第七章 金属及合金的回复与再结晶

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
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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
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
(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
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§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
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
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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。
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§7-3 再
定义：
结
晶
冷塑性变形后的金属加热到一定温度后，在原来的 变形组织中产生无畸变的新晶粒，而且性能恢复到 变形以前的完全软化状态的过程。
驱动力: 冷变形时所产生的储存能的降低
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§7-3 再
结
晶
注意：再结晶和同素异构转变的异同点 再结晶无晶格类型的变化；不是相变 同素异构转变有晶格类型的变化；固态相变
黄 铜
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
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§7-1 形变金属在退火过程中的变化
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
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
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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
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
一、退火温度和时间对回复过程的影响
温度越高，回复的程度越大 时间越长，回复的程度越大 初期变化较大，随后减慢 到达极限值后，回复停止
图7-4纯铁的屈服强度的回复动力学曲线
对应每一个温度，存在一个回复程度的极限值， 温度越高，极限值越高，到达极限值的时间越短
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
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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
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）
加工硬化
退火时发生回复和再结晶 （软化） 硬化、软化两个 过程同时存在 34
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
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
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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。 边数少于6的晶粒，将逐步缩小 边数大于6的晶粒，将逐渐长大 二维晶粒的稳定形状 29
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4. 保温时间
三、再结晶晶粒大小的控制
再结晶晶粒的平均直径
G
G 14 d k ( ) G 长大线速度 N K 比例常数
形核率 N
N
d
1. 变形度 临界变形度： 对应于得到特别粗大晶粒的变形度
<临界变形度 晶粒尺寸为原始晶粒尺寸
变形度
=临界变形度 晶粒特别粗大 >临界变形度 随变形度增加，晶粒逐渐细化
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
一、显微组织的变化
回复阶段： 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
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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。
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§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
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§7-2 回 复 二、回复机制
多边化使应变能降低
冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积 它们的应变能是相加的，致使晶格弯曲
高温回复过程中，多边化 上下相邻的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，互相部分抵消 降低系统的应变能
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§7-3 再
结
晶
一、再结晶晶核的形成与长大 二、再结晶温度及其影响因素 三、再结晶晶粒长大的控制
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）
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
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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，形成与滑移面垂 直的亚晶界的过程。
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
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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
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§7-4 晶粒长大
二、晶粒的反常长大
二次再结晶 少数晶粒逐步吞食周围大量小晶粒，其尺寸超 过原始晶粒的几十倍或上百倍的晶粒长大过程 特殊条件下的晶粒长大过程
晶粒异常长大过程示意图
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§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、热加工后的组织与性能
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一、金属的热加工与冷加工
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
ABC合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶晶核
亚晶合并形核机制
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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
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
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
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§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。
再结晶晶核
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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
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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
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
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。
Leabharlann Baidu
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。
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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
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
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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