第七章回复再结晶

形核： 亚晶长大形核机制 （变形量较大时） 亚晶合并形核 亚晶界移动形核（吞并其它亚晶或变形部分） 晶界凸出形核（变形量较小时） 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向
1.小变形量的晶界弓出形核机制
对于变形程度较小的金属（一般小于40%），再结晶晶核往往采用 弓出形核机制生成。 一般发生在形变较小的金属中，变形不均匀，位错密度不同
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
4.原始晶粒尺寸
原始晶粒越小，则由于晶界较多，其变形抗力愈大， 形变后的储存能较高，因此再结晶温度降低。 此外，再结晶形核通常是在原晶粒边界处发生，所以 原始晶粒尺寸愈小，形核率越大。
①回复过程在加热后立刻 开始，没有孕育期； ②回复开始的速率很大， 随着时间的延长，逐渐降 低，直至趋于零； ③加热温度越高，最终回 复程度也越高； ④变形量越大，初始晶粒 尺寸越小，都有助于加快 回复速率。
实验表明，短时间回复时，其激活能与空位迁移澈 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。 在回复的开始阶段，其主要机制是空位的迁移，而 在后期则以位错攀移机制为主。
§7.3.4 影响再结晶的因素 1.退火温度
加热温度越高，再结晶转 变速度越快，完成再结晶 所需时间越短。
图 同一变形度的Fe在不同 温度等温退火后的再结晶曲线
2.变形程度
金属的冷变形程度越大， 其储存的能量亦越高，再 结晶的驱动力也越大，因 此再结晶温度随变形量增 加而降低。 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。
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。
§7.1.2 储存能释放与性能变化
• 储存能是变形金属加热时发生回复与再结晶的驱动力。 • 储存能包括弹性形变能和畸变能。 • 当变形金属加热到足够高的温度时，其中的储存能即将释 放出来。 • 根据材料性质不同，通常 测定的储存能释放谱大致 有三种类型。其中曲线A 代表纯金属，曲线从B、C 代表两种不同的合金。 图变形金属退火过程中的能量释放
图 亚晶蚕食机制
再结晶的长大：
形核之后，无畸变核心与周围畸变的旧晶粒之间的畸 变能差是核心长大的驱动力，当各个新晶粒彼此接触，原 来变形的旧晶粒全部消失时，再结晶过程即告完成。
驱动力：畸变能差 界面移动方向：背离界面曲率中心 方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新晶粒相互接触。 注：再结晶不是相变过程。
（2）中温回复（0.3-0.5Tm）
• 变形金属在中等温度下加热时所发生的回复过程称为中温回复。此时 因温度升高，原子活动能力也增强，除点缺陷运动外，位错也被激活， 在内应力作用下开始滑移，部分异号位错发生抵消，因此位错密度略 有降低。 • 其主要机制是位错滑移导致位错重新组合；异号位错汇聚而互相抵消 以及亚晶粒长大。 异号位错相遇而抵销 位错缠结重新排列 亚晶粒长大
§7.2.4 回复退火的应用
回复处理在工业上一般用于去除形变加工后的内应力，因此也常称作 去应力退火。 去应力退火，使冷加工金属在基本上保持加工硬化的状态下降低其内 应力，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高耐蚀性。
第三节 再结晶
§7.3.1 再结晶的形核与长大
冷变形后的金属加热到一定温度后，在原来的变形组织中产生无畸变 的新晶粒，而且性能恢复到变形以前的完全软化状态，这个过程称为 再结晶。 其驱动力为冷变形时所产生的储存能。 实验表明，再结晶是一个形核长大过程，即通常在变形金属中能量较 高的局部区域优先形成无畸变的再结晶晶核，然后通过晶核逐渐长大 称为等轴晶，从而完全取代变形组织的过程。与一般相变存在区别， 没有晶体结构转变，只是组织发生变化。 研究表明，再结晶形核机制一般根据其形变量的不同，存在如下一些 形式：弓出形核机制\亚晶合并机制和亚晶蚕食机制。
经冷塑性变形的金属,通过适当的加热和保温将发生一系 列组织、性能的变化。 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。
图 冷变形金属退火晶粒形状大小变化
第七章 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变形以前的过程。 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。
图 回复过程中的位错攀移与滑移
图 位错在多边化过程中重新分布
§7.2.3 回复后金属的性能变化
①低温回复：物理性能变化：电阻率下降；力学 性能几乎不变化 ②中温回复：第一类残余应力消除，尺寸稳定， 抗蚀性增加； 机械性能基本不变。 ③高温回复：物理化学性能完全回复，强度降低， 塑性改善，但是改善程度不明显。
§7.2.2 回复机理
0.1<T/Tm<0.3,低温回复; 0.3<T/Tm<0.5,中温回复; T/Tm>0.5,高温回复。 （1）低温回复（0.1-0.3Tm）
变形金属在较低温度下加热时所发生的回复过程称为低温回复。
