金属学与热处理第七章回复与再结晶
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材料科学基础@七 回复与再结晶
15
第二节 再结晶
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，晶粒的形状开始发生变 化，被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大， 变成新的均匀、细小的等轴晶粒的过程。
再结晶的驱动力：弹性畸变能的降低
16
再结晶的形核和长大过程
17
再 结 晶 的 形 核 和 长 大 过 程
18
再结晶过程特点
二 再结晶动力学 （1）再结晶速度与温度的关系（热激活过程）
v再＝Aexp(-QR/RT)
（2）规律 开始时再结晶速度很小，在体积分数为50％时 最大，然后减慢。
25
26
三 再结晶温度 1 再结晶与相变的区别 共同点：①形核-长大过程；
②都使组织形态发生了彻底改变； ③转变动力学也有固态相变特点。 区别： ①再结晶前后各晶粒的点阵结构类型和成分都 未变化。 ②再结晶温度不像结晶那样有确定的转变温度。
流线的应用：流线的分布形态与零件的几何外 形一致并在零件内部封闭。不在外部露头。
例如曲轴工作时最大应力与流线平行，冲击力 与流线平行，不易断裂。
58
59
3 形成带状组织 形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响：各向异性。 消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、 采用高温扩散退火或正火。
带状组织和纤维 组织有何异同
53
动态回复中的组织： （1）也发生多边化(类似静态回复)，形成亚晶。 亚晶在稳定阶段保持等轴状态和恒定尺寸。 （2）动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶， 故仍呈纤维状
亚晶的尺寸受变形速率与变形温度的影响，变形速率 越小，变形温度越高，生成的亚晶尺寸也越大。
54
2 动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。
62
第二节 再结晶
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，晶粒的形状开始发生变 化，被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大， 变成新的均匀、细小的等轴晶粒的过程。
再结晶的驱动力：弹性畸变能的降低
16
再结晶的形核和长大过程
17
再 结 晶 的 形 核 和 长 大 过 程
18
再结晶过程特点
二 再结晶动力学 （1）再结晶速度与温度的关系（热激活过程）
v再＝Aexp(-QR/RT)
（2）规律 开始时再结晶速度很小，在体积分数为50％时 最大，然后减慢。
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三 再结晶温度 1 再结晶与相变的区别 共同点：①形核-长大过程；
②都使组织形态发生了彻底改变； ③转变动力学也有固态相变特点。 区别： ①再结晶前后各晶粒的点阵结构类型和成分都 未变化。 ②再结晶温度不像结晶那样有确定的转变温度。
流线的应用：流线的分布形态与零件的几何外 形一致并在零件内部封闭。不在外部露头。
例如曲轴工作时最大应力与流线平行，冲击力 与流线平行，不易断裂。
58
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3 形成带状组织 形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响：各向异性。 消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、 采用高温扩散退火或正火。
带状组织和纤维 组织有何异同
53
动态回复中的组织： （1）也发生多边化(类似静态回复)，形成亚晶。 亚晶在稳定阶段保持等轴状态和恒定尺寸。 （2）动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶， 故仍呈纤维状
亚晶的尺寸受变形速率与变形温度的影响，变形速率 越小，变形温度越高，生成的亚晶尺寸也越大。
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2 动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。
62
第7章 金属的回复与再结晶--8章扩散
性能变化
2/2
原子仅短程扩散
回复 再结晶
原子可长程扩散
晶粒长大
组织变化
强度
塑性
加热温度
图18.冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化
7.1 冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化(2/2) 返回
说明：再结晶阶段的T比回复阶段更高，原子活动能力增大，晶粒的显微组织 开始发生变化，由破碎的晶粒变成完整的晶粒，拉长的纤维状转变成等轴晶 粒 再结晶的变化过程为：
7.3.2热加工对金属组织和性能的影响 返回
1、改善铸态组织： a、可焊合铸锭中的气孔和疏松，部分地消除偏析，使粗大的枝晶、柱状 简言之： 晶和粗大等轴晶粒破碎，并在再结晶中转变为细小均匀的等轴晶粒； b、改善夹杂物、碳化物的形态、大小与分布； 1、消除铸态组织缺陷：通过热加工可使气孔、缩孔大部 c、以上两点提高了材料的致密度和力学性能，如塑性和冲击韧性较铸态 分焊合，铸态疏松被消除，使其力学性能得到提高。 有明显提高。 2、形成热加工纤维组织（流线）：应使流线分布合理。 a、沿变形方向呈纤维状的夹杂物在再结晶时形状不会改变，从而在纵 2、使晶粒细化：提高金属的力学性能。 向 宏观试样上可看到平行的条纹组织，即热加工纤维组织； b、材料的力学性能呈现出各向异性，沿纤维方向（纵向）较垂直于纤 3、形成纤维组织：若纤维流线分布合理，与构件应力方 维 向一致，可大大提高构件的性能。（见 P208上的图7-23） 3、形成带状组织： 方向（横向）具有较高的强度、塑性和韧性。 a、亚共析钢中呈带状分布的夹杂物和某些元素（如P）会成为先共析F 析 4、形成带状组织：它会引起钢材力学性能各向异性。一 出时的位置，使F也呈带状分布，在F两侧是呈带状分布的珠光体。 b、过共析钢中带状组织表现为密集的粒状碳化物条带，是钢锭中的显 般可用热处理方法将带状组织加以消除。 微偏析在热加工变形过程中延伸而成的碳化物富集带。 c、钢的力学性能呈各向异性，特别是使横向、韧性降低。
2/2
原子仅短程扩散
回复 再结晶
原子可长程扩散
晶粒长大
组织变化
强度
塑性
加热温度
图18.冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化
7.1 冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化(2/2) 返回
说明：再结晶阶段的T比回复阶段更高，原子活动能力增大，晶粒的显微组织 开始发生变化，由破碎的晶粒变成完整的晶粒，拉长的纤维状转变成等轴晶 粒 再结晶的变化过程为：
7.3.2热加工对金属组织和性能的影响 返回
