回复和再结晶

二、再结晶动力学
图8-12为经98%冷轧的纯铜在不同温度下的 等温再结晶曲线。
由图可知，等温下的再结晶速度开始时很小， 随再结晶百分数的增加而增大，并在50%处达到最 大，然后又逐渐减小，即具有典型的形核-长大过程 的动力学特征。
金属的等温再结晶动力学曲线通常认为可以用 下列方程来描述：
xv 1 e
如果令（8-6）式中的 ln
1 1 xv
图8-13为经98%冷轧的纯铜在不同温度等温再结
晶时的
1 lg ln lg t 图，图中大多数的关系曲线均具有 1 xv
线性特征，说明用上述方程来描述等温时的再结晶体积 分数与实际情况基本上是符合的。
图8-13还清楚地显示出温度对等温再结晶的影 响。温度越高，再结晶进行得越快，产生一定体积 分数再结晶所需时间也越短。
或
Bt
K
(8-5)
1 lg ln lg B K lg t 1 xv
(8-6)
式中 xv 为在t时间已经再结晶的体积分数，B 和K为常数，可通过实验决定。
的对数为y，令t的对数 为x，则（8-6）式具有y mx b 直线方程的形式，表明 1 ln 等温再结晶时， 的对数与时间t的对数之间存在着 1 xv 线性关系。
3、经冷塑性变形的金属加热时，经过那些阶段？各 阶段的特点？
依次经过回复、再结晶和晶粒长大三个阶段 （此三阶段有部分交迭）。如图1所示：
回复 再结晶 晶粒长大
0
T1
T2
T3
图1 回复、再结晶、晶粒长大过程示意图
回复：指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学 显微镜组织发生改变前（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：指经冷塑性变形的金属在加热时，通过 再结晶核心的形成及随后的生长、最终形成无畸变的 新的晶粒的过程。 晶粒长大：随着加热温度的升高或者保温时间的 延长，晶粒之间相互吞并而长大。包括正常的晶粒长 大和异常的晶粒长大，后者称为二次再结晶。在特殊 的情况下，二次再结晶形成的新的晶粒组织在加热时 还会发生三次再结晶。
金属与合金在塑性变形时所消耗的功，绝大部分转变 成热而散发掉，只有一小部分（约2%～10%）能量以弹 性应变和增加金属中晶体缺陷（空位和位错等）的形式储 存在加工硬化的金属中，从而使其自由能较冷塑性变形前 的状态为高。
晶体缺陷所储存的能量又叫畸变能，空位和位错是其 中最重要的两种。因此冷变形的金属在热力学上是处于一 种不稳定的亚稳状态，如果升高温度使金属中的原子获得 足够的活动性，以克服亚稳状态与稳定状态之间的势垒， 则经冷塑性变形的金属将自发地通过点阵缺陷的重新排列 和减少而恢复到冷变形前的状态。
第三节 再结晶
在这一节涉及的主要问题是：
一、再结晶现象 二、再结晶动力学 三、再结晶过程中的形核 四、再结晶温度
五、影响再结晶的主要因素
六、再结晶后晶粒大小
一、再结晶现象 经冷塑性变形的金属加热时其组织与性能最显 著的变化是在再结晶阶段发生的。再结晶是一种形 核和长大过程，或者更确切的说，是通过新的可移 动的大角度晶界的形成及随后的移动，从而形成无 应变的新晶粒组织的过程。 经过再结晶，塑性变形所导致的各种性能改变 都消失掉，金属材料的性能恢复到冷变形前的原来 水平（图8-11），因此在工业生产中就可利用再结 晶来消除冷加工变形的影响，这种热处理工艺称为 再结晶退火。
冷变形金属发生多边化过程的驱动力来自应变能的 下降。
当同号的正刃型位错塞积于同一滑移面上时，它们 的应变能是相加的，因为在每一个正刃型位错的应变场 内，滑移面上部的区域都受到压缩，下部都受到伸张； 而当多边化后同号的正刃型位错沿滑移面的法线方向重 叠排列时，上下相邻的两个正刃型位错的区域内，上面 一个位错所产生的张应变场正好与下面一个位错所产生 的压缩应变场相迭加，从而互相部分的抵消。 位错的攀移是通过空位扩散到位错线处来实现的， 而空位的扩散又是一种热激活过程，因此多边化的速度 随温度升高而迅速增加。
ห้องสมุดไป่ตู้
绝对温度）和 lg t （t为产生一定体积分数再结晶所需 的时间）的坐标图中，这些数据是相当准确地落在一 条直线上（图8-14）。
1 将图8-12中的实验数据记载在 T （T为再结晶的
1 图8-14中所观察到的 T 与 lg t 间的线性关系的原因： v再 金属的再结晶也是一种热激活过程，再结晶的速度 与温度T间存在着热激活速率方程所示关系：
根据冷变形金属的回复机制，可对回复导致的性能 变化作如下解释： 电阻率的强烈下降主要是由于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则是由于位错密度通常下降不 大的缘故。
四、回复退火的应用 回复退火主要是用作去应力退火，使冷加工 的金属件在基本上保持加工硬化状态的条件下， 降低其内应力，以避免变形或开裂，并改善工件 的耐蚀性。如:经冷冲压的黄铜工件、冷拉钢丝 卷制弹簧。