此时因温度较低，原子活动能力有限，一般局限于点缺陷的运动，通 过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，使冷变形过程中 形成的过饱和空位浓度下降。对点缺陷敏感的电阻率此时会发生明显 下降。 回复的机制主要是过剩空位的消失，趋向于平衡空位浓度。 移至晶界位错处 点缺陷运动 空位＋间隙原子 消失，缺陷密度降低 空位聚集（形成空位群空位对）
第二节 回复
§7.2.1 回复动力学
m r R m 0 r 0 1 R m 0
m : 冷变形后的屈服强度 r：冷变形后经不同规程回火后的屈服强度 0：纯铁充分退火后的屈服强度
R：屈服应力回复率 1 R：剩余加工硬化分数
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
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％） 位错（80～90％） 点缺陷
2 存在形式
驱动力
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。
图 冷变形金属退火时某些性能的变化
§7.1.3 性能变化
硬度、强度的变化 回复阶段的硬度、强度变化很小，而再结晶阶段 则下降较多。 塑性的变化 塑性提高，再结晶阶段提高明显，晶粒长大时若粗化严 重，塑性降低。 电阻率的变化 变形金属的电阻率在回复阶段巳表现明显的下降趋势。 密度的变化 变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧增高的原因主要 是再结晶阶段中位错密度显著降低所致。 内应力的变化 金属经塑性变形所产生的第一类内应力在回复阶段基 本得到消除，而第二、三类内应力只有通过再结晶方可全部消除。 亚晶粒尺寸 在回复阶段的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期， 尤其在接近再结晶温度时，亚晶粒尺寸显著增大。
§7.3.6 再结晶的应用
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
§7.3.23 再结晶温度及其影响因素
1 再结晶温度：经严重冷变形（变形量>70%）的金属或合金， 在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数>95%）最低温度。
2 经验公式：
高纯金属： T再＝(0.25~0.35)Tm。 工业纯金属：T再＝(0.35~0.45)Tm。 合金： T再＝(0.4~0.9)Tm。
位错滑移
位错密度降低
（3）高温回复 （>0.5Tm）
• 变形金属在较高温下，变形金属的回复机制主要与位错的攀移运 动有关。这时同一滑移面上的同号刃型位错在本身弹性应力场作 用下，还可能发生攀移运动，最终通过滑移和攀移使得这些位错 从同一滑移面变为在不同滑移面上竖直排列的位错墙，以降低总 畸变能。 • 回复机制是包括攀移在内的位错运动和多边化，以及亚晶粒合并。 • 位错攀移（＋滑移） 位错垂直排列（亚晶界） 多边化（亚晶粒） 弹性畸变能降低.
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 低碳钢变形度及退火 温度对再结晶晶粒大小的影响
3.原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒度越细，再结晶后的晶 粒也越细。 4.合Baidu Nhomakorabea元素与杂质 一般均起细化晶粒的作用
再结晶晶粒大小的控制
1 变形量。存在临界变形量，生产中应避免临界变形量。 2 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大，形核位臵越多， 使晶粒细化。 3 合金元素和杂质。增加储存能，阻碍晶界移动，有利于 晶粒细化。 4 温度。变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶 粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大。
第一节 形变金属及合金在退火过程中的变化
§7.1.1 显微组织的变化
在回复阶段，与冷变形状态相比，光学金相组织中几乎没 有发生变化，仍保持形变结束时的变形晶粒形貌； 在再结晶开始，首先在畸变较大的区域产生新的无畸变的 晶粒核心，然后通过逐渐消耗周围变形晶粒而长大，转变 成为新的等轴晶粒，直到冷变形晶粒完全消失； 最后，在晶界界面能的驱动下，新晶粒会发生合并长大， 最终会达到一个相对稳定的尺寸，这就是晶粒长大阶段。
图 晶界弓出形核
2.亚晶合并机制
某些取向差较小的相邻亚晶界上的位错网络通过解离、 拆散并转移到其它亚晶界上，导致亚晶界的消失而形成 亚晶间的合并，同时由于不断有位错运动到新亚晶晶界 上，因而其逐渐转变为大角度晶界。
图 亚晶合并形核机制
3.亚晶蚕食机制
某些取向差较大的亚晶界具有较高的活性，可以直接吞食周围亚晶， 并逐渐转变为大角晶界，实际上是某些亚晶的直接长大。 通过亚晶合并和亚晶长大，使亚晶界与基体间的取向差增大，直至形 成大角度晶界，便成为再结晶的核心。
§7.3.5 再结晶后晶粒大小
1.变形度的影响 当变形程度继续增加至某 一量时（一般在2%－ 10%），此时的畸变能刚 能驱动再结晶的进行，最 终得到的晶粒尺寸特别粗 大，这一变形度常称为临 界形变量。
图 变形量与再结晶后晶粒尺寸的关系
2.退火温度的影响 再结晶退火温度对刚完成 再结晶时的晶粒尺寸影响 较小，但是提高再结晶退 火温度可使再结晶速度加 快，临界变形量减小。