1、改善铸态组织： a、可焊合铸锭中的气孔和疏松，部分地消除偏析，使粗大的枝晶、柱状 简言之： 晶和粗大等轴晶粒破碎，并在再结晶中转变为细小均匀的等轴晶粒； b、改善夹杂物、碳化物的形态、大小与分布； 1、消除铸态组织缺陷：通过热加工可使气孔、缩孔大部 c、以上两点提高了材料的致密度和力学性能，如塑性和冲击韧性较铸态 分焊合，铸态疏松被消除，使其力学性能得到提高。 有明显提高。 2、形成热加工纤维组织（流线）：应使流线分布合理。 a、沿变形方向呈纤维状的夹杂物在再结晶时形状不会改变，从而在纵 2、使晶粒细化：提高金属的力学性能。 向 宏观试样上可看到平行的条纹组织，即热加工纤维组织； b、材料的力学性能呈现出各向异性，沿纤维方向（纵向）较垂直于纤 3、形成纤维组织：若纤维流线分布合理，与构件应力方 维 向一致，可大大提高构件的性能。（见 P208上的图7-23） 3、形成带状组织： 方向（横向）具有较高的强度、塑性和韧性。 a、亚共析钢中呈带状分布的夹杂物和某些元素（如P）会成为先共析F 析 4、形成带状组织：它会引起钢材力学性能各向异性。一 出时的位置，使F也呈带状分布，在F两侧是呈带状分布的珠光体。 b、过共析钢中带状组织表现为密集的粒状碳化物条带，是钢锭中的显 般可用热处理方法将带状组织加以消除。 微偏析在热加工变形过程中延伸而成的碳化物富集带。 c、钢的力学性能呈各向异性，特别是使横向、韧性降低。
第七章 金属及合金的回复和再结晶(金属学与热处理崔忠圻课后答案)
第七章金属及合金的回复和再结晶7-1 用冷拔铜丝线制作导线，冷拔之后应如何如理，为什么？答：应采取回复退火（去应力退火）处理：即将冷变形金属加热到再结晶温度以下某一温度，并保温足够时间，然后缓慢冷却到室温的热处理工艺。
原因：铜丝冷拔属于再结晶温度以下的冷变形加工，冷塑性变形会使铜丝产生加工硬化和残留内应力，该残留内应力的存在容易导致铜丝在使用过程中断裂。
因此，应当采用去应力退火使冷拔铜丝在基本上保持加工硬化的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力），改善其塑性和韧性，提高其在使用过程的安全性。
7-2 一块厚纯金属板经冷弯并再结晶退火后，试画出截面上的显微组织示意图。
答：解答此题就是画出金属冷变形后晶粒回复、再结晶和晶粒长大过程示意图（可参考教材P195，图7-1）7-3 已知W、Fe、Cu的熔点分别为3399℃、1538℃和1083℃，试估算其再结晶温度。
答：再结晶温度：通常把经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成超过95%再结晶转变量的温度作为再结晶温度。
1、金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在一经验关系式：T再≈δTm，对于工业纯金属来说：δ值为0.35-0.4，取0.4计算。
2、应当指出，为了消除冷塑性变形加工硬化现象，再结晶退火温度通常要比其最低再结晶温度高出100-200℃。
如上所述取T再=0.4Tm，可得：W再=3399×0.4=1359.6℃Fe再=1538×0.4=615.2℃Cu再=1083×0.4=433.2℃7-4 说明以下概念的本质区别：1、一次再结晶和二次在结晶。
2、再结晶时晶核长大和再结晶后的晶粒长大。
答：一次再结晶和二次在结晶。
定义一次再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度，保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新的等轴晶粒，位错密度显著下降，性能发生显著变化恢复到冷变形前的水平，称为（一次）再结晶。
第七章 金属及合金的回复与再结晶
适当的热加工可以破碎铸锭中的树枝晶，减轻枝晶 偏析，焊合疏松与气孔，改善夹杂物或脆性相的形貌、 大小与分布，提高金属质量与性能。 一、金属的热加工与冷加工 冷、热加工的根本区别是看加工温度在再结晶温度以 上或以下。 故W在1000℃加工属于冷加工，而Pb在室温下加工 也是热加工。
二、动态回复与动态再结晶
G d k N
1
4
※再结晶晶粒大小的控制因素
（一）变形程度 当变形量较小时，再结晶后晶粒比较细小；当变形程度达到一 定值（2~10%）时，再结晶后晶粒尺寸急剧增大，此时的变形量称 为临界变形度；再增加变形量，再结晶后晶粒又变得比较细小
生产中应尽量避免在临界变形度内进行塑性变形加工。
•1）形核：在变形金属中晶格畸变严重、能量较高的地区优先形核 •2）长大：形核后通过原子的扩散和晶界的迁移，逐渐向周围长大 形成了新的等轴晶粒，直到金属内部全部由新的等轴晶粒取代了变
形晶粒之后，再结晶过程结束。
二、再结晶温度及其影响因素
1、再结晶温度 是指较大变形程度的金属（>70%）在1 小时内能够 完成再结晶（或再结晶体积分数>95%）的最低加热温度 。它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗 新晶粒时的温度或以硬度下降50％所对应的温度，定为再 结晶温度。实验表明有如下经验公式：
二、晶粒的反常长大(二次再结晶） 1 反常长大:在一定条件下，某些金属会出现当温度升高 到某一数值时，晶粒会突然反常地长大，温度再升高，晶 粒又趋于减小，这种现象称为晶粒的反常长大或二次再结 晶。二次再结晶不需重新形核。
2 原因: 在再结晶后晶粒长大过程中，只有少数晶粒能优先长大， 而多数晶粒不易长大。出现这种现象的原因 ①冷变形造成形变织构，再结晶退火至一定温度时又形 成了再结晶织构，当形成织构后，各个晶粒的取向趋于一 致，晶粒的位向差很小，晶界不易移动 ②当加入少量杂质形成第二相能强烈钉扎住晶界，阻碍 晶界的移动，晶粒也不会长大。 当加热到高温，某些局部地区的夹杂会发生溶解， 该处的晶粒优先长大，并吞并了周围的晶粒，形成了晶粒 的反常长大。
二、动态回复与动态再结晶
G d k N
1
4
※再结晶晶粒大小的控制因素
（一）变形程度 当变形量较小时，再结晶后晶粒比较细小；当变形程度达到一 定值（2~10%）时，再结晶后晶粒尺寸急剧增大，此时的变形量称 为临界变形度；再增加变形量，再结晶后晶粒又变得比较细小
生产中应尽量避免在临界变形度内进行塑性变形加工。
•1）形核：在变形金属中晶格畸变严重、能量较高的地区优先形核 •2）长大：形核后通过原子的扩散和晶界的迁移，逐渐向周围长大 形成了新的等轴晶粒，直到金属内部全部由新的等轴晶粒取代了变
形晶粒之后，再结晶过程结束。
二、再结晶温度及其影响因素
1、再结晶温度 是指较大变形程度的金属（>70%）在1 小时内能够 完成再结晶（或再结晶体积分数>95%）的最低加热温度 。它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗 新晶粒时的温度或以硬度下降50％所对应的温度，定为再 结晶温度。实验表明有如下经验公式：
二、晶粒的反常长大(二次再结晶） 1 反常长大:在一定条件下，某些金属会出现当温度升高 到某一数值时，晶粒会突然反常地长大，温度再升高，晶 粒又趋于减小，这种现象称为晶粒的反常长大或二次再结 晶。二次再结晶不需重新形核。
2 原因: 在再结晶后晶粒长大过程中，只有少数晶粒能优先长大， 而多数晶粒不易长大。出现这种现象的原因 ①冷变形造成形变织构，再结晶退火至一定温度时又形 成了再结晶织构，当形成织构后，各个晶粒的取向趋于一 致，晶粒的位向差很小，晶界不易移动 ②当加入少量杂质形成第二相能强烈钉扎住晶界，阻碍 晶界的移动，晶粒也不会长大。 当加热到高温，某些局部地区的夹杂会发生溶解， 该处的晶粒优先长大，并吞并了周围的晶粒，形成了晶粒 的反常长大。
金属学与热处理金属性质与合金回复与再结晶
Ms(230℃)为马氏体转变开始温度
M f(-50℃)为马氏体转变终了温度
共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线
第九章 钢的热处理原理
问题： 如将一根直径5mm的热轧钢试样加热到650℃，等
温15s后淬火水中，问等温转变曲线可否用来分析最 后得到的组织？
不能
原因：等温转变曲线是描述过冷奥氏体的转变的。热轧 共析钢加热到650 ℃并未发生奥氏体化。
加热与冷却速度对临界点的影响
第九章 钢的热处理原理
扩散型
固态相变 类型
非扩散型
半扩散型
第九章 钢的热处理原理
1、奥氏体的结构 奥氏体是碳溶于γ-Fe所形成的固溶体。在合金钢中，
除了碳原子外，溶于γ-Fe中的还有合金元素原子。
共析钢奥氏体的形成过程
奥氏体的形成过程
形核 长大 残余渗碳体的溶解
均匀化
金属学与热处理 金属性质和合金的回复与再结晶
典型退火的过程，随着保温时间和延长和温度升高，
