阶段，内应力部分消除；再结晶阶段，内应力全部消除。
§2 回复一、回复过程中微观结构的变化机制回复：回复的驱动力：弹性畸变能的降低。
根据回复阶段加热温度及内部结构变化特征、机制不同，将其分为三类：（一）低温回复温度：0.1T m~0.3 T m。
结构变化：主要是点缺陷的运动，空位浓度降低。
（二）中温回复温度：0.3T m~0.5 T m。
结构变化：除点缺陷的运动外，位错也开始运动，位错密度降低。
（三）高温回复温度：≥0.5 T m。
结构变化：位错运动发生多边化，形成亚晶结构；总的应变能下降。
二、回复动力学特点：①无孕育期；②变化速率先快后慢；③最后趋于恒定值。
回复过程的表达式：dx / dt= - cx (c=c0exp(-Q/RT))→ln(x0/x)= c0texp(-Q/RT)。
如果采用两个不同温度将同一冷变形金属的性能回复到同样程度，则有：三、去应力退火§3 再结晶再结晶：经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。
再结晶是一个显微组织彻底改组、变形储能充分释放、性能显著变化的过程。
一、再结晶的形核及长大形核的两种方式：晶界凸出形核、亚晶形核。
（一）晶界凸出形核变形度较小时，再结晶核心一般以凸出形核方式形成。
如右图所示。
若界面由I向II推进，则：当α>π/2时，晶界可以自发生长，因此，凸出形核所需的能量条件为：ΔE>2σ/ lΔE-单位体积A、B相邻晶粒储存能差；ΔA-增加的晶界面积。
金属学与热处理第七章回复与再结晶
•（e）580ºC保温15分后的金相组织。晶粒已有所长大。 •（f）在700ºC保温10分后晶粒长大的情形。
• 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，而回复阶段只是消除了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，变形的晶粒仍未恢复原状。
• 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（recrystallization）的开始。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。
恢复再结晶的驱动力：塑性变形后的储存能
7－1 冷变形金属在加热时的组织和性能变 化
随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再结晶、晶粒长大。 回复（recovery）—在较低加热温度时，变形后金属的光学显微组织
发生改变前，所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 再结晶（recrystallization）—经回复后的变形金属，在加热时，纤
一些金属的再结晶温度
(三) 影响再结晶温度的因素
1.变形程度：变形度增大、开始TR下降，等温退火再结晶速度越快； 而大到一定程度，TR趋于稳定。（储存能高）。变形量小到一定程 度不发生再结晶。
2.原始晶粒尺寸：其它条件相同时，金属原始晶粒细小，则TR越低， 同时形核率和长大速度均增加，有利于再结晶。（晶粒越细小，变形
4.变形温度：变形T升高，回复程度越大，变形储存能越低， 晶粒粗化。
5.加热温度、保温时间：加热温度越高、保温时间越长，晶粒 越大。
加热温度与晶粒尺寸
7-4. 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。
第7章回复和再结晶
第7章回复和再结晶第7章回复和再结晶⾦属发⽣冷塑性变形后，其组织和性能发⽣了变化，为了使冷变形⾦属恢复到冷变形前的状态，需要将其进⾏加热退⽕。
为什么将冷变形⾦属加热到适当的温度能使其恢复到冷变形前的状态呢？因为冷变形⾦属中储存了部分机械能，使能量升⾼，处于热⼒学不稳定的亚稳状态，它有⾃发向热⼒学更稳定的低能状态转变的趋势。
然⽽，在这两种状态之间有⼀个能量升⾼的中间状态，成为⾃发转变的障碍，称势垒。
如果升⾼温度，⾦属中的原⼦获得⾜够的能量（激活能），就可越过势垒，转变成低能状态。
研究冷变形⾦属在加热过程中的变化有两种⽅法。
1）以⼀定的速度连续加热时发⽣的变化；2）快速加热到某⼀温度，在保温过程中发⽣的变化。
通常采⽤。
P195图1为将冷变形⾦属快速加热到0.5T m附近保温时，⾦相组织随保温时间的变化⽰意图。
可以将保温过程分三个阶段：1）在光学显微组织发⽣改变前，称回复阶段；2）等轴晶粒开始产⽣到变形晶粒刚消失之间，称再结晶阶段；3）晶粒长⼤阶段。
7-1 回复⼀、回复的定义冷变形⾦属加热时，在光学显微组织发⽣改变前所产⽣的某些亚结构和性能的变化称回复。
⼆、回复对性能的影响内应⼒降低，电阻降低，硬度和强度下降不多（基本不变）。
