第七章 金属及合金的回复与再结晶
金属及合金的回复与再结晶
金属及合金的回复与再结晶回复：冷变形金属在低温加热时,其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷塑性变形以前的过程。
晶粒仍保持伸长的纤维状.再结晶：冷变形金属被加热到适当温度后,在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐步取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消失的过程。
回复与再结晶的驱动力都是储存能的降低储存能：存在于冷形变金属内部的一小部分（约为10%）变形功.形变温度越低，形变量越大，则储存能越高。
储存能存在形式：弹性应变能（3%-12%）+点阵畸变能点阵畸变能包括点缺陷能和位错能，点缺陷能所占的比例较小，而位错能所占比例较大，约占总储存能的80〜90%。
力学性能的变化在回复阶段:强度、硬度均略有下降，而塑性有所提高.在再结晶阶段：硬度、硬度均显著下降,塑性大大提高.在晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降另外,金属的电阻与晶体中点缺陷的浓度有关。
随着加热温度的升高，变形金属中的点缺陷浓度明显降低，因此在回复和再结晶阶段，电阻均发生了比较明显的变化，电阻不断下降。
此外，点缺陷浓度的降低，应力腐蚀倾向显著减小。
回复过程及其动力学特征回复是指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生变化前所产生的某些亚结构和性能的变化过程.回复的程度是温度和时间的函数.温度越高、回复的程度越大.温度一定时，回复的程度随时间的延长而逐渐增加.但在回复初期，变化较大,随后就逐渐变慢，当达到一个极限值后，回复停止。
回复机制彳氐温回复时，主要涉及空位的运动。
空位可以移至表面、晶界或位错处消失，也可以聚集形成空位对、空位群，还可以与间隙原子相互作用而消失，总之空位运动的结果使空位密度大大减小。
电阻率对空位密度比较敏感，因此其数值会有显著下降。
而力学性能对空位的变化不敏感,没有变化。
中温回复时，主要涉及位错的运动。
由于位错滑移会导致同一滑移面上异号位错合并而相互抵消，位错密度略有下降，但降低幅度不大，力学性能变化不大。
第七章回复再结晶
注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。
3.影响再结晶温度的因素
(1)金属冷加工变形度 变形度δ越大，驱动力越大，发生再结晶的温度越低，当变形度达 到一程度后， 趋于一个最低温度，称为最低再结晶温度，T再min。 经验表明：T再min≈0.4T熔点， (2)金属的纯度 金属中的杂质或合金元素，尤其是高熔点成分的存在，会阻碍原子 的扩散（位错的扩散），因此再结晶温度会提高。纯度越高，再结晶温 度越低。 如：纯铁T再min =450℃；碳钢T再min =500-650℃；合金钢T再min >650700℃ (3)加热速度和保温时间 a、提高加热速度，再结晶温度升高；加热速度太低，再结晶温度也会 升高。 b、延长保温时间，再结晶温度降低 综合上述因素，再结晶退火温度一般为： T再min +100-200℃
5.分散相粒子
当合金中溶质浓度超过其固溶度后，就会形成第二相，多数情 况下，这些第二相为硬脆的化合物，在冷变形过程中，一般不 考虑其变形，所以合金的再结晶也主要发生在基体上。 当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并在颗粒周围 留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗粒周围畸变严重， 促进再结晶，降低再结晶温度； 当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生明显聚集， 因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结晶晶核的长大过 程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作用，因此使得再结晶 过程更加困难，提高再结晶温度。 间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心，促进 再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁移， 阻碍再结晶。
图 变形程度与再结晶温度的关系
3.微量溶质原子
阻碍位错和晶界的运动， 不利于再结晶。
图 合金元素对铁再结晶温度影响
第七章 金属及合金的回复与再结晶
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。