可分为和晶粒长大三个阶段。
回复、再结晶的定义及性能变化及应用。
再结晶形核机制
亚晶长大形核 （变形量较大时）
凸出形核:
再结晶温度
：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。
第九章 钢的热处理原理
奥氏体晶粒长大及控制
晶粒度
是表示晶粒大小的一种尺度。是以单位面积内 晶粒的个数或每个晶
本质晶粒度
默认
验刚的代互方指表指相法临在在接，对界某某触即温一钢一时将度条来热的钢以件说处晶加上下，理粒热奥，加大如到奥氏热小果（氏体条。9不体形件3成特0下的±刚别，1长刚0指所大）完得倾明摄成到向，氏，的，度一其晶通，般晶粒常保粒是尺采温边指寸用3界。-奥标5刚小准时实 后粒，钢测，定在氏其1体~奥4化级氏后者体的称晶实为粒本大际质小晶粗。粒晶晶大粒粒小钢度。。在5~8级者称为本质细晶
M f(-50℃)为马氏体转变终了温度
共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线
第九章 钢的热处理原理
问题： 如将一根直径5mm的热轧钢试样加热到650℃，等
温15s后淬火水中，问等温转变曲线可否用来分析最 后得到的组织？
不能
原因：等温转变曲线是描述过冷奥氏体的转变的。热轧 共析钢加热到650 ℃并未发生奥氏体化。
加热与冷却速度对临界点的影响
第九章 钢的热处理原理
扩散型
固态相变 类型
非扩散型
半扩散型
第九章 钢的热处理原理
1、奥氏体的结构 奥氏体是碳溶于γ-Fe所形成的固溶体。在合金钢中，
除了碳原子外，溶于γ-Fe中的还有合金元素原子。
共析钢奥氏体的形成过程
奥氏体的形成过程
形核 长大 残余渗碳体的溶解
均匀化
金属学与热处理 金属性质和合金的回复与再结晶
典型退火的过程，随着保温时间和延长和温度升高，
可分为和晶粒长大三个阶段。
回复、再结晶的定义及性能变化及应用。
再结晶形核机制
亚晶长大形核 （变形量较大时）
凸出形核:
再结晶温度
：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。
第九章 钢的热处理原理
奥氏体晶粒长大及控制
晶粒度
是表示晶粒大小的一种尺度。是以单位面积内 晶粒的个数或每个晶
本质晶粒度
默认
验刚的代互方指表指相法临在在接，对界某某触即温一钢一时将度条来热的钢以件说处晶加上下，理粒热奥，加大如到奥氏热小果（氏体条。9不体形件3成特0下的±刚别，1长刚0指所大）完得倾明摄成到向，氏，的，度一其晶通，般晶粒常保粒是尺采温边指寸用3界。-奥标5刚小准时实 后粒，钢测，定在氏其1体~奥4化级氏后者体的称晶实为粒本大际质小晶粗。粒晶晶大粒粒小钢度。。在5~8级者称为本质细晶
金属学与热处理第七章 金属及合金的回复与再结晶
度后的硬度HV、电阻变化率ΔR/R、密度变化率Δρ/ρ和功率差ΔP
五、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。
第二节 回 复
一、退火温度和时间对回复过程的影响
回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学 显微组织发生改变前（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。通常指冷塑 性变形金属在退火处理时，其组织和性能变化的早 期阶段。
回复机制
冷变形后，晶体中同号的刃型位错处在同一滑移 面时它们的应变能是相加的，可能导致晶格弯曲（见 图7-5a）；而多边化后，上下相邻的两个同号刃型位 错之间的区域内，上面位错的拉应变场正好与下面位 错的压应变场相叠加，互相部分地抵消，从而降低了 系统的应变能（见图7-5b）。
图7-5 多边化前、后刃型位错的排列情况 a）多边化前 b）多边化后
回复机制
图7-6 刃型位错的攀移和 滑移示意图 图7-7 刃型位错攀移示意图
三、亚结构的变化
金属材料经多滑移变形后形成胞状亚结构，胞内位 错密度较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密度很高。 在回复退火阶段，当用光学显微镜观察其显微组织时， 看不到有明显的变化。但当用电子显微镜观察时，则可 看到胞状亚结构发生了显著地变化。图7-8为纯铝多晶 体进行回复退火时亚结构变化的电镜照片。
第七章 金属及合金的回复与再结晶
第一节 形变金属与合金在退火过程 中的变化
第二节 回 复 第三节 再 结 晶 第四节 晶粒长大 第五节 金属的热加工
第一节 程
形变金属与合金在退火过
中的变化
一、显微组织的变化
将塑性变形后的金属材料加热到0.5Tm温度附近，
进行保温，随着时间的延长，金属的组织将发生一系 列的变化，这种变化可以分为三个阶段，如图7-1所示。
五、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。
第二节 回 复
一、退火温度和时间对回复过程的影响
回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学 显微组织发生改变前（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。通常指冷塑 性变形金属在退火处理时，其组织和性能变化的早 期阶段。
回复机制
冷变形后，晶体中同号的刃型位错处在同一滑移 面时它们的应变能是相加的，可能导致晶格弯曲（见 图7-5a）；而多边化后，上下相邻的两个同号刃型位 错之间的区域内，上面位错的拉应变场正好与下面位 错的压应变场相叠加，互相部分地抵消，从而降低了 系统的应变能（见图7-5b）。
图7-5 多边化前、后刃型位错的排列情况 a）多边化前 b）多边化后
回复机制
图7-6 刃型位错的攀移和 滑移示意图 图7-7 刃型位错攀移示意图
三、亚结构的变化
金属材料经多滑移变形后形成胞状亚结构，胞内位 错密度较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密度很高。 在回复退火阶段，当用光学显微镜观察其显微组织时， 看不到有明显的变化。但当用电子显微镜观察时，则可 看到胞状亚结构发生了显著地变化。图7-8为纯铝多晶 体进行回复退火时亚结构变化的电镜照片。
第七章 金属及合金的回复与再结晶
第一节 形变金属与合金在退火过程 中的变化
第二节 回 复 第三节 再 结 晶 第四节 晶粒长大 第五节 金属的热加工
第一节 程
形变金属与合金在退火过
中的变化
一、显微组织的变化
将塑性变形后的金属材料加热到0.5Tm温度附近，
进行保温，随着时间的延长，金属的组织将发生一系 列的变化，这种变化可以分为三个阶段，如图7-1所示。
7.金属及合金的回复与再结晶
图 冷变形金属退火时某些性能的变化
第七 章金属及合金的回复与再结晶
硬度的变化 回复阶段的硬度变化很小，而再结晶阶段则 下降较多。
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。
R m r m 0
1 R r 0 m 0
m : 冷变形后的屈服强度
：冷变形后经不同规程回火后的屈服强度
r
：纯铁充分退火后的屈服强度
0
R：屈服应力回复率
1 R：剩余加工硬化分数
第七 章金属及合金的回复与再结晶
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回复过程在加热后立刻 开始，没有孕育期；
t0
回复 t1
再结晶
t2 晶粒长大 t3
冷变形金属组织随加热温度及时间的变化示意图
第七 章金属及合金的回复与再结晶
t2～t3为第Ⅲ阶段，称为晶粒长大:晶粒通过晶界 移动，发生长大，直至达到一种相对稳定的尺寸。 回复和再结晶的驱动力
储存能是变形金属加热时发生回复和再结晶的驱 动力。 储存能: 冷塑变形时，外力所做的功尚有一部分 储存在变形金属的内部，这部分能量叫储存能。
第七 章金属及合金的回复与再结晶
