回复与再结晶

第一节 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
一、 回复与再结晶的概念 回复：冷变形金属在低温加热时，其光学显微组织无可见变化，但其物 理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。 再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变 的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。 二 、显微组织变化（示意图） 回复阶段：显微组织仍为变形晶粒(纤维状)，形态无可见变化； 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。
二、 回复机制
1.低温回复（T=0.1－0.3Tm） 点缺陷运动：空位迁移至晶界、位错处而消失；空位与间隙原子 结合而消失； 空位聚集（空位群），然后崩塌成位错环而消失。 2.中温回复 （T=0.3－0.35Tm） 位错滑移：异号位错相遇而抵销、缠结位错重新排列，位错密度 降低。 3.高温回复（T>0.35Tm） 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。 多边化的条件：塑性变形使晶体点阵弯曲、滑移面上有塞积的同 号刃型位错、较高的加热温度使刃型位错产生攀移运动。
六、再结晶后晶粒大小及其控制
晶粒大小－变形量关系图
1.变形量：存在临界变形量(一般约为2%-10%);在临界变形量以下， 不发生再结晶，晶粒尺寸不变；在临界变形量处，再结晶后晶粒 特别粗大（峰值），生产中应避免临界变形量；在临界变形量以 上，随变形量增大，再结晶后晶粒逐渐细化。(d∝（G/N）1/2) 2. 退火温度：退火温度提高，晶粒粗化；退火温度越高，临界变 形度越小，晶粒粗大。 3. 原始晶粒尺寸：原始晶粒越细小，再结晶驱动力越大，再结晶 温度越低，且形核位臵越多，使再结晶后晶粒细化。 七、再结晶的应用-再结晶退火 恢复变形能力、改善显微组织、消除各向异性、提高组织稳定性。
第五节 金属的热变形
三、金属热加工时的应力-应变曲线 特点： （1）曲线起始部分的加工硬化率随变形温度的提高和应 变率的降低而减小； （2）大于一定应变后，加工 硬化效应消失，出现不随应变 而增高的稳定状态的流变应力； （3）在某些情况下(低应变率)，稳定态会 被应力随应变而周期性变化的 波动曲线所代替。 解释：动态回复+动态再结晶 （P211图5.67、P212图5.59）
三、性能变化 1.力学性能（示意图） 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。 2.物理性能 密度 : 在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高； 电阻：电阻在回复阶段可明显下降(因点缺陷减少)。 3.内应力
Q 1 1 ln ln A R t R T
因此，lnt与1/T之间呈线性关系。 特点及规律： 图5.53 有孕育期; 温度越高,变形量越大，孕育期 越短; 在体积分数为50%时速率达最大， 然后减慢。
四、再结晶温度及其影响因素 1. 再结晶温度：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。 (一般，它与金属产生再结晶的实际温度是不一样的！) 理论上再结晶温度为冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。可 以用金相法或硬度法测定（实际上再结晶温度不是个物理常数）。 2.经验公式： 高纯金属：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 注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。 3.影响因素： 变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低（图5.54）； 纯度越高，再结晶温度越低，可能是溶质易于在位错和晶界处偏 聚、对位错运动和晶界迁移起阻碍作用而阻碍再结晶（表5.9）； 加热速度太低（回复充分、储能减小、再结晶驱动力减小）或太 高（各温度下停留时间过短、扩散受抑制而难以再结晶形核与长大）， 再结晶温度提高。
4.影响晶粒长大的因素
(1)温度:温度越高，晶界易迁移，晶粒长大速度加 快，晶粒易粗化(图5.58)。 (2)分散相粒子 :第二相粒子阻碍晶界迁移，降低晶 粒长大速率。 一般，晶粒稳定尺寸 d和第二相质点半径 r、体 积分数f的关系：
d=4r/3f
(3)微量杂质的存在 :“气团”钉扎晶界 ,不利于晶界 移动（图5.61）。 (4)晶粒位向差 :小角度晶界的界面能和扩散系数小 于大角度晶界，因而前者的移动速率低于后者。
金属热加工时的应力-应变曲线
第五节 金属的热变形