金属及合金的回复与再结晶.pptx
二、动态回复和动态再结晶
热加工的真应力—真应变曲线-2
高应变速率 低应变速率
真 应 力
真应变
图7-28 在热加工温度发生动态 再结晶时的真应力—真应变曲线特征
应力-应变的变化规律
Ⅰ：应力随应变不断增大 Ⅱ：应力达到峰值后下降 Ⅲ： 应力最后稳定状态
一、晶粒的正常长大 二、晶粒的反常长大 三、再结晶退火后的组织
晶粒长大 再结晶结束后，若继续升温或延长保温时间， 晶粒之间互相吞并而长大过程。
长大特征
晶粒的正常长大 ：晶粒均匀连续地长大 晶粒的反常长大 ：晶粒不均匀不连续地长大
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§7-4 晶粒长大 一 、晶粒的正常长大
（一）驱动力：总的界面能的降低 晶粒长大前后总的界面能差
（一）形核
2.晶界凸（弓）出形核机制（变形度较小（<40%） ）
晶界中的某一段向亚晶粒细小、位错密度高的一侧凸出
被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体
晶界凸（弓）出形核机制
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一、再结晶晶核的形成与长大
(二）长大
亚晶合并形核机制 亚晶界移动形核机制
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。
一、再结晶晶核的形成与长大
（一）形核
1.亚晶长大形核机制（变形度较大时） (2) 亚晶界移动形核（图7-10b）
位错密度很高的亚晶界的移动 吞并相邻变形基体和亚晶 再结晶晶核
亚晶界移动形核机制
亚晶长大形核机制的特点：消耗周围的高能区
变形度 高能区 再结晶晶核
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一、再结晶晶核的形成与长大
金属学与热处理金属性质与合金回复与再结晶
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
回复与再结晶
7.3 再结晶
7.3 再结晶
7.3 再结晶
7.3 再结晶
7.3 再结晶
7.3 再结晶
第二相粒子的作用
（1）增加形变储存能而 增缘故。
7.3 再结晶
（2）第二相粒子附近可能作为再结晶形核位置。
大而硬间距宽的第二相粒子，由于形变时粒子附近出现更多 不均匀形变区，这些区域有大的显微取向差，可促进形核。 （Particle Stimulated Nucleation)
7.5 金属的热变形
动态回复引起的软化过程是通过刃型位错的攀移、螺位 错的交滑移，使异号位错对消、位错密度降低的结果。 动态回复中也发生多边化，形成亚晶。层错能较高的金 属如铝合金、纯铁、铁素体钢等热加工时，易发生动态 回复，因这些金属中易发生位错的交滑移及攀移之故。
动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶，故仍呈纤维 状，热变形后迅速冷却，可保留伸长晶粒和等轴亚晶的 组织。在高温较长时间停留，则可发生静态再结晶而使 材料彻底软化。动态回复组织比再结晶组织的强度高， 将动态回复组织保留下来可提高金属的强度，例如热挤 压法生产的建筑用铝镁合金，采用保留动态回复组织的 方法，提高其使用强度。
晶粒正常长大后，各晶粒尺寸的分布仍然是均匀的。
7.4 晶粒长大
7.4 晶粒长大
影响晶粒长大的因素
温度：温度越高，晶粒长大越快，一定温度下，晶粒长大极 限尺寸后不再长大，提高温度长大继续。
杂质与合金元素：吸附于晶界可使界面能下降，降低了界面 移动的驱动力，使晶界不易迁动。
第二相质点：阻碍晶界迁动，使晶粒长大受到抑制。 相邻晶粒的位相差：位相差越大，晶界可动性越高，小角晶
7.3 再结晶
再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度后，在变形 基体中重新生成无畸变的新晶粒的过程。
金属学与热处理第七章 金属及合金的回复与再结晶
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。
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
七章-回复与再结晶习题答案（西北工业大学-刘智恩）
七章-回复与再结晶习题答案（西北⼯业⼤学-刘智恩）1．设计⼀种实验⽅法，确定在⼀定温度( T )下再结晶形核率N和长⼤线速度G （若N和G都随时间⽽变）。
2．⾦属铸件能否通过再结晶退⽕来细化晶粒?3．固态下⽆相变的⾦属及合⾦，如不重熔，能否改变其晶粒⼤⼩?⽤什么⽅法可以改变?4．说明⾦属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长⼤各阶段晶体缺陷的⾏为与表现，并说明各阶段促使这些晶体缺陷运动的驱动⼒是什么。