（2）中温回复 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 下位错可以在滑移面上滑移或交滑移，使异号位错相遇相 消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使变形 亚晶规整化。
金属材料及热处理：回复与再结晶
影响再结晶后晶粒的大小的因素
变形量。存在临界变形量，生产中应避免采用 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。变形程度和保温时间一定时，退火温度 越高，所得到的晶粒越粗大。严格控制退火保温
能量存在形式：位错（80～90％）、弹性应变 能（3～12％）和点缺陷
储存能的释放：原子迁移至平衡位置，储存能 得以释放。
储能释放的共同点：
每一曲线都出现一高峰，这个高峰 出现的位置对应于再结晶开始的温
度，在此之前，只发生回复 。
• 在回复阶段，A（纯金属）型曲线储能释放少，C型曲线储 能释放多，B型曲线则介乎二者之间
晶界凸出形核（变形量较小时） 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小(位错密度较高)的方
向
形核机制
a.高层错能金属 即相邻亚晶粒某些边界上的位错，通过
攀移和滑移，转移到这两个亚晶外边的 亚晶界上去，而使这两个亚晶之间的亚 晶界消失，合并成一个大的亚晶。 同时通过原子扩散和相邻亚晶转动，使 两个亚晶的取向变为一致。
中温回复
正负位错的抵销
高温回复
温度>0.5Tm 原子活动能力强，G降低。位错可以攀移、滑移和交
滑移，位错垂直排列形成多边化亚晶粒-多边化。 多变化可以降低弹性畸变能，消除宏观、微观应力。 亚晶略有长大。
攀移形成小角度晶界（多边化）
·
两平行滑移面上异号位 错通过攀移相互抵消
同一滑移面上异号位错攀 移过夹杂物后相互抵消
d ktn , n 1/ 2
k k0 exp(Q / RT )
晶界迁移时，弯曲的晶界总是趋向于平直化，向 曲率中心移动，结果是大晶粒吞食小晶粒而长大
第七章_金属及合金的回复再结晶
0.35TM，对于工业纯金属来讲，经验表明最低再结晶温度
在0.35TM左右，一般再结晶温度用0.4TM来估计。
5.2 影响再结晶后的晶粒尺寸因素
预变形量：在临界变形量(不
同材料不相同，一般金属在2— 10%之间)以下，材料不发生再 结晶，维持原来的晶粒尺寸；在 临界变形量附近，刚能形核，因 核心数量很少而再结晶后的尺寸
力学性能
回复阶段： 强度、硬度略有下降，塑性略有提高。
再结晶阶段： 强度、硬度明显下降，塑性明显提高。
晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降,塑性继续提高，粗化 严重时下降。
物理性能
密 电 度 : 在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高； 阻 ：电阻在回复阶段可明显下降。
形变储能：回复阶段部分释放，再结晶至长大初期完全释放。
1.4 内应力变化
回 复 阶 段： 大部分或全部消除第一类 内应力，部分消除第二、 三类内应力； 再结晶阶段： 内应力可完全消除。
第二节 回 复 （Recovery）
所谓回复，即在加热温度较低时，仅因金属
中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些
晶内的变化。
2.1 回复时组织性能变化
1) 宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；
2) 晶粒长大的动力学
Beck及其同事首先建立了纯金属和单相合金等温退火时 晶粒长大动力学的经验公式：Ｄ＝Ktｎ
其中：t是退火时间，而Ｋ和ｎ是与材料和温度有关的
参量。通常ｎ随退火温度的升高而增大，一般小于0.5， 只有接近熔点时才等于0.5。由此可见纯金属和单相合 金，在较低温退火时，随保温时间的延长，晶粒长大得 较慢。相反，在高温退火时，晶粒长大得较快。
过程和反常的长大过程。
4.1 正常的晶粒长大
第七章 金属及合金的回复与再结晶-3
3. 加热速度 缓慢，则变形金属在加热过程中有足够的时间进行回复， 使储存能减少，再结晶驱动力降低，提高再结晶温度； 极快，也使再结晶温度升高。这是由于再结晶形核与长大都 需要时间，加热速度过快，来不及进行形核与长大，所以推 迟到更高的温度才会发生再结晶。
在一定范围内，增加保温时间，有利于降低再结晶温度
再结晶晶核长大时晶界的移动方向背离曲率中心
亚晶合并形核机制
亚晶界移动形核机制
晶界凸形核机制
28
一 、晶粒的正常长大
（二）晶粒的稳定形状 晶粒稳定形状的两个必要条件 1）所有晶界都是直线 2）晶界间夹角为120° 晶粒的稳定形状
二维坐标中，晶粒边数为6，夹角 为120 ° 的晶粒处于平衡状态。
1
真 应 力
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
亚结构的变化（位错密度）
Ⅰ： 位错密度增加
真应变
图7-27 在热加工温度发生动态 回复时的真应力—真应变曲线特征
Ⅱ： 位错密度继续增加，出现位错缠结
晶粒异常长大过程示意图
32
§7-5 金属的热加工
一、金属的热加工与冷加工 二、动态回复和动态再结晶 三、热加工后的组加工
热加工：在再结晶温度以上的加工过程
冷加工：在再结晶温度以下的加工过程 钨的最低再结晶温度约为1200℃，所以钨即使在稍低 于1200℃的高温下塑性变形仍属于冷加工； 锡的最低再结晶温度约为-7℃，所以锡即使在室温下 塑性变形也属于热加工。 冷塑性变形 （冷加工）
晶界凸形核机制
长大规律：
界面总是向畸变区域推进。 界面移动的方向总是背离其曲率中心。
驱动力： 系统自由能的降低(储存能的释放) 无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差。 再结晶初始晶粒： 再结晶过程刚刚完成时的晶粒大小。
金属学与热处理第七章
第七章金属及合金的回复与再结晶一、形变金属与合金在退火过程中的变化畸变能（晶体缺陷所储存的能量）→驱动力;退火中:回复---再结晶---晶粒长大1、显微组织的变化：导致的原因是畸变能。
2、储存能及内应力的变化3、力学性能的变化4、其他性能的变化5、亚晶粒的尺寸二、回复：冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前(再结晶晶粒形成前)所产生的某些结构和性能的变化。
回复的本质：原子迁移，导致金属内部缺陷减少，储存能下降。
退火温度与时间的影响：温度高，时间长，回复程度高。
亚结构变化：空位、位错的密度降低。
三、回复机制回复过程：空位（低温度）和位错（高温度）的运动，改变了其数量和组态。
回复（再结晶）驱动力：畸变能多边化：冷变形金属加热时，位错滑移和攀移，形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。
攀移：正攀移，负攀移四、再结晶过程：新晶粒出现，位错密度明显降低，性能显著变化。
再结晶与同素异构的异同五、再结晶晶核的形成与长大（亚晶长大形核,晶界凸出形核）六、再结晶温度：经过严重冷变形的金属，在1小时保温内完成再结晶的温度，不是常数。
再结晶温度的影响因素：变形量，金属的纯度，晶粒大小，加热速度等。
七、再结晶晶粒大小的控制：；为形核率；G为长大线速度；K为比例常数。
（一）变形量（二）再结晶退火温度（三）原始晶粒大小（四）合金元素及杂质八、晶粒的长大：正常长大：均匀、连续。
反常长大（二次再结晶）：不均匀、不连续。
九、晶粒的正常长大（一）晶粒长大的驱动力：界面能差。
与界面能成正比，与曲率半径成反比。
（二）晶粒的稳定形状：三个晶粒的晶界交角趋向120度。
（三）影响晶粒大小的因素：温度；杂质及合金元素（阻碍晶界运动）；第二相粒子（阻碍晶界运动.AlN.NbC.VC.TiN.）；相邻晶粒的位向。
十、晶粒的反常长大（二次再结晶）特点：没有新的形核过程。
原因：夹杂物、第二相粒子等对晶粒长大的阻碍和分布不均匀。
十一、再结晶退火后的组织：再结晶退火的目的：降低硬度，提高塑性，改善性能。
第7章 《材料科学》回复与再结晶.
