材料科学基础材料的变形和再结晶介绍

对于冷变形较大的晶体，再结晶形核优先地发 生于多边化区域，这些区域就是位错塞积而导致点 阵强烈弯曲的区域。因此，对这类晶体多边化是再 结晶形核的必要准备阶段。再结晶晶核通过亚晶界 的迁动吞并相邻的形变基体和亚晶而生长，或是通 过两亚晶之间亚晶界的消失使两相邻亚晶粒合并而 生长。
再结晶温度 再结晶温度(recrystallization temperature)： 冷变形金属开始进行再结晶最低温度。 测定方法：金相法 硬度法 实际生产上确定方法： 一般TR = （0.35-0.40）Tm
二、回复机制 回复机制随回复退火温度而异，有下面几种。 1.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。表现在因变形而增多的电阻率发生不同 程度的下降，而机械性能基本保持不变。电阻率对 点缺陷很敏感,机械性能对点缺陷不敏感。因此，低 温下回复和金属中点缺陷变化有关。研究结果表明 ：低温回复主要是塑性变形所产生的过量空位消失 的结果。
再结晶后晶粒大小
再结晶晶粒的平均直径 d与形核率及长大速度之间 的关系如：式5.30。 影响再结晶后晶粒大小的因素： 1. 变形程度的影响 变形度很小时，晶粒尺寸为原始晶 粒尺寸；临界变形度（critical deformation degree）εc 时，晶粒特别粗大，一般金属εc =2－8% ;当变形度大 于εc时，随变形度增加，晶粒逐渐细化。 2. 退火温度 T升高，再结晶速度快，εc值变小。 3. 原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒越细，D 越小。 4. 微量溶质原子和杂质元素 一般都能起细化再结晶晶 粒的作用。
二、再结晶的形核与长大 再结晶过程是形核和长大,但无晶格类型变化。 1. 形核 再结晶晶核是现存于局部高能区域内的,以多边 化形成的亚晶为基础形核。其形核机制有： （1）凸出形核机制 对于变形度较小（<20%）的 金属， 以凸出形核机制形核，弓出形核时所需 能量条件为： △Es≧2γ/L
(2) 亚晶形核 对于变形度较大的金属,再结果形核往往采用这 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：在变形度大,而层错 能低的金属中。
3.高温回复 高温回复是指温度在0.3Tm附近的退火过程。 通常称为回复后期。这时，除内应力、电阻率下降 外，主要表现在硬度大幅度下降。一般认为，这一 时期空位和位错进一步消除，发生多边化和亚晶长 大。在高温回复过程中非常重要的一个概念就是： 多边化。
多边化机制 冷变形后的晶体，由于同号刃位错在滑移面上 的塞积而造成点阵弯曲。退火过程中，刃位错通过 滑移和攀移，使同号位错沿垂直于滑移面的方向排 列，从原子排列的效果看，这类似于我们在学习晶 界时学过的小角晶界模型，因此我们把这种整齐排 列的位错结构看成是小角度亚晶界。这一过程被称 为多边化。 多边化的结果就象在变形晶体中产生规则的亚晶粒。 多边化过程进一步进行，两个或更多的亚晶界聚合。 亚晶界合并，即所谓的亚晶粒长大。因为多边化过 程涉及到位错的攀移，因此，多边化在低温下很难 发生。
4.第二相粒子：其作用是两方面的,这主要取决 于分散相粒子大小与分布。第二相粒子尺寸 较大 , 间距较宽（ >1 微米），促进再结晶。 第二相粒子尺寸较小且又密集分布时阻碍再 结晶形成。 5.退火工艺参数：加热速度过于缓慢或极快时， TR上升； 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。
4. 影响因素
(1) 温度 T 升高，晶粒长大速度也越快，越易粗化。 (2) 分散相微粒 当合金中存在第二相微粒时,粒子对 晶界的阻碍作用使晶粒长大速度降低。 利用分散微粒阻碍高温下晶粒的长大，已广泛应用 于金属材料和非金属材料中，如：①钢中加入V、Ti、 Nb等 ,可形成 TiN、TiC、 VC、 NbC、 VN、 NbN等粒 子有效阻碍高温下钢的晶粒长大；②在陶瓷烧结中也 常利用分散相微粒防止晶粒粗化。 （3）晶粒间位向差 一般小角度晶界或具有孪晶结构 的晶界迁移速度很小；大角度晶界迁移速度一般较快。 （4）杂质与微量元素 阻碍晶界的迁移。
一些金属的再结晶温度
影响再结晶的因素
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。 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。 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。