5．将⼀锲型铜⽚置于间距恒定的两轧辊间轧制，如图7—4所⽰。
(1) 画出此铜⽚经完全再结晶后晶粒⼤⼩沿⽚长⽅向变化的⽰意图；(2) 如果在较低温度退⽕，何处先发⽣再结晶?为什么?6．图7—5⽰出。
—黄铜在再结晶终了的晶粒尺⼨和再结晶前的冷加⼯量之间的关系。
图中曲线表明，三种不同的退⽕温度对晶粒⼤⼩影响不⼤。
这⼀现象与通常所说的“退⽕温度越⾼，退⽕后晶粒越⼤”是否有⽭盾?该如何解释?7．假定再结晶温度被定义为在1 h 内完成95％再结晶的温度，按阿累尼乌斯(Arrhenius)⽅程，N ＝N 0exp(RT Q n -)，G ＝G 0exp(RT Q g -)可以知道，再结晶温度将是G 和向的函数。
(1) 确定再结晶温度与G 0，N 0，Q g ，Q n 的函数关系；(2) 说明N 0，G 0，Q g ，Q 0的意义及其影响因素。
8．为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5％后于650℃退⽕1 h ，组织反⽽粗化；增⼤冷变形量⾄80％，再于650℃退⽕1 h ，仍然得到粗⼤晶粒。
试分析其原因，指出上述⼯艺不合理处，并制定⼀种合理的晶粒细化⼯艺。
9．冷拉铜导线在⽤作架空导线时(要求⼀定的强度)和电灯花导线(要求韧性好)时，应分别采⽤什么样的最终热处理⼯艺才合适?10．试⽐较去应⼒退⽕过程与动态回复过程位错运动有何不同。
从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶? 11．某低碳钢零件要求各向同性，但在热加⼯后形成⽐较明显的带状组织。
金属学与热处理课后习题答案
金属学与热处理课后习题答案Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#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。
≈δTm，对于工业纯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再金属来说：δ值为，取计算。
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℃。
=，可得：如上所述取T再W=3399×=℃再=1538×=℃Fe再Cu=1083×=℃再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：1、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，位错密度显着下降，性能发生显着变化恢复到冷变形前的水平，称为（一次）再结晶。
第七章回复与再结晶
回复、再结晶及晶粒长大阶段中性能的变 化情况
7.2 回复
回复过程3阶段（储存能在回复阶段三个峰值所对应的） 约化温度：表征加热温度的高低，用绝对温标表示的加热温度与其熔点温度之比， TH =T/Tm。
错相遇相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化。
（3）高温回复（ TH >0.5Tm） 高温回复，原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。主要机制是多边化。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，在退火过程中通过刃型位错的攀移和滑移，使同号 刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角的亚晶界，这个过程称为多边化。其驱动力来自应变能的 下降。
位错及晶界处，对位错的运动及晶界的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶的形核与长大，阻碍再结 晶，使再结晶温度升高。 4.原始晶粒尺寸
其他条件相同情况下，晶粒越细，变形抗力越大，冷变形后存储能越多，再结晶温度越低。相同变 形度，晶粒越细，晶界总面积越大，可供形核场所较多，生核率也增大，再结晶速度加快。
5.分散相粒子 分散相粒子直径较大，离子间距较大的情况下，再结晶被促进；而小的粒子尺寸和小的粒子间距，
储存能的释放与性能变化
1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％）变形功。
弹性应变能（3～12％） 2 存在形式 位错（80～90％）
点缺陷
3 储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。
（1）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
第7章 《材料科学》回复与再结晶.