§7.3.1 再结晶的形核及长大
2）亚晶直接长大机制
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，如图所示。
图 亚晶直接长大形核机制
§7.3
再结晶
§7.3.1 再结晶的形核及长大
（3）再结晶晶核的长大
以凸出方式形成的再结晶核心，一旦超过临界半径，便自发向高 畸变能的晶粒中生长；
①回复机制与性能的关系 ----内应力降低:弹性应变基本消除;硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显， 亚晶较细； ----电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低。 ②去应力退火 ----降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。
§7.3
再结晶
§7.3.1 再结晶的形核及长大
（7.4）
说明：与其它热激活过程一样，回复的速度随温度升高而增大。
§7.2 回复
§7.2.2 回复动力学
如果采用两个不同温度将同一冷变形金属的性能回复到同样程度，则有：
§7.2.3 去应力退火
----冷变形金属的回复过程能使内应力得到很大程度的消除，同 时又能保持冷变形强化状态。
回复退火的应用
（3）内应力的变化
①回复阶段：内应力部分消除； ②再结晶阶段：内应力全部消除。
各阶段性能变化示意图
§7.1 冷变形金属在加热时的变化
§7.1.3 储存能的释放
冷变形阶段形成的储存能使金属处于亚稳态，在退火阶段组织和性 能的变化过程既是储存能的释放过程。 储存能是变形金属加热时发生回复与再结晶的驱动力。
特点： ①无孕育期； ②开始变化快，随后变慢； ③长时间处理后，性能趋于一平衡值； ④加热温度越高，回复程度也越高； ⑤变形量越大，初始晶粒尺寸越小， 有助于加快回复速率。
7.金属及合金的回复与再结晶
由于位错运动使其由冷 塑性变形时位错的无序 状态变为垂直分布，形 成亚晶界，这一过程称 多边形化。
图 位错在多边化过程中重新分布
第七 章金属及合金的回复与再结晶
三、亚结构的变化 金属材料经冷塑性变形后，形成胞状亚结构，在 胞内，位错密度较低，在胞壁处则集中着缠结在 一起的位错，位错密度很高。在回复退火阶段， 当用光学显微镜观察其显微组织时，看不到有明 显的变化。但当用电子显微镜观察时，则可看到 胞状亚结构发生了显著地变化。 经短时回复退火后，空位密度大大下降，胞内的 位错向胞壁滑移，与胞璧内的异号位错相抵消， 位错密度有所下降。回复温度越低，变形度越大， 则回复后的亚晶粒尺寸越小。
第七 章金属及合金的回复与再结晶
一、显微组织的变化
金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定状 态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长 时间维持。加热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。
黄 铜
加热温度 ℃
第七 章金属及合金的回复与再结晶
t0～t1为第1阶段，称为回复 ：显微组织几乎不发生变化， 晶粒仍保持变形后的形态。 t1～t2为第Ⅱ阶段，称为再结晶:变形晶粒通过形核和长大， 变为新的等轴晶粒（但不是相变）；
图变形金属退火过程中的能量释放
第七 章金属及合金的回复与再结晶
三、性能的变化规律
随着加热温度高，电阻不 断下降。 金属的电阻与晶体中点缺 陷的密度相关，点缺陷所 引起的晶格畸变会使电子 产生散射，它的散射作用 比位错所引起的更为强烈。 在回复阶段，形变金属中 缺陷密度将有明显地降低。 点缺陷密度的降低，还将 使金属的密度不断增加， 应力蚀倾向显著减小。
第七 章金属及合金的回复与再结晶
第7章 回复和再结晶
第7章回复和再结晶金属发生冷塑性变形后，其组织和性能发生了变化，为了使冷变形金属恢复到冷变形前的状态，需要将其进行加热退火。
为什么将冷变形金属加热到适当的温度能使其恢复到冷变形前的状态呢？因为冷变形金属中储存了部分机械能，使能量升高，处于热力学不稳定的亚稳状态，它有自发向热力学更稳定的低能状态转变的趋势。
然而，在这两种状态之间有一个能量升高的中间状态，成为自发转变的障碍，称势垒。
如果升高温度，金属中的原子获得足够的能量（激活能），就可越过势垒，转变成低能状态。
研究冷变形金属在加热过程中的变化有两种方法。
1）以一定的速度连续加热时发生的变化；2）快速加热到某一温度，在保温过程中发生的变化。
通常采用。
P195图1为将冷变形金属快速加热到0.5T m附近保温时，金相组织随保温时间的变化示意图。
可以将保温过程分三个阶段：1）在光学显微组织发生改变前，称回复阶段；2）等轴晶粒开始产生到变形晶粒刚消失之间，称再结晶阶段；3）晶粒长大阶段。
7-1 回复一、回复的定义冷变形金属加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能的变化称回复。
二、回复对性能的影响内应力降低，电阻降低，硬度和强度下降不多（基本不变）。
三、回复的机制回复的机制根据温度的不同有三种：（一）低温回复机制冷变形金属在较低温度范围就开始回复，主要表现为电阻下降，但机械性能无变化。
由此认为低温回复的机制是：过量点缺陷减少或消失。
（二）中温回复机制温度范围比低温回复稍高。
中温回复的机制是：位错发生滑移，导致位错的重新组合，及异号位错相遇抵消。
发生中温回复时，在电镜组织中，位错组态有变化；但位错密度的下降不明显。
若两个异号位错不在同一滑移面上，在相遇抵消前，要通过攀移或交滑移，这需要更大的激活能，只能在较高的温度才能发生。
（三）高温回复机制发生高温回复时，电镜组织的特征是亚晶粒呈等轴状，即无变形的亚晶粒。
于是，提出了高温回复的多边化机制（P197图5）。
回复、再结晶课件
图7-2 冷变形金属退火时某些性 能的变化
(5) 密度 ： 密度在再结晶阶段发 密度： 生明显增高，除与前期点缺陷数 生明显增高， 目减小有关外， 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。 阶段中位错密度显著降低所致。 (6) 储能的释放：当冷变形金属 储能的释放： 加热到足以引起应力松弛的温度 储能就被释放出来。 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，储能释放曲线的高峰开始出 现对应于再结晶的开始。 现对应于再结晶的开始。
北京航空大学
材料科学基础课件
第七章 回复与再结晶
本章需要掌握的内容： 本章需要掌握的内容： 回复、再结晶、晶粒长大的过程与机制； 回复、再结晶、晶粒长大的过程与机制；金属 的热变形。 的热变形。
金属材料经塑性变形后，畸变能升高， 金属材料经塑性变形后，畸变能升高，使其处于热 力学不稳定的高自由能状态。因此， 力学不稳定的高自由能状态。因此，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。 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 回复、 等过程。 金属加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。
第三节 再结晶
冷变形金属加热到一定温度后， 冷变形金属加热到一定温度后，在原变形组织中产生了 无畸变的新晶粒， 无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到 变形前的状况，这个过程称之为再结晶。 变形前的状况，这个过程称之为再结晶。与前述回复的 变化不同，再结晶是一个显微组织重新改组的过程。 变化不同，再结晶是一个显微组织重新改组的过程。 再结晶的驱动力是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 相当于变形总储能的90％ 。 存能 相当于变形总储能的 ％ )。 通过再结晶退火可以 消除冷加工的影响。在实际生产中起着重要作用。 消除冷加工的影响。在实际生产中起着重要作用。
金属学与热处理第七章回复与再结晶
•（e）580ºC保温15分后的金相组织。晶粒已有所长大。 •（f）在700ºC保温10分后晶粒长大的情形。
• 退火时，由于温度升高原子的能动性增加，即原子的扩散能力提
高，而回复阶段只是消除了由于冷加工应变能产生的残余内应力， 大部分应变能仍然存在，变形的晶粒仍未恢复原状。
• 所以，随着保温时间加长，新的晶粒核心便开始形成并长大成小的 等轴晶粒，这就是再结晶（recrystallization）的开始。随着保温时 间的加长或温度的升高，再结晶部分愈来愈多，直到原来的晶粒全 部被新的小晶粒所代替。
恢复再结晶的驱动力：塑性变形后的储存能
7－1 冷变形金属在加热时的组织和性能变 化
随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再结晶、晶粒长大。 回复（recovery）—在较低加热温度时，变形后金属的光学显微组织
发生改变前，所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 再结晶（recrystallization）—经回复后的变形金属，在加热时，纤
一些金属的再结晶温度
(三) 影响再结晶温度的因素
1.变形程度：变形度增大、开始TR下降，等温退火再结晶速度越快； 而大到一定程度，TR趋于稳定。（储存能高）。变形量小到一定程 度不发生再结晶。
2.原始晶粒尺寸：其它条件相同时，金属原始晶粒细小，则TR越低， 同时形核率和长大速度均增加，有利于再结晶。（晶粒越细小，变形
4.变形温度：变形T升高，回复程度越大，变形储存能越低， 晶粒粗化。
5.加热温度、保温时间：加热温度越高、保温时间越长，晶粒 越大。
加热温度与晶粒尺寸
7-4. 晶粒长大
再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小(等轴晶)，若继续 升温或延长保温时间，晶粒会继续长大。晶粒长大是一个自 发过程。晶粒长大的驱动力来自总的界面能的降低。
金属学与热处理7.金属及合金的回复与结晶(下)
本章知识结构
形变金属在退火过程中的变化 回复
再结晶 晶粒长大 金属的热加工
1
显微组织的变化
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。
2
性能的变化
（1）强度和硬度 （2）电阻 （3）密度 （4）内应力 （5）储存能变化
黄铜再结晶终了的晶粒尺寸和
再结晶前冷加工变形量的关系 30
（3） 随ε ，T再；但当ε大到一定值后，T再趋于一稳定值。
不同变形状态的铜的再结 晶温度随变形量的变化
不同原始晶粒尺寸的铜经93% 变形量冷轧后在225 ℃退火
（４）原始d0，要获得相同的T再的ε越大。
31
（５）Tdef，要获得相同程度的应变硬化所需的ε 。
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。
变形量与再结晶后晶粒尺寸的关系 18
➢ 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.
