第五章 回复与再结晶

退火温度与黄铜 强度、塑性和晶 粒大小的关系
退火温度愈高晶 粒长得愈大，拉 伸强度下降得愈 多，塑性则增加 得愈多。
晶粒大小
拉伸强度
拉伸强度 延展性
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退火温度
5.2 回复recovery
• 回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位 错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺 陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数 量减少等。
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临界变形区
再结晶全图 ： 再结晶退火温度-变形量-再结晶后晶粒尺寸关系
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再结晶的应用 恢复变形能力
改善显微组织 再结晶退火 消除各向异性
的新的晶粒。
（c）是在580ºC保温4秒后，显示有 更多新的晶粒出现。
(c)
(d)
（d）在580ºC保温8秒后，粗大的带 有滑移线的晶粒已完全被细小的新晶 粒所取代，即完成了再结晶。
（e）是保温15分后的金相组织。晶 粒已有所长大。
(e)
(f)
（f）则是在700ºC保温10分后晶粒长 大的情形。
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• 晶粒长大grain growth是指再结晶结束后晶粒的 长大过程，在晶界界面能的驱动下，新晶粒会发 生合并长大，最终达到一个相对稳定的尺寸。
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冷变形金属在加热时的性能变化
A：强度、硬度和塑性 strength, hardness and ductility：
回复阶段变化非常小，再结晶时硬度降低，塑性升高，晶
E：储能的释放energy release：当加热到足以引起应力松
弛的温度时，储能就释放出来，再结晶阶段储能释放最
多，达到峰值。
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黄铜的回复、再结晶和晶粒长大
（a）是黄铜冷加工变形量达到38％ 后的组织，可见粗大晶粒内的滑移线。
（b）经过580ºC保温3秒后，试样上
(a)
(b)
开始出现白色小的颗粒，即再结晶出
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2 中温回复机制 位错滑移！
异号位错相遇而抵销 位错密度降低 位错滑移
位错缠结重新排列 亚晶规整化
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3 高温回复机制 位错攀移和滑移！ 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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回 复 动 力 学 recovery kinetics
剩余应变硬化分数（1-R）
• 回复recovery是指新的无畸变晶粒出现前所产 生的亚结构和性能变化的阶段，在金相显微镜 中无明显变化，仍保持原有的变形晶粒形貌， 若通过TEM，则可观察到位错组态或亚结构已 开始发生变化。
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冷变形金属在加热时的组织变化
recovery recrystallization grain growth
锈应
力 腐 蚀 裂 纹
钢力 管腐 道蚀 内奥 壁氏
奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环境体系 中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐蚀易在含 Clˉ的介质中发生，裂纹为树枝状。
2
消除的方法 —— 退火处理。 退火可使原子扩散能力增加，金属将依次发生 回复、再结晶和晶粒长大过程。
第五章 回复与再结晶
• 当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大， 晶粒的形状：破碎拉长的晶粒 等轴晶粒。
• 这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。
• 再结晶是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程， 再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。
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再结晶的驱动力？
驱动力：变形金属经回复后未被 释放的储存能（相当于变形总储 能的90%）。
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3. 原始晶粒尺寸：晶粒越细，再结晶温度越低；
4.第二相粒子：可提高、或降低再结晶温度；
5、加热速度和保温时间 • 提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生, 延长加热时
间, 使原子扩散充分, 再结晶温度降低。 • 生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火
recrystallization annealing。再结晶退火温度比再结晶温 度高100~200℃。
• 再结晶recrystallization是指出现无畸变的等轴新 晶粒逐步取代变形晶粒的过程。
• 在开始阶段，在畸变较大的区域里产生新的无畸 变的晶粒核心，即再结晶的形核过程；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，直至冷变形晶粒完全消失。
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冷变形金属在加热时的组织变化
recovery recrystallization grain growth
预先变形度对再结晶晶粒度的影响
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2 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。
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:退火温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶粒粗 化；同时临界变形度越小，晶粒粗大。
再结晶退火温度对晶粒度的影响
温度的影响
再结晶动力学
再结晶体积分数 vs. 时间
约翰逊-梅厄 （Johnson-Mehl）方程：
R
1 exp(
NG3t 4
3
)
R ~ 再结晶体积分数；
N~ 形核率；
G ~ 长大速率。
假定条件：
均匀成核、球形晶核，N、 G不随时间改变、恒温
阿弗拉密 （Avrami）方程：
R 1 exp(Bt K ) R ~ 再结晶体积分数；
粒长大后趋于缓慢。
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B：电阻率resistivity：其大小与点阵 中的点缺陷密切相关，随温度升高， 空位浓度下降，故电阻率呈现连续 下降趋势。
C：内应力inner stress：回复之后， 宏观内应力基本消除，微观内应力 部分消除；再结晶后，冷变形造成 的内应力全部消除。
D：密度density：密度在再结晶阶段急剧增加，主要是 由于此时位错密度显著降低造成的。
4th
冷加工变形：加工硬化，可使位错数量增加， 金属的强度和硬度增加
冷加工缺点：内应力，这种残余应力在金属零 件进一步加工和使用过程中往往会产生不应有的变 形，使用中也会由于大气环境与内应力的共同作用， 造成零件的应力腐蚀；冷加工也可能使电阻率增加 等。这时金属处于一种不稳定状态。
1
体发
不生
应
由于位错运动使其由冷塑性变 形时的无序状态变为垂直分布， 形成亚晶界，这一过程称多边 形化 polygonization。
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回复机理 recovery mechanism
1 低温回复机制 点缺陷的运动！
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（空位群、对）