三、回复的机制回复的机制根据温度的不同有三种：（⼀）低温回复机制冷变形⾦属在较低温度范围就开始回复，主要表现为电阻下降，但机械性能⽆变化。
由此认为低温回复的机制是：过量点缺陷减少或消失。
（⼆）中温回复机制温度范围⽐低温回复稍⾼。
中温回复的机制是：位错发⽣滑移，导致位错的重新组合，及异号位错相遇抵消。
发⽣中温回复时，在电镜组织中，位错组态有变化；但位错密度的下降不明显。
若两个异号位错不在同⼀滑移⾯上，在相遇抵消前，要通过攀移或交滑移，这需要更⼤的激活能，只能在较⾼的温度才能发⽣。
（三）⾼温回复机制发⽣⾼温回复时，电镜组织的特征是亚晶粒呈等轴状，即⽆变形的亚晶粒。
于是，提出了⾼温回复的多边化机制（P197图5）。
材料科学基础回复与再结晶
（3）弥散和稠密分布的第二相粒子钉扎晶界，阻 碍迁动。
35
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）
动态再结晶时，大量位错被再结晶核心的大角 度界面推移而消除，当这样的软化过程占主导地位 时，流变应力下降，应力-应变曲线出现峰值。
随材料内、外影响因素的不同，应变曲线可出 现单峰或多峰现象。
55
56
动态再结晶组织结构变化的特点： （1）晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒。 （2）反复形核，有限长大，晶粒较细。
再结晶退火温度：T再＋100～200℃。
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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）。
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第二节 再结晶
再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形 组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒， 而使形变强化效应完全消除的过程。
再结晶是一个显微组织重新改组，变形储存能 充分释放，性能显著变化的过程，其驱动为回复后 未被释放的变形储存能。
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一、再结晶的形核与长大
1. 形核（非均匀形核）
形变温度越高，应变速率越小，应变量越大， 越有利于动态再结晶。 应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、 快的冷却速度可获得细小晶粒。
第章回复与再结晶
从图可以看出，温度越高，孕育期越短，再结晶速度越快。
再结晶动力学可以用阿弗拉密（Avrami）方程描述：
xv＝1－exp(-BtK)
式中B和K均为常数，K取决于再结晶晶核的衰减情况， 当晶核为三维时，K=3-4.
恒温动力学曲线
B和K可由试验获得： 通过移项和取自然对数，阿弗拉密方程可以整理为：
8.2.1
回复机制
一般认为是点缺陷和位错在退火过程中发生运动，从而改 变了它们的组态和分布。 a．低温回复 低温时，回复主要与点缺陷的迁移有关。
通过空位和间隙原子移动到晶界或位错处消失 空位与间隙原子相遇复合 空位集结成空位对或空位片，使点缺陷密度大大下降。
回复机制
ln(1 R) Ae
Q RT
t C
C’为积分常数。
可以看出，回复阶段性能随时间而衰减，服从指数规律。
回复动力学方程
如果在不同温度下回复得相同程度，则1-R为常数，将上 式两边取自然对数得：
lnt＝C+Q/RT
式中C为常数，将lnt－1/T作图，可得到直线，由直线斜 率可求得回复过程的激活能。 Q=R×m。
性能的变化
（5）密度：变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧增高， 显然除与前期点缺陷数目减小有关外，主要是在再结晶阶 段中位错密度显著降低所致。 （6）储能的释放：当冷变形金 属加热到足以引起应力松弛的 温度时，储能就被释放出来。 回复阶段时各材料释放的储存 能量均较小，再结晶晶粒出现 的温度对应于储能释放曲线的 高峰处。
3.回复动力学方程
假设变形造成的缺陷密度为Cd，则：
材料科学基础I 第九章-2 (回复与再结晶)
3、凸出形核 、
当冷变形量较 小时， 小时，再结晶在 原晶界处形核。 原晶界处形核。
对于多晶体，不同晶粒的变形 对于多晶体， 程度不同，变形大的位错密度高， 程度不同，变形大的位错密度高， 畸变能高；变形小的位错密度低， 畸变能高；变形小的位错密度低， 畸变能低。 畸变能低。低畸变区向高畸变区 伸展，以降低总的畸变能。 伸展，以降低总的畸变能。
中温回复
(0.3~0.5)Tm