这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再 结晶。
再结晶也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。
9
晶核的形成
晶界凸出形核（变形量较小时,<20%） 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向。
晶界弓出形核
10
亚晶长大形核机制 （变形量较大时） ➢ 亚晶合并形核
形变金属在退火过程中的变化 回复
再结晶 晶粒长大 金属的热加工
1
显微组织的变化
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。
2
性能的变化
（1）强度和硬度 （2）电阻 （3）密度 （4）内应力 （5）储存能变化
黄铜再结晶终了的晶粒尺寸和
再结晶前冷加工变形量的关系 30
（3） 随ε ，T再；但当ε大到一定值后，T再趋于一稳定值。
不同变形状态的铜的再结 晶温度随变形量的变化
不同原始晶粒尺寸的铜经93% 变形量冷轧后在225 ℃退火
（４）原始d0，要获得相同的T再的ε越大。
31
（５）Tdef，要获得相同程度的应变硬化所需的ε 。
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。
变形量与再结晶后晶粒尺寸的关系 18
➢ 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.
这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再 结晶。
再结晶也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。
9
晶核的形成
晶界凸出形核（变形量较小时,<20%） 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向。
晶界弓出形核
10
亚晶长大形核机制 （变形量较大时） ➢ 亚晶合并形核
回复与再结晶
第七章回复与再结晶重点与难点内容提要：晶体在外力的作用下发生形变.当外力较小时形变是弹性的,即卸载后形变也随之消失.这种可恢复的变形就称为弹性变形.但是,当外加应力超过一定值(即屈服极限)时,卸载后变形就不能完全消失,而会留下一定的残余变形或永久变形.这种不可恢复的变形就称为塑性变形.晶体的弹性和材料的微观组织(或结构)关系不大,而晶体的塑性(和强度)则对微观组织(结构)十分敏感.本章的重点时讨论单晶体的塑性变形方式和规律,并在此基础上讨论多晶体和合金的塑性变形特点及位错机制,以便认识材料强韧化的本质和方法,合理使用,研制开发新材料.从微观上看,单晶体塑性变形的基本方法有两种:滑移和孪生.滑移和孪生都是剪应变,即在剪应力作用下晶体的一部分相对与另一部分沿着特定的晶面和晶向发生滑移.在滑移时,改特定晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向,一个滑移面和位于该面上的一个滑移方向便组成一个滑移系统.类似的,在孪生时,该特定晶面和晶向分别称为孪生面和孪生方向,一个孪生面和位于该面上的一个孪生方向组成一个孪生系统.多晶体及合金的塑性变形,其基本方式也是滑移和孪生.不过,也各有其特点,如多晶体变形时,就会受晶粒取向及晶界的影响;而合金变形时还会受到第二相的影响.陶瓷晶体的塑性变形与金属不同.除了与结合键(共价键、离子键)的本性有关外,还与陶瓷晶体中的滑移多少、位错的柏氏矢量大有关.所以,仅有那些以离子键为主的单晶体陶瓷可以进行较多的塑性变形.许多高聚物在一定的条件下都能屈服,有些高聚物在屈服之后产生很大的塑性变形,但这与金属材料的屈服现象有着本质上的差别.高聚物的变形受温度的影响很大:在Tg以下,材料是钢硬的,只有弹性变形;在Tg附近,呈粘弹性或皮革状;在Tg以上呈橡胶态;接近Tm时呈粘性流动。
基本要求：(1)熟悉滑移、孪生变形的主要特点;滑移系统及schmid定律(T=σm=Tk)(2)能用位错理论解释晶体的滑移过程,滑移带和滑移线的形成,滑移系的特点;(3)理解加工硬化、细晶强化、弥散强化、固溶强化等产生的原因和它的实际意义;(4)了解聚合物及陶瓷塑性变形的特点;(5)熟悉材料塑性变形后内部组织及性能的变化,这些变化的实际意义;(6)了解屈服现象与应变实效,它对生产有什么危害及如何消除?(7)熟悉下列概念及术语:滑移、滑移线、滑移带、滑移系、滑移面、滑移方向、临界分切应力、多滑移;孪生、孪晶、孪晶面、孪生方向;取向因子、屈服现象、吕德斯带、应变时效、柯氏气团;固溶强化、有序强化、细晶强化、弥散强化、第二相强化;纤维组织、胞状亚结构、位错网络、加工硬化、择优取向、变形织构、内应力.回复、再结晶与晶粒长大是冷变形金属加热过程中经历的基本过程。
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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。
回复退火（又称去应力退火）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。
恢复再结晶的驱动力：塑性变形后的储存能
7－1 冷变形金属在加热时的组织 和性能变化
随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再 结晶、晶粒长大。 回复（recovery）—在较低加热温度时，变形后金属 的光学显微组织发生改变前，所产生的某些亚结 构和性能的变化过程。 再结晶（recrystallization）—经回复后的变形金属， 在加热时，纤维状晶粒通过再结晶核心的形成及 长大，变成无畸变的等轴新晶粒的过程。 晶粒长大（grain growth）— 再结晶后的金属继续加 热时，将使晶粒进一步长大的过程。
(二) 再结晶温度
再结晶温度(recrystallization temperature)： 定义：经严重冷变形（大于 70% ）的金属，在约一小时 的保温时间内能够完成再结晶（大于 95% ）的温度。 用TR(或T再)表示。 一般 TR = δTm ；Tm为熔点 工业纯金属δ＝（0.35～0.40）； 高纯金属 δ＝（0.25～0.35） 下表给出了一些金属的TR 应该注意的是：实际生产时再结晶退火温度要比再结 晶温度高出100－200℃
(2) 亚晶形核
对于变形度较大的金属,再结晶形核往 往采用这种方式。亚晶核核方式有： 1. 亚晶合并机制：在变形度大且具有高层错 能的金属中。 2. 亚晶迁移（boundary migration）机制 （也叫吞并机制）：在变形度大,而层错能 低的金属中。
5、总结：再结晶核心无论以哪种方式形成，一旦形
5.加热温度、保温时间：加热温度越高、保温时 间越长，晶粒越大。
加热温度与晶粒尺寸
7-4. 晶粒长大
再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小 ( 等轴晶 ) ，若继续升温或延长保温时间，晶粒 会继续长大。晶粒长大是一个自发过程。晶粒 长大的驱动力来自总的界面能的降低。 根据再结晶后晶粒长大特点，分为: （ 1 ） 正 常 晶 粒 长 大 （ normal grain growth）:均匀长大 （ 2 ） 异 常 晶 粒 长 大 （ abnormal grain growth）: 不 均 匀 长 大 ， 又 称 二 次 再 结 晶 (secondary recrystallization)；把通常说的 再 结 晶 称 为 一 次 再 结 晶 ( primary recrystallization)。
冷变形金属退火时性能变化
退火温度与黄铜强度、塑性和晶粒大小的关系
7-2 回复
一、回复动力学
从图中可以看出，1)时间一定时，温度越高，经回复后加工硬化残 余量越少，回复越快； 2) 当温度一定时，在前十几分钟，残余加工 硬化减少得快，说明回复速度快，然后随时间的增加而逐渐减慢。
三、回复的机制 (一)
（一）晶粒正常长大
1 . 晶粒长大的方式：长大是通过大晶粒吞食小
晶粒，晶界向曲率中心的方向移动进行的。 2. 驱动力：来源于晶界迁移后体系总的自由能 的降低，即总的，界面能越大，见P210图7－17)。 3. 晶粒大小: 在恒温下发生正常晶粒长大时， 平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大。当 金属中存在阻碍晶界迁移的因素(如杂质)时, 的指数项小于1/2。
1.