再结晶过程不是相变，它是一种组织变化。再 结晶的形核是如何产生的？ 事实上，再结晶的形核与冷变形程度有关，当 冷变形程度较小(如<20%），一般采用所谓的弓出 形核机制来描述。晶界凸出形核，形核以后，晶粒 凸向亚晶粒小的方向生长。 我们知道再结晶的驱动力是晶体的弹性畸变能 ，因此，预期晶核必然是产生在高畸变能的区域。 晶核的出现对体系的能量有两方面的影响： (1)新晶核形成使得晶体的畸变能降低。 (2)新晶核形成时由于界面的增加而带来界面能 的增加。
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。 再结晶形成的新晶粒仍是原来的晶体结 构，但取向与形变晶粒完全不同。经过再结 晶过程，塑性变形所导致的各种性能的改变 都消失。
1.再结晶的实验规律 (1)、变形量低于临界变形量时，则不能发生 再结晶。 (2)、变形程度越大，再结晶开始的温度越低。 (3)、增加退火时间可以降低再结晶所需要的 温度。 (4)、再结晶最终的晶粒大小主要取决于变形 程度，其次取决于退火温度。一般变形越大， 退火温度越低，晶粒尺寸越小。
变形程度对再结晶晶粒尺寸的影响
加热温度与晶粒尺寸
5.3.4. 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)。
加热时冷变形金属显微组织发生变化
（a）黄铜冷加工变形量达到CW＝38％后 的组织 （b）经580ºC保温3秒后的组织
白色小的颗粒(再结晶出的新的晶粒)
（c）580ºC保温4秒后的金相组织 （d）580ºC保温8秒后的金相组织
完成了再结晶
（e）580ºC保温15分后的金相组织 （f）700ºC保温10分后晶粒长大的的金相组织
空位消失有四种可能的情况： (1) 空 位 迁 移 到 晶 体 的 自 由 表 面 或 界 面 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)空位与位错发生相互作用而消失。 (4)空位聚集成空位盘然后崩塌成位错环而消失。
2.中温回复 进一步升高温度，内应力进一步消除，电阻率 继续下降。这一时期，位错运动而导致部分位错复 合消失(重新组合)。有时，这一时期不明显。
（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，即总的界面能的降低。也即晶界凸侧晶粒 不断长大,凹侧晶粒不断缩小。 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。
回复 一、回复过程 回复是加热退火的第一阶段。回复可以通过两 种不同的热处理方式来实现。 一是从较低的温度连续加热到较高温度，即连 续加热退火。 另一种是在恒定温度下加热保温，即等温退火 。 在回复阶段，冷变形金属中的宏观内应力大部 分消除，而硬度、强度等基本不变。
具体观察到以下几种现象: (1)宏观内应力经过低温加热(一般在200~250℃) 后大部分去除，而微观应力仍然残存。 (2)电阻率降低。 (3)硬度的变化与具体的金属有关，如密排六方 金属Zn，Cd等，在很低的温度甚至是室温，硬度 基本恢复到变形前的水平，而面心、体心等金属如 Cu，Fe在低温时硬度没有明显的变化，直到比较高 的温度时硬度才比较多的下降。 (4) 显微组织，在光学显微镜下观察不到明显的 变化，高温回复时，在电镜下可看到晶粒内的胞状 位错结构转变为亚晶粒。
第五章(III)
回复和再结晶
金属在塑性变形后，无论在结构或性 能上都发生明显地变化。
(1)结构方面 晶粒形状变化——沿变形方向伸长； 晶粒内产亚结构；晶粒择优取向。 (2)性能方面 强度、硬度上升，塑性下降；电阻率 增加；导热性下降；扩散率增加；内应力增加（有 三种类型内应力：宏观内应力、微观内应力、点阵 畸变）。 更重要的是晶体变形后，体系处于热力学上的 高能态，是热力学不稳定的。
再结晶温度与变形量的关系
2.再结晶的开始温度 再结晶过程受温度、时间、变形量、原始晶粒 尺寸等因素影响。要精确判断再结晶的开始温度是 很困难的，通常采用以下几种方法： (1)测量金属退火后 (60分钟 )硬度的变化，将变 化50%时的温度定为再结晶温度。 (2)用金相显微镜观察到出现第一个晶粒时对应 的温度定为再结晶温度。 (3)用X射线观察出现第一个清晰的斑点，将此 时的温度称为再结晶温度。
多边化过程示意图
多边化产生的条件: (1) 塑性变形使晶体点阵发生弯曲。 (2) 在滑移面上有塞积的同号刃型位错。 (3) 需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运 动。
再结晶 一、再结晶的现象 冷变形晶体在回复过程中性能的变化是一个渐 变过程，组织结构没有明显的变化，而进一步提高 退火温度，达到某一临界值，就可以看到力学性能 和物理性能的急剧变化，加工硬化完全消除。性能 可以恢复到冷变形前的状态，显微组织也发生了明 显的改变，由拉长了的纤维状组织变成等轴晶粒。 这个过程就是再结晶。 再结晶是形变金属加热到一定温度后形成新的 无畸变晶粒并消耗掉冷加工的畸变晶粒而形核和长 大的过程。