四、热加工后的组织与性能 a.改善铸锭组织,焊合气孔、破碎碳化物、细化晶粒（铸态树 枝晶-均匀细小等轴晶）、降低偏析;提高强度、塑性、韧性。 b.形成纤维组织（加工流线）P214图5.72 组织特征：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。 性能：各向异性，沿流线方向塑性和韧性明显提高。 c.形成带状组织 P214图5.73 形成：热加工时两相合金沿变形方向交替地呈带状分布，或 带状偏析被拉长而冷却时因偏析区成分不同转变成不同组织。 影响：各向异性,类似于流线组织。 消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高温扩 散退火或正火处理。 五、热加工的优点 a.可持续大变形量加工; b.动力消耗小; c.提高材料质量和性能（例：吊钩的锻造加工）。
三种再结晶形核方式的示意图
三、再结晶动力学 再结晶是一种热激活过程，再结晶速度v与温度T的关系：
v再 Ae
QR RT
式中：QR为再结晶激活能，R为气体常数，T为绝对温度，A为比例系数。
因再结晶速度v与产生一定量再结晶体积分数所需的时间t成反 Q 比，则： 1 RT
t Ae
R
而边取对数，得：
第五节 金属的热变形
一、金属的热加工 1.加工的分类 冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。 （加工硬化） 热加工：在再结晶温度以上的加工过程。（加工硬化、回复、 再结晶） 2.热加工温度范围：T再<T热加工<T固－100～200℃。 温度 二 、动态回复与动态再结晶（P211） ↙温度、外力 ↓ 1.动态回复：在塑性变形过程中发生的回复。（静态回复) 2.动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。（静态再结晶) 条件：在一定温度和应变率（加载速度）下变形。 特点：反复形核，有限长大，晶粒较细；包含亚晶粒， 位错密度较高,强度、硬度较高。 应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、快的 冷却速度可获得细小的晶粒、优良的综合性能。
三、 回复退火的应用 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。
第三节 再结晶
一、再结晶驱动力 冷变形金属经回复后未被释放的储存能。 二、再结晶过程 再结晶是一种形核和长大过程，即通过在变形组 织的基体上产生新的无畸变再结晶晶核，并通过逐渐 长大形成等轴晶粒，从而取代全部变形组织的过程。 1.形核 a.晶界弓出形核机制：对变形程度较小（＜20％） 的金属，再结晶核心多以晶界弓出方式形成，即应变 诱导晶界移动，晶核伸向小位错胞晶粒内 ( 畸变能较 高区域、亚晶粒小的方向)。 b.亚晶形核机制：一般在大变形度下发生。 以亚晶为再结晶核心，形核机制可分为以下两种： ①亚晶合并机制：亚晶间亚晶界消失，亚晶粗化。 ②亚晶界迁移机制：亚晶界移动吞并相邻形变基体。 2.长大 驱动力：畸变能差。 方式：晶核借界面的移动向周围畸变晶粒扩展 , 至新 晶粒相互接触。 注：再结晶不是相变过程！！
第二节
回复
一、回复动力学（P195） 1.加工硬化残留率与退火温度和时间的关系 回复是一种驰豫过程，金属在恒温下回复时，开始阶段性能恢复 速度快，这种特征通常可用一级反应方程来表达： dx/dt=-cx 式中:t为恒温下的加热时间；x为冷变形导致的性能增量经加热后 的残留分数；c为与材料和温度有关的比例常数。c值与温度的关系具 有典型的热激活过程的特点，可由著名的阿累尼乌斯（Arrhenius）方 程来描述： c=c0exp(-Q/RT) 回复方程：ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT) 式中：x0 –原始加工硬化残留率； x－退火时加工硬化残留率； 问题：激活能 Q的确定方法？ c0－比例常数；t－加热时间； T－加热温度。 2.动力学曲线特点 a.没有孕育期； b.开始回复速率快，随后变慢； c.长时间回复后，性能趋于一平衡值。温度↑,极限值↓,达到时间↓ d.预变形量↑ ，起始的 回复速率↑ ；晶粒尺寸↓ ，回复过程加快。
五、影响再结晶的因素 1.退火温度：加热温度越高，再结晶速度越快。 2.变形量:冷变形量越大，储存能量越高，再结晶驱动力越大，故 再结晶温度越低，再结晶速度越快；但随变形量增大到一定程度， 再结晶温度则趋于稳定，而变形量低于一定值，再结晶不能进行。 3.原始晶粒尺寸:晶粒越细小，变形抗力越高，再结晶驱动力越大； 晶粒越细小，晶界越多，有利于形核，这都会降低再结晶温度， 从而加快再结晶。 4. 微量溶质元素：阻碍位错和晶界的运动，提高再结晶温度，不 利于再结晶。 5.分散相粒子:取决于第二相粒子的大小和分布。间距和直径都较 大（一般＞ 1μm）时，使位错在粒子附近塞积，提高畸变能和变 形抗力，并可作为形核核心，促进再结晶 , 如：钢中的 MnO 夹杂物 可作为再结晶 形核核心；直径和间距很小时，虽也提高畸变能和变 形抗力，但阻碍晶界迁移，从而阻碍再结晶（形核和长大），如： 钢中加入Nb、V形成尺寸很小（＜100nm）的化合物NbC、VC等，会 抑制再结晶形核。
二、晶粒的异常长大 1.异常长大:少数再结晶晶粒的急剧长大现象(不连续长 大或二次再结晶）。 2.基本条件:正常晶粒长大过程被(第二分散相微粒、织 构等）强烈阻碍。 3.驱动力：界面能变化（不重新形核）。 4.机制：钉扎晶界的第二相溶于 基体；再结晶织构中位 向一致的晶粒的合并； 大晶粒吞并小晶粒。 5.对组织和性能的影响 织构明显：各向异性，优化磁导率; 晶粒大小不均:性能不均; 晶粒粗大：降低强度和塑性、韧性， 提高表面粗糙度。