此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消， 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。 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。 高温回复 (>0.5)Tm
高温回复的主要机制为多边化。 高温回复的主要机制为多边化。 多边化 由于同号刃位错的塞积而导致晶体点阵弯曲， 由于同号刃位错的塞积而导致晶体点阵弯曲，在退火过程中 通过刃型位错的攀移和滑移， 通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面 的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边 多边（ 的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边（形）化。
二、再结晶的形核
由于再结晶形核的区域不同，形核方式有：亚晶粒合并形核， 由于再结晶形核的区域不同，形核方式有：亚晶粒合并形核， 亚晶粒长大形核，凸出形核。 亚晶粒长大形核，凸出形核。
1、亚晶粒合并形核 、
相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度， 相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度，位 错发生攀移和滑移并入到邻近的晶界中。 错发生攀移和滑移并入到邻近的晶界中。这样两个亚晶粒就合并 成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行。 成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行。
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1、一块单相多晶体包含。
A．不同化学成分的几部分晶体B．相同化学成分，不同结构的几部分晶体C．相同化学成分，相同结构，不同位向的几部分晶体
2、在立方系中点阵常数通常指。
A．最近的原子间距B．晶胞棱边的长度
3、每一个面心立方晶胞中有八面体间隙m个，四面体间隙n个，其中。
A．m=4，n=8B．m=13，n=8C．m=1，n=4
4、原子排列最密的一族晶面其面间距。
A．最小B．最大
5、晶体中存在许多点缺陷，例如
A．被激发的电子B．空位C．沉淀相粒子
6、金属中通常存在着溶质原子或杂质原子，它们的存在。
A．总是使晶格常数增大B．总是使晶格常数减小C．可能使晶格常数增大，也可能使晶格常数减小
7、金属中点缺陷的存在使电阻。
A．增大B．减小C．不受影响
8、空位在过程中起重要作用。
A．形变孪晶的形成B．自扩散C．交滑移
9、金属的自扩散的激活能应等于。
A．空位的形成能与迁移激活能的总和B．空位的形成能C．空位的迁移能
10、位错线上的割阶一般通过形成
A．位错的交割B．交滑移C．孪生
一、名词解释
沉淀硬化、细晶强化、孪生、扭折、第一类残余应力、第二类残余应力、、回复、再结晶、多边形化、临界变形量、冷加工、热加工、动态回复、动态再结晶
沉淀硬化：在金属的过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区和由之脱出微粒弥散分布于基体中导致硬化。
细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法。
孪生：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。
扭折：在滑移受阻、孪生不利的条件下，晶体所做的不均匀塑性变形和适应外力作用，是位错汇集引起协调性的形变。
按残余应力作用范围不同，可分为宏观残余应力和微观残余应力等两大类，其中宏观残余应力称为第一类残余应力（由整个物体变形不均匀引起），微观残余应力称为第二类残余应力（由晶粒变形不均匀引起）。
储存能：在塑性变形中外力所作的功除大部分转化为热之外，由于金属内部的形变不均匀及点阵畸变，尚有一小部分以畸变能的形式储存在形变金属内部，这部分能量叫做储存能。
回复：经冷塑性变形的金属加热时，尚未发生光学显微组织变化前（即再结晶之前）的微观结构变化过程。
再结晶：经冷变形的金属在一定温度下加热时，通过新的等轴晶粒形成并逐步取代变形晶粒的过程。
多边形化：指回复过程中油位错重新分布而形成确定的亚晶结构过程。
临界变形量：需要超过某个最小的形变量才能发生再结晶，这最少的形变量就称为临界变形量。
冷加工：在再结晶温度以下的加工过程；在没有回复和在接近的条件下进行的塑性变形加工。
