2-钢的回复、再结晶与控扎

在一定应变下，铁素体还可能发生晶粒的弓出形核，发生 不连续动态再结晶。 形变开始后，原始晶界 发生弯曲，并且伴随着亚晶 界的发展； 形变继续进行，部分原 始晶界发生切变，导致局部 应变的不均匀分布； 形变到一定程度后，由 晶界切变和(或)晶粒转动引 起弯曲晶界的弓出和应变诱 导亚晶界的发展，导致新的 动态再结晶晶粒的形成。
再结晶晶核的长大
热形变过程中奥氏体的再结晶行为
当钢在高温奥氏体状态下形变时，其流变应力先升高 到最大，然后降低到恒定状态。在应力峰左侧的应变范围 内，动态回复在起作用；而在恒定状态范围内，则是动态 再结晶在起作用。
应力——应变曲线
三种静态复原过程：即静态回复、静态再结晶和亚动态 (准动态)再结晶。
（1） 再结晶晶核的形成与长大
再结晶时通常是在变形金属的能量较高的区域（如晶界、孪晶界、
夹杂物周围）优先形核。 亚晶长大形核机制 在大变形度下发生，有两种
可能： 亚晶移动形核。靠某局部位 错密度高的亚晶界移动，吞并相 邻变形基体和亚晶而成长为晶核。
亚晶合并形核。相邻亚晶粒 某边界上位错攀移和滑移到周围 晶界或亚晶界，使原亚晶界消失， 经原子扩散和调整，导致两个或 更多亚晶粒取向一致，合并成大 晶粒，构成大角度晶界，所包围 的无畸变晶体成为晶核。
(2)第二阶段。在第一阶段动态软化抵消不了加工硬化，随着形 变量的增加金属内部畸变能不断升高，畸变能达到一定程度后 在奥氏体中将发生另一种转变，即动态再结晶。动态再结晶的 发生与发展使更多的位错消失，材料的形变应力很快下降。随 着形变的继续进行，在热加工过程中不断形成再结晶核心并继 续成长直到完成一轮再结晶，形变应力降到最低值。从动态再 结晶开始，形变应力开始下降，直到一轮再结晶全部完成并与 加工硬化相平衡，形变应力不再下降为止，形成了真应力－真 应变曲线的第二阶段。
试验用钢的热形变奥氏体动态再结晶图
O－完全再结晶奥氏体 ε－部分再结晶奥氏体 。－加工硬化奥氏体
Z参数愈小(即形变温度愈高)，则愈易发生动态再结晶，再结晶 临界形变量就愈小。 钛和铌具有强烈阻碍动态再结晶的作用。
合金元素对再结晶行为的影响
微合金碳氮化物的析出将强烈阻止再结晶的发生。
(1)析出物的钉扎机制，因为对于析出物而言，最优先的 形核位臵是晶界和形变引入的位错，析出的粒子抑制亚晶界 迁移，抑制再结晶，析出减少了再结晶的形核位臵，延迟了 再结晶的发生； (2)溶质原子的拖曳效应，即溶质原子对晶界迁移速度的 影响。 这两种机制都能较好地解释析出对再结晶的影响，钉扎 的效果占主导地位，加热时未溶的析出物对再结晶发生没有 影响，只是对再加热奥氏体长大有影响。
应力——应变曲线的最大应力值σp(或恒应变应力值)、形变速 度έ、形变温度T之间符合以下关系：
έ=Aσnｅxp(-Q／RT)
式中A—常数；n—应力指数； Q—形变活化能；R—气体常数； T—绝对温度。 动态再结晶发生时，n为4～6，大多数为6。Q大体等于自扩 散激活能。当Q不依赖于应力、温度时，σp (或σs)可用ZenerHollomon因子Z来表示：
Z=έexp(Q／RT)=Aσn
式中Z为温度补偿形变速率因子，可表示έ和T的各种组合，是一个 使用方便的因子。当形变温度愈低、形变速率έ愈大时，Z值变大， 即σp 、σs大，动态再结晶开始的形变量εc和动态再结晶完成的形 变量εs也变大，也就是说需要一个较大的形变量才能发生再结晶。
(3)第三阶段。当第一轮动态再结晶完成以后，应力达到稳定值， 形变量虽不断增加而应力基本不变，呈稳态形变。 当εc<εr 时发生连续动态再结晶。动 态再结晶发生后，随着形变的继续，一 方面再结晶继续发展，另一方面已发生 动态再结晶的晶粒又承受新的形变，这 两个过程同时在进行着；由于εc<εr ，所 以在奥氏体晶粒全部进行完第一轮再结 晶之前，已经动态再结晶晶粒内就达到 了εc 的形变量，开始发生第二轮的动态 再结晶。 奥氏体内几轮的动态再结晶同时发生，每一轮的动态再结 晶又同时处在形变的不同阶段：有的刚开始，有的接近结束。 奥氏体内部各个晶粒的形变量不同，有的是零，有的接近εc ， 其结果反映出一个平均近似不变的应力值。
V ——MaCb的摩尔体积；
D——溶质在基体中的扩散常数；
Xm——基体中溶质的原子含量，即溶质原子的溶解度极限；
——MaCb中的溶质原子含量；
XR——气体常数； m
T——绝对温度值。
弥散或沉淀粒子平均半径( r )和晶粒平均半径( R )之间有 下列关系(Zener关系)：
R 4r / 9
铁素体的形变与再结晶
铁素体为体心立方(bcc)结构，层错能较高，容易进行 位错的攀移和交滑移过程。一般认为铁素体在热加工过程 中易于发生动态回复，而且动态回复可以完全和应变硬化 平衡，从而在热加工过程中不易发生动态再结晶。 然而自20世纪70年代以来，已有关于铁素体动态再结 晶的大量研究报道。
铁素体动态再结晶机理