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：
c c0eQ RT
（ 7.2）
式中Q为激活能，R为气体常数(8.31×10-3J/mol·K)，c0为比例常数，T为绝对温度。 将式7.2代入方程7.1中并积分，以x0表示开始时性能增量的残留分数，则得： （ 7.3）
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。
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
§7.2 回复
§7.2.2 回复动力学
回复特征通常可用一级反应方程来表达，即：
再结晶：经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒 的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。
（再结晶是一个显微组织彻底改组、变形储能充分释放、性能显著变化的过程。）
形核的两种方式：晶界凸出形核、亚晶形核。
（1）晶界凸出形核----晶核伸向小位错胞晶粒(畸变能较高域)内
对于变形程度较小的金属（一般小于20%），再结晶晶核往往采用凸出形核机制生 成，如图所示。
※ 注：实际再结晶退火温度一般比上述温度高 100～200℃。 19
§7.3
再结晶
§7.3.4 影响再结晶的因素
（1）退火温度 ----温度越高，再结晶速度越大。 （2） 变形量 ----变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶 温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。 （3） 原始晶粒尺寸 ----晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。 （4） 微量溶质元素 -----阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 （5）第二分散相 ----间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心， 促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶 界迁移，阻碍再结晶。
第七章回复与再结晶
§6-2 回复
回复的定义及特点
1 定义：冷变形后的金属在加热温度不高时，其光学显微组织
未发生明显改变时所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 2 特点：
① 加热T低：T回 = (0.25~0.3)T熔； ② 显微组织无明显变化：仍保留拉长、畸变的晶粒。 ③ 晶粒内部亚结构发生变化（电子显微镜）： a 低温回复，点缺陷↓↓；主要指空位 b 高温回复，位错密度↓ (异号位错的合并；同号位错的规整
拉应力场和压应力场重叠而抵消一部分应变能。P197+9
滑移
攀 移 多边形化前 多边形化后
回复亚晶的形成 ——“多边形化” 过程
缠结 位错
位错 伸直
冷加工态
位错 网络
回复0.1h 大的稳 定网格
回复50h
回复300h
④ 性能变化： HB、ζ 略 ↓ ，δ 、ψ 略↑；
R↓↓；耐腐蚀性提高 原因：晶格畸变↓
热加工实质：是否有再结晶软化过程
衡量依据：T再
例：W 在1000℃非热加工； Sn、Pb 在室温为热加工； 动态回复和 动态再结晶
原晶粒
变形晶粒
所形成的小晶粒
全部新晶粒
残留的变形晶粒
金属在热轧时变形和再结晶的示意图
热加工对组织、性能的影响
热加工：钢材的热锻与热轧 1 消除铸态组织缺陷
⑴ 压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和机械
再结晶应用——再结晶退火
再结晶退火的目的：
① 中间退火：消除加工硬化，有利于进一步冷变形；
如：冷拔铁铬铝电阻丝生产中： 氢气保护再结晶退火 ② 无相变金属的细晶强化(如Al、Cu等)： 冷塑变 + 再结晶退火→细化的再结晶晶粒
再结晶图的应用
第七章 金属及合金的回复与再结晶PPT课件
• 第一节 形变金属与合金在退火过程中的变化 • 储存能(P194)、退火（P194） • 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，如下图。
二、储存能及内应力的变化
• 特点（P206），右图为示 意图。
下图为Fe－Si箔材于1200℃退火后 的组织。
℃
三、再结晶退火后的组织
• （一）再结晶图 • 变形程度越大，则晶
粒越细；而退火温度 越高，则晶粒越粗大。 通常将晶粒大小、变 形程度和退火温度之 间的关系，绘制成立 体图形，称为“再结 晶图”。
• 右图为工业纯铝、工 业纯铁的再结晶图。
• 从图中的各条曲线不难看出，回复的程度是温度和时间的 函数。温度越高，回复的程度越大。当温度一定时，回复 的程度随时间的延长而逐渐增加。
二、回复机制
• 回复是空位和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它 们的数量和组态的过程。
