第4讲回讲义复再结晶

Lesson Four
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3.4 热加工时的回复与再结晶
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动态回复与动态再结晶 静态回复与静态再结晶 亚动态再结晶
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金属材料在热 轧和挤压时的 软化过程
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3.4.1 动态回复与动态再结晶
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精品
第4讲回复再结晶
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第三章 塑性加工时组织性能的变化
主要内容
Main Content
冷加工退火时的回复与再结晶 热加工时的回复与再结晶
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3.3 冷加工退火时的回复与再结晶
经塑性变形的材料具有自发恢复到变形 前低自由能状态的趋势。当冷变形金属 加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大 等过程。了解这些过程的发生和发展规 律，对于改善和控制金属材料的组织和 性能具有重要的意义。
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再结晶的形核与长大
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形核
亚晶长大形核机制 亚晶合并形核 （变形量较大时） 亚晶界移动形核
（吞并其它亚晶或变形部分） 晶（界变凸形出 量形 较核 小时）（晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向）
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
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多边形化前、后刃型位错的排列情况
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3.3.2 再结晶
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在再结晶阶段，首先是在畸变度大的区 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，直到形 变组织完全改组为新的、无畸变的细等 轴晶粒为止。
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铝在350℃的等温再结晶动力学曲线
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再结晶温度
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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。
高纯金属：T再＝(0.25~0.35)Tm 工业纯金属：T再＝(0.35~0.45)Tm
过程。其软化作用远大于动态回复。
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发生动态再结晶的应力应变曲线
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该曲线在高应变 速度下，曲线迅 速升到一峰值， 然后由于动态再 结晶的发生而引 起软化最后接近 于平稳态。在低 应变速度情况下， 应力应变曲线呈 波浪形。
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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。
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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。
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3.3.3 晶粒长大
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在晶界表面能的驱动下，新晶粒互相吞 食而长大，从而得到一个在该条件下较 为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。
长大方式：正常长大；异常长大（二次 再结晶）
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正常长大
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再结晶后的晶粒均匀连续的长大。
驱动力：界面能差。界面能越大，曲率 半径越小，驱动力越大。
在奥氏体碳素钢、低合金钢、不锈钢、 工具钢以及黄铜、蒙乃尔、镍基高温合 金中容易出现动态再结晶。
在热加工温度较低，变形速度高时，一 般不发生动态再结晶；容易出现动态再 结晶的条件是高温低速的条件。
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动态再结晶后的晶粒越小，变形抗力越 高。变形温度越高，应变速度越低，动 态再结晶后的晶粒就越大。因此，控制 变形温度、变形速度及变形量就可以调 整热加工材的晶粒大小与强度。
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储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分 （～10％）变形功。
存在形式
弹性应变能（3～12％）
位错（80～90％）
回复与再结晶的驱动力
点缺陷
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。
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静态回复
金属经热变形以后，形成位错胞状 结构，使内能增高，处于热力学不稳定 状态。在变形停止以后，若变形程度不 超过临界变形程度时，将会发生静态回 复。
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影响因素
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随着变形温度的增加，驱动回复的储存能减 少，回复速率减慢。
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异常长大
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少数再结晶晶粒的急剧长大现象。 机理
钉扎晶界的第二相溶于基体 再结晶织构中位向一致晶粒的合并 大晶粒吞并小晶粒
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再结晶晶粒的异常长大
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3.3.4 性能变化
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动态回复
是金属在热变形中发生的一种软化过程。 通过位错的攀移、交滑移和位错从结点脱钉 来实现的。
若把变形金属从稳定变形阶段迅速冷却后， 取样做电镜观察，发现拉长的晶粒内部出现 了许多等轴的亚晶粒。亚晶的出现，标志动 态回复产生了。
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动态再结晶 也是金属在热变形中发生的一种软化
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晶粒边界少于6的晶粒在缩小和消失
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影响晶粒长大的因素
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温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗 化。
分散相粒子。阻碍晶界迁移，降低晶粒长 大速率。
杂质与合金元素。降低界面能，不利于晶 界移动。
晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大 角度晶界，因而前者的移动速率低于后者。
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。
原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大； 晶界越多，有利于形核。
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微量溶质元素。阻碍位错和晶界的运动， 不利于再结晶。
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。
合金：T再＝(0.4~0.9)Tm
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影响再结晶温度的因素
变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低； 纯度越高，再结晶温度越低； 加热速度太低或太高，再结晶温度提高
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影响再结晶的因素
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退火温度。温度越高，再结晶速度越大
电阻
变形金属的电阻在回复阶段已表现明显 的下降趋势。因为电阻率与晶体点阵中的点 缺陷（如空位、间隙原子等）密切相关。点 缺陷所引起的点阵畸变会使传导电子产生散 射，提高电阻率。它的散射作用比位错所引 起的更为强烈。因此，在回复阶段电阻率的 明显下降就标志着在此阶段点缺陷浓度有明 显的减小。
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强度与硬度
回复阶段的硬度变化很小，约占总变化 的1／5，而再结晶阶段则下降较多。可以推 断，强度具有与硬度相似的变化规律。上述 情况主要与金属中的位错机制有关，即回复 阶段时，变形金属仍保持很高的位错密度， 而发生再结晶后，则由于位错密度显著降低， 故强度与硬度明显下降。
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再结晶晶粒大小的控制
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变形量。存在临界变形量，生产中应避免临 界变形量。
原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大，形 核位置越多，使晶粒细化。
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。
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。
长大
驱动力：畸变能差 方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新晶粒相互接触
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注：再结晶不是相变过程
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具有亚晶组织的晶间凸出形核示意图
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再结晶动力学
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再结晶速度与温度的关系
V 再 A ex Q pRT
开始时再结晶速度很小，在体积分数 为0.5时最大，然后减慢。
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回复、再结晶和晶粒长大
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回复——是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；
再结晶——是指出现无畸变的等轴新晶 粒逐步取代变形晶粒的过程；
晶粒长大——是指再结晶结束之后晶粒 的继续长大。
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晶粒的稳定形状
晶界趋于平直
晶界夹角趋于120° 二维坐标中晶粒边数趋于6，晶界外形趋于 稳定的正六边形。
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晶界向曲率中心移动， 趋向于平直化
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晶界迁移的方向
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晶界移动使三个夹角趋向于120°
热变形速度的增加，会减少再结晶孕育期， 并增加其后的再结晶速度。
合金元素和杂质原子对晶界迁移具有阻碍作 用，所以能延迟静态再结晶的时间，并能细 化晶粒。
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亚动态再结晶
在热变形过程中已经形成但尚未长大的动 态再结晶晶核，以及长大到中途的再结晶晶 粒被遗留下来。变形停止后，当变形温度足 够高时，这些晶核和晶粒还会继续长大，引 起软化，此种过程称为亚动态再结晶。因为 这类再结晶不需要一段形核时间，没有孕育 期，所以在变形停止后进行的非常迅速。比 传统的静态再结晶要快一个数量级。
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内应力 在回复阶段，大部或全部的宏观内
应力可以消除，而微观内应力则只有通 过再结晶方可全部消除。
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亚晶粒尺寸 在回复的前期，亚晶粒尺寸变化不
大，但在后期，尤其在接近再结晶时， 亚晶粒尺寸就显著增大。
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静态再结晶
在热变形后，若金属仍处于再结晶温 度以上，则将发生静态再结晶。重新形 成无畸变的等轴晶。若条件允许新晶粒 可以不断向变形基体长大，直到变形金 属完全消失为止。
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影响因素
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随着变形温度的增加开始再结晶的温度增高。
随着热变形程度的增加，开始再结晶温度降 低。
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由图中的曲线可以看出，当温 度一定时，变形程度越大，再 结晶后晶粒越小；当变形程度 一定时，温度越高，再结晶退 火以后的晶粒越大。在低变形 程度时出现一个晶粒尺寸非常 大的区，即是由于临界变形量 所造成的；当强烈冷变形且在 高温下退火时也会产生特别粗 大的晶粒。这是由于发生了二 次再结晶的缘故。为获得强度 高的细晶组织，在制定塑性加 工工艺时，就要避开临界变形 区和二次再结晶区。
回复速度随间断期变形量的增加而增加。
应变速度越高，储存能越大，回复速度越快。
合金元素对热变形后的静态回复速度影响也 是很明显的。固溶合金元素通常能降低堆垛 层错能，使位错的攀移，交滑移和脱钉困难， 阻止了回复的进行。析出物的存在可以起着 稳定亚晶界的作用，同样使回复滞后。
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3.3.1 回复
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冷变形金属在低于再结晶温度下加热时，显 微组织与强度、硬度均不发生明显变化，只 有某些物理性能和微细结构发生变化。这是 由于原子在微晶内只能进行短距离扩散，使 点缺陷和位错在退火过程中发生运动，从而 改变了它们的数量和分布。
在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移， 所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍 保持着纤维状或扁平状，从光学显微组织上 几乎看不出变化。
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低温回复（0.1~0.2Tm）
机理：点缺陷运动
移至晶界、位错处 空位＋间隙原子
消失
空位聚集（空位群、对）
缺陷密度降低
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中温回复（0.2~0.3Tm）：
位错滑移
异号位错相遇而抵销 位错缠结重新排列 亚晶粒长大
位错密度降低
高温回复（0.3~0.5Tm）：