(一) 再结晶过程
再结晶过程是形核和长大,但无晶格类型变化。
1. 形核
再结晶晶核是存在于局部高能区域内 , 以多边化形成的亚晶 为基础形核。其形核机制有： (1) 晶界弓出形核 ( 凸出形核机制 ) 对于变形度较小 （<20%）的金属，再结晶核多以这种方式。其形核过程如图， 弓出形核时所需能量条件为：△Es≧2γ/L
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：
一、加热时冷变形金属显微组织发生变化
图7-1
(b)回复阶段,保持原来形状(纤维状) （c) 再结晶阶段,变形晶粒转变为等轴晶粒 (d) 晶粒长大阶段,晶粒尺寸发生变化
黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的照片
（a）黄铜冷加工变形量达到CW＝38％后的显微组织，可 见粗大晶粒内的滑移线。
（b）经过580º C保温3秒后的组织，可见试样上开始出现 白色小的颗粒即再结晶出的新的晶粒
第七章 回复和再结晶
一.冷变形金属在加热时的组织和性能变化 二. 回复 三. 再结晶 四. 晶粒长大 五. 金属的热加工
概述
上一章可知，经塑性变形后的金属其纤维 组织和亚结构均发生变化，同时金属会产生加 工硬化和残余应力，这会使金属的进一步加工 困难。所以冷变形金属需要进行退火，但实际 生产中退火的目的不同，有的需要消除加工硬 化，有的只需要去处内应力而保持加工硬化效 果。所以要研究变形金属加热时的组织及性能 的变化规律。
（c）580º C保温4秒后的金相组织显示有更多新的晶粒出现。 （d）580º C保温8秒后的金相组织，可见粗大的带有滑移线 的晶粒已完全被细小的新晶粒所取代，即完成了再结晶
•（e）580º C保温15分后的金相组织。晶粒已有 所长大。 •（f）在700º C保温10分后晶粒长大的情形。
•
退火时，由于温度升高原子的能动性增加，即原 子的扩散能力提高，而回复阶段只是消除了由于冷 加工应变能产生的残余内应力，大部分应变能仍然 存在，变形的晶粒仍未恢复原状。 • 所以，随着保温时间加长，新的晶粒核心便开始形 成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶 （recrystallization）的开始。随着保温时间的加长 或温度的升高，再结晶部分愈来愈多，直到原来的 晶粒全部被新的小晶粒所代替。 • 进一步保温或升温，新晶粒尺寸开始增大，这就是 晶粒长大现象。 (采自美国GE公司）。
临界变形度：发生再结晶的最小变形度。
晶粒粗大的原因：变形量小→变形不均匀且少量晶粒变 形→再结晶晶核少→晶粒粗大。
2. 原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒 越细，再结晶后的晶粒越小。（晶粒小晶界多， 再结晶形核位置多，形核率高，晶粒细小。） 3.合金元素及杂质：一般起细化作用。一方面增 加变形后的储存能，另一方面阻碍晶界迁移。 4.变形温度：变形T升高，回复程度越大，变形 储存能越低，晶粒粗化。
储存的能量较高，再结晶温度则较低。）
3. 微量溶质原子：其作用一方面以固溶状态存在于金 属中，会产生固溶强化作用，有利于再结晶；另一 方面溶质原子偏聚于位错和晶界处，起阻碍作用。 总体上起阻碍作用，使TR提高。
4. 退火工艺参数：加热速度过于缓慢 TR 上升 （使回复进行的彻底，储存能减少，再结晶 驱动力减少，再结晶温度升高）； 加热速度极快时，TR上升（再结晶形核长大没 有足够时间，使其推迟到更高温度）； 当变形程度和保温时间一定，退火温度 越高，再结晶速度快；在一定范围内延长保 温时间，TR降低。
1. 在保持加工硬化状态下降低内应力，为后续加工 提供可能，同时可减轻工件的翘曲和变形。
2. 降低电阻率。 3. 提高材料耐蚀性。 4. 提高工件使用的安全性。
7-3 再结晶
再结晶是一个显微组织重新改组，变形储 存能充分释放,性能显著变化的过程，其驱动力 为回复后未被释放的变形储存能。再结晶后金属 性能回复到变形前的状态。 2.再结晶与重结晶 相同：均通过形核与长大两个阶段；转变前后成 分不变。 不同点：再结晶前后晶体结构相同，但显微组织 不同；重结晶前后晶格类型不同，如，铁的同素 异构转变为重结晶。
二. 性能变化
1. 力学性能 (1) 硬度（ hardness）和强度（ strength）: 回复阶段 , 变化 不大,再结晶时硬度和强度明显下降。 (2) 塑性 : 回复阶段 , 变化不大 ; 再结晶阶段上升；粗化后下 降。 2. 物理性能 (1) 电阻（resistance）:温度升高，电阻率下降。 (2) 密度（ density）: 回复阶段变化不大，再结晶阶段上升。 3. 内应力:回复阶段宏观应力基本消除完毕 ,而微观应力消除 需再结晶后才能完成 4. 亚晶粒 (sub-grain) 尺寸：回复前期亚晶粒尺寸变化不大， 接近再结晶温度时，尺寸显著增大。 由此可见，储存能释放（release of stored energy）：再 结晶温度对应能量释放高峰。
在退火过程中通过刃型位错的滑移和攀移，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所示。
位错的攀移：位 错沿垂直于滑移 面方向的运动。
图7-5 刃型位错的攀移和滑移示意图
2、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。
（1）空位迁移到金属的自由表面或晶界而消失；
（2）空位与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 1 、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[见图]，
回复退火（又称去应力退火）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。
恢复再结晶的驱动力：塑性变形后的储存能
7－1 冷变形金属在加热时的组织 和性能变化
随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再 结晶、晶粒长大。 回复（recovery）—在较低加热温度时，变形后金属 的光学显微组织发生改变前，所产生的某些亚结 构和性能的变化过程。 再结晶（recrystallization）—经回复后的变形金属， 在加热时，纤维状晶粒通过再结晶核心的形成及 长大，变成无畸变的等轴新晶粒的过程。 晶粒长大（grain growth）— 再结晶后的金属继续加 热时，将使晶粒进一步长大的过程。
(二) 再结晶温度
再结晶温度(recrystallization temperature)： 定义：经严重冷变形（大于 70% ）的金属，在约一小时 的保温时间内能够完成再结晶（大于 95% ）的温度。 用TR(或T再)表示。 一般 TR = δTm ；Tm为熔点 工业纯金属δ＝（0.35～0.40）； 高纯金属 δ＝（0.25～0.35） 下表给出了一些金属的TR 应该注意的是：实际生产时再结晶退火温度要比再结 晶温度高出100－200℃
(2) 亚晶形核
对于变形度较大的金属,再结晶形核往 往采用这种方式。亚晶核核方式有： 1. 亚晶合并机制：在变形度大且具有高层错 能的金属中。 2. 亚晶迁移（boundary migration）机制 （也叫吞并机制）：在变形度大,而层错能 低的金属中。
5、总结：再结晶核心无论以哪种方式形成，一旦形
5.加热温度、保温时间：加热温度越高、保温时 间越长，晶粒越大。
加热温度与晶粒尺寸
7-4. 晶粒长大
再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小 ( 等轴晶 ) ，若继续升温或延长保温时间，晶粒 会继续长大。晶粒长大是一个自发过程。晶粒 长大的驱动力来自总的界面能的降低。 根据再结晶后晶粒长大特点，分为: （ 1 ） 正 常 晶 粒 长 大 （ normal grain growth）:均匀长大 （ 2 ） 异 常 晶 粒 长 大 （ abnormal grain growth）: 不 均 匀 长 大 ， 又 称 二 次 再 结 晶 (secondary recrystallization)；把通常说的 再 结 晶 称 为 一 次 再 结 晶 ( primary recrystallization)。
冷变形金属退火时性能变化
退火温度与黄铜强度、塑性和晶粒大小的关系
7-2 回复
一、回复动力学
从图中可以看出，1)时间一定时，温度越高，经回复后加工硬化残 余量越少，回复越快； 2) 当温度一定时，在前十几分钟，残余加工 硬化减少得快，说明回复速度快，然后随时间的增加而逐渐减慢。
三、回复的机制 (一)
（一）晶粒正常长大
1 . 晶粒长大的方式：长大是通过大晶粒吞食小
晶粒，晶界向曲率中心的方向移动进行的。 2. 驱动力：来源于晶界迁移后体系总的自由能 的降低，即总的，界面能越大，见P210图7－17)。 3. 晶粒大小: 在恒温下发生正常晶粒长大时， 平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大。当 金属中存在阻碍晶界迁移的因素(如杂质)时, 的指数项小于1/2。
1.