• 在低温回复时，主要涉及到空位的运动，结果使空位的密 度大大减少。
• 在较高温度回复时，主要涉及到位错的运动（下图）。
• （一）变形度 • 变形度对金属再结晶
晶粒大小的影响如右 图。 • 临界变形度（P202）
• （二）再结晶退火温度 • （三）原始晶粒尺寸
• 当变形度一定时，材料的原始晶粒度越细，则再 结晶后的晶粒也越细。（下图）
• （四）合金元素及杂质
第四节 晶粒长大
• 再结晶阶段刚刚结束时，得到的是无畸变的等轴 的再结晶初始晶粒。随着加热温度的升高或保温 时间的延长，晶粒之间就会互相吞并而长大，这 一现象称之为晶粒长大，或聚合再结晶。
第7章回复和再结晶
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）。
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回复:新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段； 再结晶: 出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程； 晶粒长大: 再结晶结束之后晶粒的继续长大现象。
3
§7-1 形变金属在退火过程中的变化
一、显微组织的变化
二、储存能及内应力的变化 三、力学性能的变化
4
§7-1 形变金属在退火过程中的变化
第七章 金属及合金的回复与再结晶
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 形变金属与合金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
形变金属在退火过程中发生的现象
金属发生塑性变形时，外力所做的功，大部分转化为热能， 小部分（变形功的10％）保留在金属内部，变为残留应力。
热能（大部分）
塑性变形功
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
亚结构的变化（位错密度）
Ⅰ： 位错密度增加
Ⅱ： 位错密度继续增加，出现位错缠结
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
24
三、再结晶晶粒大小的控制
2. 再结晶退火温度
T升高，回复的程度越大，储存能少，使晶粒粗化。
3. 原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒越细，d越小。 4.合金元素及杂质
一般都能起细化再结晶晶粒的作用。
25
§7-4 晶粒长大
一、晶粒的正常长大 二、晶粒的反常长大 三、再结晶退火后的组织
晶粒长大
冷变形量为38％的组织
580º C保温3秒后的组织
580º C保温4秒后的组织
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织
700º C保温10分后的组织
§7-1 形变金属在退火过程中的变化
二、储存能及内应力的变化
储存能： 存在于冷变形金属内 部的一小部分变形功
原子活动能力提高，迁移至平衡位置 内应力得以松弛；储存能的释放
动态回复和动态再结晶：加工过程中发生的回复和再结晶； 与变形同时进行的回复和再结晶 P209图7-26动、静态再结晶的示意图
35
二、动态回复和动态再结晶
热加工的真应力—真应变曲线-1
应力-应变的变化规律
Ⅰ： 应力随应变增大
Ⅱ： 均匀塑性变形，发生加工硬化 Ⅲ： 稳定状态，加工硬化为零
1
真 应 力
δ：0.35-0.4
工业纯金属
金属最低再结晶温度与其 熔点之间存在的经验公式
T再≈δT熔
δ：0.25-0.35
T再、T熔均以热力学温度表示
高纯金属
22
实际的再结晶温度= 最低再结晶温度
+（100~200)º C
§7-3 再 二、再结晶温度的影响因素
1. 变形程度
结
晶
变形度大储存能越多，再结晶驱动力大，再结晶温度越低。 变形度很小，再结晶温度趋于熔点 再 再 再 2. 金属纯度 金属的纯度越高，再结晶温度越低 结 结 结 晶 2 1 晶 晶
中温回复：主要涉及位错的运动（滑移） 。
位错密度下降，位错缠结重新排列使亚晶规整化
高温回复：主要涉及位错运动（滑移+攀移）。 多边化： 冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的 位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂
直的亚晶界的过程。
驱动力：储存能的降低
12
二、回复机制
多边化： 冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的 位错，通过滑移和攀移，形成与 晶粒保持纤维状或扁平状，显微组织上几乎不变化 再结晶阶段： 在变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒；随时 间的延长新晶粒不断出现并长大，直到完全改 组为新的、无畸变的细等轴晶粒。 晶粒长大阶段: 新晶粒互相吞食长大，得到稳定的尺寸。
黄 铜
5
黄铜退火过程中各个阶段的金相照片
畸变能
储存能（小部分）
空位能 位错能（80-90%）