热加工：在再结晶温度以上的加工过程；在再结晶过程得到充分进行的条件下进行的塑性变形加工。
动态回复：热加工时由于温度很高，金属在变形的同时发生回复，同时发生加工硬化和软化两个相反的过程。
这种在热变形时由于温度和外力联合作用下发生的回复过程
动态再结晶：是指金属在热变形过程中发生的再结晶现象。
二、问答题
1.如何获得孪晶？
答：孪晶形成过程：形变、晶体生长、退火及相变。
2.孪生和滑移有何区别？
答：
(1) 滑移使滑移面两侧相对滑动一个完整的平移矢量（柏氏矢量），而孪生则在孪晶内所有的面都滑动，滑动的距离并非是完整的平移矢量，每个面的滑动量和距孪生面的距离成正比。
(2) 滑移后整个晶体的位向没有改变，而孪生则使孪晶部分的位向与基体成对称。
(3) 滑移使表面出现台阶（滑移线），表面重新抛光后，滑移线消失；孪生则使表面出现浮凸，因孪晶与基体的取向不同，表面重新抛光后并浸蚀后仍能看到。
3.晶界在塑性变形中有何作用？
答：
(1) 协调作用
保证晶粒之间变形的协调性。
由于协调变形的要求，在晶界处变形必须连续，亦即两个相邻晶粒在晶界处的变形必须相同。
(2) 障碍作用
晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。
晶界对变形的影响：滑移、孪生多终止于晶界，极少穿过。
(3) 促进作用
在高温下变形时，由于晶界比晶粒弱，故除了晶粒内滑移外，相邻两个晶粒还会沿着晶界发生相对滑动，此称为晶界滑动。
晶界滑动也造成晶体宏观塑性变形，但变形量往往远小于滑移和孪生引起的塑性变形。
(4) 起裂作用
一方面由于晶界阻碍滑移，此处往往应力集中；另一方面，由于杂质和脆性，第二相往往优先分布于晶界，使晶界变脆；此外，由于晶界处缺陷多，原子处于能量较高的不稳定状态，在腐蚀介质作用下，晶界往往优先被腐蚀。
结果：在变形过程中裂纹往往起源于晶界。
4.从四个方面分析金属冷变形后组织和性能的变化？
答：
1)晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性
2)晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化
3)织构现象的产生
4)残余内应力
5.塑性变形对金属的力学性能、物理化学性能有什么影响？为什么？
答：
（1）力学性能的影响加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。
（2）物理化学性能的影响导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；结构缺陷增多，扩散加快；化学活性提高，腐蚀加快。
塑性变形提高金属的内能，使其化学活性提高，腐蚀速度增快。
塑性变形后由于金属中的晶体缺陷（位错及空位）增加，因而使扩散激活能减少，扩散速度增加。
6.分别说明回复、再结晶、晶粒长大过程中，力学性能和物理性能变化？
答：
（1）机械性能
在回复阶段：强度、硬度、塑性等机械性能几乎无变化。
在再结晶阶段：强度、硬度显著下降，塑性显著升高。
在晶粒长大时：强度、硬度继续下降，塑性在晶粒粗化不十分严重时，仍有继续升高趋势，晶粒粗化严重时，塑性也下降。
（2）物理性能
密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高。
电阻：电阻在回复阶段明显下降。
内应力：回复阶段的变形金属内应力可得到部分消除，主要消除的是宏观内应力。
仅在再结晶阶段，方可全部消除内应力。
7.回复与再结晶的驱动力是什么？回复有何作用？再结晶退火有何作用？
答：
驱动力是变形金属回复后未被释放的储存能。
回复作用：回复可以降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。
再结晶作用：恢复变形能力，改善显微组织，消除各向异性，提高组织稳定性。
8.二次结晶形成的基本条件和驱动力？
答：
基本条件：正常晶粒长大过程被分散相微粒、织构或表面的热蚀沟等所强烈阻碍。
驱动力：界面能。
9.固溶强化的微观机制是什么？
答：
（1）晶格畸变，阻碍位错运动在位错线附近存在溶质原子偏聚的情况下，位错的滑移将受到一定的约束和钉扎作用。
因为位错脱离偏聚的溶质原子而滑移将导致应变能的升高，所以，需要更大的作用力才能使位错滑移，塑性变形难度增加，金属材料的强度增加。
（2）柯氏气团置换型溶质原子倾向于进入刃型位错中心区域，集聚到位错周围，形成比较稳定的分布。
这种溶质原子集聚构成的原子团，被称作柯氏气团（Cottrell）。
位错脱离柯氏气团需要额外做功，因而柯氏气团可以钉扎位错使得位错滑移受阻，金属材料由此得到强化。
（3）铃木气团一些溶质原子倾向于向扩展位错的层错区集聚，形成所谓的铃木气团。
该气团降低金属的层错能，也会使得位错滑移困难，从而使金属强化。