(一) 再结晶过程
再结晶过程是形核和长大,但无晶格类型变化。
1. 形核
再结晶晶核是存在于局部高能区域内 , 以多边化形成的亚晶 为基础形核。其形核机制有： (1) 晶界弓出形核 ( 凸出形核机制 ) 对于变形度较小 （<20%）的金属，再结晶核多以这种方式。其形核过程如图， 弓出形核时所需能量条件为：△Es≧2γ/L
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：
一、加热时冷变形金属显微组织发生变化
图7-1
(b)回复阶段,保持原来形状(纤维状) （c) 再结晶阶段,变形晶粒转变为等轴晶粒 (d) 晶粒长大阶段,晶粒尺寸发生变化
黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的照片
（a）黄铜冷加工变形量达到CW＝38％后的显微组织，可 见粗大晶粒内的滑移线。
（b）经过580º C保温3秒后的组织，可见试样上开始出现 白色小的颗粒即再结晶出的新的晶粒
第七章 回复和再结晶
一.冷变形金属在加热时的组织和性能变化 二. 回复 三. 再结晶 四. 晶粒长大 五. 金属的热加工
概述
上一章可知，经塑性变形后的金属其纤维 组织和亚结构均发生变化，同时金属会产生加 工硬化和残余应力，这会使金属的进一步加工 困难。所以冷变形金属需要进行退火，但实际 生产中退火的目的不同，有的需要消除加工硬 化，有的只需要去处内应力而保持加工硬化效 果。所以要研究变形金属加热时的组织及性能 的变化规律。
（c）580º C保温4秒后的金相组织显示有更多新的晶粒出现。 （d）580º C保温8秒后的金相组织，可见粗大的带有滑移线 的晶粒已完全被细小的新晶粒所取代，即完成了再结晶
•（e）580º C保温15分后的金相组织。晶粒已有 所长大。 •（f）在700º C保温10分后晶粒长大的情形。
•
退火时，由于温度升高原子的能动性增加，即原 子的扩散能力提高，而回复阶段只是消除了由于冷 加工应变能产生的残余内应力，大部分应变能仍然 存在，变形的晶粒仍未恢复原状。 • 所以，随着保温时间加长，新的晶粒核心便开始形 成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶 （recrystallization）的开始。随着保温时间的加长 或温度的升高，再结晶部分愈来愈多，直到原来的 晶粒全部被新的小晶粒所代替。 • 进一步保温或升温，新晶粒尺寸开始增大，这就是 晶粒长大现象。 (采自美国GE公司）。
临界变形度：发生再结晶的最小变形度。
晶粒粗大的原因：变形量小→变形不均匀且少量晶粒变 形→再结晶晶核少→晶粒粗大。
2. 原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒 越细，再结晶后的晶粒越小。（晶粒小晶界多， 再结晶形核位置多，形核率高，晶粒细小。） 3.合金元素及杂质：一般起细化作用。一方面增 加变形后的储存能，另一方面阻碍晶界迁移。 4.变形温度：变形T升高，回复程度越大，变形 储存能越低，晶粒粗化。
储存的能量较高，再结晶温度则较低。）
3. 微量溶质原子：其作用一方面以固溶状态存在于金 属中，会产生固溶强化作用，有利于再结晶；另一 方面溶质原子偏聚于位错和晶界处，起阻碍作用。 总体上起阻碍作用，使TR提高。
4. 退火工艺参数：加热速度过于缓慢 TR 上升 （使回复进行的彻底，储存能减少，再结晶 驱动力减少，再结晶温度升高）； 加热速度极快时，TR上升（再结晶形核长大没 有足够时间，使其推迟到更高温度）； 当变形程度和保温时间一定，退火温度 越高，再结晶速度快；在一定范围内延长保 温时间，TR降低。
1. 在保持加工硬化状态下降低内应力，为后续加工 提供可能，同时可减轻工件的翘曲和变形。
2. 降低电阻率。 3. 提高材料耐蚀性。 4. 提高工件使用的安全性。
7-3 再结晶
再结晶是一个显微组织重新改组，变形储 存能充分释放,性能显著变化的过程，其驱动力 为回复后未被释放的变形储存能。再结晶后金属 性能回复到变形前的状态。 2.再结晶与重结晶 相同：均通过形核与长大两个阶段；转变前后成 分不变。 不同点：再结晶前后晶体结构相同，但显微组织 不同；重结晶前后晶格类型不同，如，铁的同素 异构转变为重结晶。
二. 性能变化
1. 力学性能 (1) 硬度（ hardness）和强度（ strength）: 回复阶段 , 变化 不大,再结晶时硬度和强度明显下降。 (2) 塑性 : 回复阶段 , 变化不大 ; 再结晶阶段上升；粗化后下 降。 2. 物理性能 (1) 电阻（resistance）:温度升高，电阻率下降。 (2) 密度（ density）: 回复阶段变化不大，再结晶阶段上升。 3. 内应力:回复阶段宏观应力基本消除完毕 ,而微观应力消除 需再结晶后才能完成 4. 亚晶粒 (sub-grain) 尺寸：回复前期亚晶粒尺寸变化不大， 接近再结晶温度时，尺寸显著增大。 由此可见，储存能释放（release of stored energy）：再 结晶温度对应能量释放高峰。
在退火过程中通过刃型位错的滑移和攀移，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所示。
位错的攀移：位 错沿垂直于滑移 面方向的运动。
图7-5 刃型位错的攀移和滑移示意图
2、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。
（1）空位迁移到金属的自由表面或晶界而消失；
（2）空位与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 1 、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[见图]，