弹性应变能（3-12%） 回复 退火 再结晶 晶粒长大
塑性变形后的金属 材料的自由能升高 在热力学上处 于不稳定状态 有自发恢复到变形前 低自由能状态的趋势
提高温度就能实 现恢复低能状态 常温下原子活动能力小 不能发生明显的变化
2
形变金属在退火过程中发生的现象
1 2 3 能 量 的 释 放
再 结 晶
再 再 晶粒出现的温度 结 结 晶 晶
第一批再结晶
回复阶段： 第一类（宏观）内应力 几乎全部被消除
第二类（微观）内应力、 第三类内应力（点阵畸变）部分消除 温度 图7-2 退火过程中的能量释放 1- 纯金属 2- 不纯金属 3- 合金
再结晶阶段：剩余内应力可完全被消除
2
第一批再结晶
1
温度 图7-2 退火过程中的能量释放 1- 纯金属 2-合金
11
合金元素及杂质能够显著 推迟金属的再结晶过程。
§7-2 回 复 二、回复机制
回复的微观行为：是空位和位错在退火过程 中发生运动，从而改变其数量和组态的过程 低温回复：主要涉及空位的运动，使空位密度大大下降。
力学性能对空位不敏感，其值不出现变化
再结晶结束后，若继续升温或延长保温时间， 晶粒之间互相吞并而长大过程。 晶粒的正常长大 ：晶粒均匀连续地长大
长大特征 晶粒的反常长大 ：晶粒不均匀不连续地长大
26
§7-4 晶粒长大 一 、晶粒的正常长大
（一）驱动力： 总的界面能的降低
晶粒细，晶界多，界面能高；
晶粒粗，晶界少，界面能低。 由细到粗（晶粒长大），高能向低能，自发过程。
7
§7-1 形变金属在退火过程中的变化
三、力学性能的变化 回复阶段：
硬度略有下降， 塑性有所提高 位错密度减少有限 冷塑性变形 退火 加工硬化 软化
再结晶阶段：
强度硬度显著降低 塑性大大提高 位错密度显著下降
8
§7-2 回复——退火的早期阶段
定义 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。
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。
21
二、再结晶温度及其影响因素
再结晶温度：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再结晶 （>95%转变量）的温度。 不是一个物理常数 变形程度、材料纯度、退火时间等因素的影响，较大范围内变化
相同点：形核+长大
再结晶和结晶的异同点？
再结晶晶核的形成位置：塑性变形引起的最大畸变处 再结晶晶核的形成必要条件： 回复阶段的多边化过程
17
一、再结晶晶核的形成与长大
（一）形核
1.亚晶长大形核机制（变形度较大时）
（1）亚晶合并形核（图7-10a）
相邻亚晶界上的位错运动 通过原子扩散和位置的调整 转移到周围的晶界或亚晶界上，使原来的亚晶界消失 使两个或更多的亚晶粒的取向变为一致
再结晶晶核
19
一、再结晶晶核的形成与长大
（一）形核 2.晶界凸（弓）出形核机制（变形度较小（<40%） ）
晶界中的某一段向亚晶粒细小、位错密度高的一侧凸出
被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体
晶界凸（弓）出形核机制
20
一、再结晶晶核的形成与长大
(二）长大
亚晶合并形核机制
亚晶界移动形核机制
(a) 10min
(b) 20min
(c) 30min
(d) 60min
喷射沉积7075+3.0%Al2O3铝合金在600℃保温不同时间的组织
30
§7-4 晶粒长大 一 、晶粒的正常长大
（三）影响晶粒长大的因素 （1）温度 （2）杂质与合金元素 （3）第二相质点 （4）相邻晶粒的位向差
晶界的界面能与相邻晶粒的位向差有关， 小角度晶界界面能低，界面移动的驱动力小，晶界移动速度低 大角度晶界界面能高，界面移动的驱动力大，晶界移动速度高
温度
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
晶粒长大前后总的界面能差
驱动力与界面能成正比，与曲率半径成反比
d 曲率＝角度/弧度 k ds
1 ds 曲率半径 k d
27
晶界的界面能越大，曲率半径越小（或曲率越大）,驱动力越大 有曲率，有驱动力
一 、晶粒的正常长大
晶粒正常长大的规律 晶界的移动方向：朝向曲率中心方向 弯曲晶界趋向于平直，降低表面能
10
§7-2 回 复
一、退火温度和时间对回复过程的影响
回复：原子迁移扩散过程, 晶体缺陷数量的减少; 储存能下降。 纯金属和合金在回复阶段 储存能的释放程度不同。 合金在回复阶段释放储存 能的70%，大大降低随后 的再结晶的驱动力。
能 量 的 释 放
再 结 晶
再 再 晶粒出现的温度 结 结 晶 晶
热加工：在再结晶温度以上的加工过程
二、动态回复和动态再结晶
（热加工过程中进行的回复与再结晶） 静态回复和再结晶：静止状态下发生的回复和再结晶
（1）形变中断或终止后的保温过程中发生的回复和再结晶。
（2）形变中断或终止后的冷却过程中发生的回复和再结晶。
（利用加工余热进行退火；冷加工以后发生的回复和再结晶）
一、退火温度和时间对回复过程的影响 二、回复机制 三、亚结构的变化 四、回复退火的应用
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§7-2 回 复