• 再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始， 在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶 的最低温度称再结晶温度。
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影响再结晶温度的因素：
• 1、金属的预先变形度：金属预先变形程度越大, 再结晶温度 越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值， 称最低再结晶温度。
• 纯金属的最低再结晶温度与其熔点之 间的近似关系: T再≈(0.35-0.4)T熔， 其 中T再、T熔为绝对温度K.
（b）亚晶迁移机制：位错密度较大的亚晶界，向位向差较大的
周围亚晶方向迁移，并逐渐转化为大角晶界，成为形核中心并
长大。
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再结晶的形核率和长大速率
再结晶的形核率是指单位时间、单位体积内形成的 再结晶核心的数目，一般用N表示；晶核一旦形成便 会继续长大至相邻晶粒彼此相遇，长大速率用G表示。
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再 结 晶的形核与长大都受到储存能的驱动，主要影 响因素有：
• 当变形达到2~10%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒大 小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称临 界变形度。
• 当超过临界变形度后，随变形 程度增加，变形越来越均匀， 再结晶时形核量大而均匀，使 再结晶后晶粒细而均匀，达到 一定变形量之后，晶粒度基本 不变。对于某些金属，当变形 量相当大时(90%)，再结晶后 晶粒又重新出现粗化现象，一 般认为这与形成织构有关.
新晶粒长大通过短程扩散，再结晶程度依赖于 温度和时间。
• 由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬 度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。
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铁素体变形80% 650℃加热 670℃加热
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新晶粒的形核
形核：是在现存的局部高能区域内，以多边化形成 的亚 晶为基础形核
形核机制
1. 晶界弓出形核（应变诱导晶界移动、凸出形核）
变形程度的影响：冷变形越大，储能越多，驱动力越大， 长大越快，T再越低
原始晶粒尺寸：晶粒越细，变形抗力越大，变形后的 储能越高，T再越低；
微量溶质原子：易与位错交互作用，阻碍形核和长大， 提高T再；
第二相粒子：可提高、或降低再结晶温度；
退火工艺：加热速度、加热温度、保温时间等工艺参数
的影响。
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➢（1-R）愈小，即R 愈大，则回复程度愈大；
➢ 回复过程无孕育期，加热立刻开始回复；
➢ 初期的回复速率大，随后逐渐变慢；
➢ 长时间退火后，性能出现一平衡值；
➢ 预变形量愈大，起始回复速率愈大。
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• 在回复阶段，金属组织变化 不明显，其强度、硬度略有 下降，塑性略有提高，但内 应力、电阻率等显著下降。
Recovery and recrystallization
3
5.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
黄 铜
recovery
加热温度 ℃
recrystallization
grain growth
冷变形金属在加热时的组织变化 4
冷变形金属在加热时的组织变化
recovery recrystallization grain growth
B ~ 常数； K ~ 常数。
假定条件： 均匀成核、球形晶核，N 随时间指数衰减、恒温 26
再结晶的特点
再结晶
1) 再结晶过程有孕育期； 2) 再结晶刚开始速度慢，逐步加快，到再结晶分数 为50%时速度最快，随后逐渐变慢
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再结晶 与 固态相变 异同
➢ 再结晶的晶核不是新 相，晶体结构未变，而 固态相变出现新相；
➢ 固态相变倾向于晶界 成核，而再结晶以亚晶 为基础；
➢ 两者动力学过程相似。
转变率
再结晶
S—型曲线 转变率 ~ 时间
终了
固态相变
开始
孕育期
长大期
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
时间（对数形式）
再结晶温度 recrystallization temperature
定义1：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。 定义2：工业生产中，以经过大变形量（~70%以上）的变形 金属，经1h退火后完成再结晶（R95%）所对应的温度。
变形程度较小 时（小于20%）， 各晶粒间由于变形不均匀而引起 位错密度不同，相应亚晶尺寸不 同，为降低系统的自由能，位错 密度小的晶粒中的亚晶通过晶界 凸入另外晶粒中，以吞食方式开 始形成无畸变的再结晶晶核。
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2. 亚晶形核：变形程度较大时发生此机制，又分为两种
（a）
（b）
（a）亚晶合并机制：相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆散、 位错的攀移、滑移，逐渐转移到周围其它亚晶界上，导致亚晶 合并。
R m r m 0
R — 屈服强度回复率
m — 变形后屈服强度 r — 回复后屈服强度 0 — 原始态的屈服强度
1.0
同一变形度的Fe在不同温度下的回复
0.8
300oC
350oC
0.6
400oC
0.4
450oC
0.2
500oC
0 100 200 300 400
回复是一个驰豫过程(relaxation process) 时间/min.
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再结晶后晶粒的大小
由约翰逊-梅厄方 程得再结晶晶粒尺 寸d 为：
d

常数

(
GN)
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G ~ 长大速率; N~ 形核率
影响因素
（a）变形度的影响
（b）温度的影响
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再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）
1、预先变形度
• 预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响.
• 当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶.
• 金属熔点越高, T再也越高.
Fe的再结晶温度？
T再与ε的关系
T再℃ = (T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
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2、金属的纯度 • 金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩
散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高. • eg. C 加入到纯Fe中变成低C钢，再结晶温度变为540 ℃。
• 工业上，常利用回复现象将 冷变形金属低温加热，既稳 定组织又保留加工硬化，这 种热处理方法称去应力退火 relief annealing。
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回复阶段退火的作用： ➢ 提高扩散 ➢ 促进位错运动 ➢ 释放内应变能
回复退火产生的结果： ➢ 电阻率下降 ➢硬度、强度下降不多 ➢ 降低内应力
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5.3 再结晶 recrystallization