v再 Ae QR / RT （8-7）
式中 QR 为再结晶的激活能，R为气体常数，T为绝 对温度，A为比例常数。由于再结晶的速度与产生一定 量再结晶气积分数所需时间t成反比例，因此（8-7）式 又可写成： 1 (8-8) A' e QR / RT
t
式中A’为比例常数。在（8-8）式两边取对数 可得：
（1）空位迁移到金属的自由表面或晶界而消失；
（2）空位与塑性变形所产生的间隙原子重新结合而消失； （3）空位与位错发生交互作用而消失； （4）空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环而消失。
（二）中温回复 这种回复发生于较之低温回复稍高一些的温度范 围，其主要的机制是位错滑移导致位错重新组合，以 及异号位错会聚而互相抵消。 （三）高温回复
为什么多晶体金属多边化后，亚晶粒比单晶细 小的多,且亚晶界由二维位错网络组成? 多晶金属塑性变形时滑移通常是在许多相互交 截的滑移面上发生，同时变形更不均匀，导致塑性 变形后产生由缠结位错构成的胞状组织。具体过程 如下： 冷变形形成缠结位错，位于晶胞边界→变形胞 内位错移向胞壁，同时胞壁处的缠结位错趋向规则 排列→形变胞边界处的缠结位错形成网络构成亚晶 界→位错网络发生分解，并入更稳定的位错网络中， 亚晶界聚合长大。
4、在回复和再结晶的过程中，金属会释放出冷塑 性变形所储存的能量，同时性能也会发生相应的变化。
Δρ 100
Δ ρ ,10-6Ω ·cm
125
Δ P,mW
HV 75
30 20
50 10 25 ΔP
0
100
200
300 温度，°C
400
图8-1 在室温经75%压缩变形的纯铝(纯度99.998%)以 6º C/sec的加热速度加热时,热量差Δ P、比电阻的变化Δ ρ 及维 氏硬度HV与加热温度之间的关系
三、再结晶过程中的形核 1、为什么回复阶段发生的多边化是再结晶形核的必要准备 阶段？
多边化过程导致形成一定的亚晶界，成为再结晶形核的中
心。 2、多边化产生的由小角度晶界所包围的某些无应变的较 大亚晶的生长方式由哪两种？其适用范围是什么？ （1） 亚晶界移动，吞并相邻的形变基体和亚晶生长。 （2）通过两亚晶之间亚晶界的消失，使两相邻亚晶合并而 生长。 适用范围：经较大冷塑性变形（如变形度大于20％的冷塑 性变形）的单晶和多晶体的再结晶过程。
(8-4)
可见，温度越高，性能回复到相同程度所需时间越短．
三、回复的机制 (一)低温回复 经冷加工变形的金属通常在较低的温度范围就开始回复， 表现在因变形而增高的电阻率发生不同程度的下降，但这 时其机械性能不出现变化。由于金属的电阻率对点缺陷很 敏感，而机械性能对点缺陷不敏感，所以这种低温下发生 的回复与金属中点缺陷的变化有关。 一般认为低温回复主要是由于塑性变形所产生的过量 空位消失的结果，其消失至少存在四种可能的机制：
（8-3）
这说明与其他热激活过程一样,回复的速度随温度升高 而增大。这一点在图8-3中也显示得很清楚。 如果采用两个不同的温度将同一冷变形金属的性能 回复到同样的程度，则
c 0 t 1e Q / RT1 c 0 t 2 e Q / RT2
( ) t1 e Q / RT 2 R T2 T1 Q / RT e 1 t2 e Q 1 1
由于变形金属在再结晶前会发生多边化而生成亚 晶，因此再结晶时的凸出形核还可以通过图8-18所示 的情形来形成。
图中晶界两边的晶粒经冷塑性变形后产生的应变程度不 同，故位错密度不同，B晶粒内的位错密度大于A晶粒中的位 错密度，因此多边化后B晶粒中形成的亚晶较A晶粒中形成的 亚晶为细小，这样，再晶界处A晶粒的某些亚晶会通过晶界迁 移而凸入B晶粒中，借消耗B中的亚晶而生长，此过程能使体 系的自由能下降，从而形成了再结晶核心。
HV
下面分别详细介绍回复、再结晶、晶粒长大、 再结晶织构以及金属材料的热加工。 第二节 回复 在这一节，涉及的主要问题是： 一、回复的作用
二、回复的动力学
三、回复的机制 四、回复退火的应用
一、回复的作用
260º 进行“去应力退火”，内应力能够大部分消除， 而强度、硬度基本不变。这样处理所发生的过程就是回 复。
高温回复的主要机制为多边化。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的晶体[图 8-4a]，在退火过程中通过刃型位错的攀移和滑移（图 8-5），使同号刃型位错沿垂直于滑移面方向排列成小 角度亚晶界的过程称为多边化。多边化后刃型位错的 排列情况如图8-4b。
图8-5 刃型位错的攀移和滑移示意图
3、较小冷塑性变形的多晶体的再结晶核心以凸出 形核形成，示意图见8-17，对其分析如下：
图中I和Ⅱ为经较小冷塑性变形的多晶体金属中的两 个相邻晶粒，其中晶粒I中的位错密度较晶粒Ⅱ中者为高。 发生再结晶时，I、Ⅱ两晶粒间原来平直的晶界，会通过 晶界迁移向晶粒I内凸出，在其前沿扫过的区域内留下无 应变的晶体，构成再结晶核心。