不连续动态再结晶机制：铁素体动态再结晶是通过原 始晶界的迁移，实现形核及长大，来消除位错积累、释放 形变储存能；这种机制能有效释放形变储存能，使应力-应 变曲线出现应力峰及随后的应力下降现象。 连续动态再结晶机制：铁素体动态再结晶是通过动态 回复形成亚晶，随着应变的增加，亚晶界连续吸收位错而 发生亚晶转动、粗化和亚晶界粗化，亚晶间取向差加大， 形成大角度晶界，最终形成新的晶粒。
晶界突出形核机制 多发生在变形度较小的金属中，又称凸出形核。
由于变形度小，故金属的变形很不均匀，回复后，亚晶粒大小也不同。 再结晶时，大角度晶界中某一段就会向亚晶粒细小，位错密度高的一侧 弓出，所扫过的区域位错密度下降，称为无畸变的晶体，即成为再结晶晶 核。
再结晶核心无论以何种方式形成，都可借助大角度晶界向畸变区移 动而长大，晶核长大时，驱动力为无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能 差。 变形晶粒完全被新生的、无畸变的再结晶晶粒所取代时，再结晶结 束，此时的晶粒大小为再结晶的初始晶粒。
另一方面，材料在高温下形变中产生的位错能够在热加工过 程中通过交滑移和攀移等方式运动，使部分位错消失，部分重新 排列，造成奥氏体的回复。当位错重新排列发展到一定程度，形 成清晰的亚晶界，称为动态多边形化。奥氏体的动态回复和动态 多边形化都使材料软化。 由于位错的消失速度与位错密度绝对值有关。因此当形变量 逐渐增大时，位错密度也增大，位错消失速度也随之增大，反映 在真应力－真应变曲线上随着形变量加大，加工硬化速度减弱， 但是总的趋向在第一阶段加工硬化还是超过动态软化；因此随形 变量增加形变应力还是不断增加的。
钢的复、再结晶与控扎控冷
当冷变形金属的加热温度高于回复温度时，在变形组织的基 体上产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，逐渐 取代变形组织，性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化 状态，这个过程称为再结晶。
再结晶的驱动力也是冷变形产生的储存能。 强度、硬度显著下降，塑性和韧性显著提高，内应力、加 工硬化状态消除，金属又重新复原到冷变形之前的状态
动态再结晶是在热形变过程中发展的，即在动态再结 晶形核长大的同时持续进行形变的，这样由再结晶形成的 新晶粒又发生了形变，产生了加工硬化，富集了新的位错， 并且开始了新的软化过程(动态回复甚至动态再结晶)。因此 就整个奥氏体来说，任一时刻在金属内部总存在着形变量 由零到εc的一系列晶粒，也就是说动态再结晶的发生就奥氏 体的整体来看并不能完全消除全部的加工硬化。 反映在真应力－真应变曲线上，就是在发生了动态再 结晶后，金属材料的形变应力仍然高于原始状态(即退火状 态)的形变应力。
εt 是达到稳态时的应变量。
由动态再结晶产生核心到 全部完成一轮再结晶所需要的 形变量用εr 表示，εr 可能大于 εc，也可能小于εc 。
(1)第一阶段。随着形变量增加形变抗力增加，直到达到最大值。
金属发生塑性形变，位错密度ρ不断增加，从原始退火状态时 的108～109/mm2达到屈服极限时的109～1010/mm2，以后随着形 变量增大位错密度继续增加，这就是材料的加工硬化，造成形变 应力不断增加达到峰值。
在晶界处动态再结晶形核机制的 示意图
铁素体的连续动态再结晶
在不同Z值条件下形变时亚结构形成、湮灭过程 及动态再结晶开始的示意图
随着形变的进行，原始晶粒中产生大量位错，位错通 过攀移和交滑移形成位错墙，并最终形成亚晶界，即通过 动态回复过程形成亚晶。 在高Z值条件下，亚晶界不易迁移，亚晶界处发生的 位错间交互作用导致亚结构的形成和发展； Z值较高时， 虽然亚晶界的迁移性小，但应变不断增加，强迫亚晶界持 续吸收位错，使其角度不断增大，最终完成由小角度晶界 向大角度晶界的转变，形成新的晶粒。
式中φ ——弥散粒子的体积分数。
可推导出方程：
4 R 3 R03 9 k0t 这些方程表明，因为粒子尺寸很小，所以钉扎作用对晶界 迁移有很大影响。
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如果平均粒子尺寸相同，体积分数越大，也就是粒子数目 越多，则钉扎所起的作用也越大。 此外k0越小，钉扎作用也越有效。MaCb的溶解度Xm较小 时，k0较小。因为碳氮化铌或碳氮化钛的溶解度非常小，所以 它们的钉扎效果很大。
和静态再结晶一样，动态再结晶也存在两种主要机制：
(1)晶界凸起机制(连续动态再结晶机制)，在小形变时起 主导作用；一般发生在形变的开始阶段，例如在应变为0.05 以上时起作用。 (2)形核长大机制(不连续动态再结晶机制)，在高应变时 起主导作用。形核长大机制在应变超过0.2时才起主导作用。 然而即使在应变高于0.2的稳态形变过程中，因为不断发 生再结晶，每个晶粒的实际应变值可能是相当小的，所以， 即使在稳态形变过程中也会出现晶界凸起机制占主导作用的 情况。
工艺参数(形变温度T和形变速度έ)对εc、εr，都有影响，只 是T、έ对εr的影响比对εc的影响大。也就是说当T高或者έ低时， εc>εr，出现非稳态形变，不连续动态再结晶。而当T低或者έ高 时，εc>εr，出现稳态形变，连续动态再结晶。