材料科学基础课件第六章金属及合金的回复与再结晶
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如果不进行去应力退火，弹簧尺寸会发生变化。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.3 再结晶
第三节 再结晶（Recrystallization）
二、储存能及内应力的变化
1.储存能的变化
冷变形造成的偏离平衡位置 大、能量较高的原子，在加热 过程中向能量较低的平衡位置 迁移，使内应力得以松弛，储 存能随之逐渐释放出来。
2.残余内应力的变化
在回复阶段，第一类内应力 得到较为充分的消除，第二类 或第三类内应力部分得到消除。
1－纯金属；2－不纯金属；3－合金。
残留75％的加工硬化需要的时间为：
t15 e2200(021073310)00.18分。5 （R =2cal/gmol·K）
同样可以计算出在－50C时回复到残留75％的加工硬化需要约13天。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
二、回复机制
1.低温回复
低温回复是冷变形产生的过量空位消失，点 缺陷密度明显下降的过程。
中温回复是位错主要以滑移方式运动，以及位错发生重新排列，位错密 度略有下降的过程。
回复机制：
①位错滑移，导致位错重新组合排列； ②位于同一滑移面上的异号位错相互吸引，会聚后而互相抵消。 在中温下，处于同一滑移面上的异号位错要实现会聚所需的激活能较小， 可以发生。 不在同一滑移面上的异号位错要会聚而互相抵消，则必须先通过攀移或 交滑移至同一滑移面上才能得以实现。显然这一过程需要更大的激活能， 即需要更高的温度，这在中温下难以发生。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
3.高温回复
高温回复是位错攀移和滑移，发生多边化，使不规则的位错重新分布，形 成稳定的位错网络，构成亚结构，位错密度下降，畸变能显著降低的过程。
回复机制：
多边化（Polygonization）。
多边化过程是一种热激活过程。
多边化前
位错墙
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
多边化后
多边化过程
缠结位错
伸直了的位错
回复前的冷变形状态
回复0.1小时
位错网络
大的稳定网络
回复50小时
回复300小时
经5%冷变形的纯铝在200C回复的亚结构变化
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
四、回复的应用
去应力退火（Stress-relief Annealing）：
将已经加工硬化的金属在较低的温度下加热，使其内应力基本消除，耐 应力腐蚀性提高，同时又保持加工硬化的工艺方法。
一、回复动力学
冷变形金属在恒温下回复时，开 始阶段的性能回复速度最快，然后 随回复量的增加而逐渐减慢。回复 的特征可用下式表达：
dx cx dt
式中，t－加热时间；x－冷变形导
在－50C进行约8%剪切变形的锌单晶， 在不同温度加热后的性能变化
致的性能增量经加热后的残留分数；c－与材料和温度有关的比例常数，由 下式决定：
第六章 金属及合金的回复与再结晶
Chapter 6 Recovery and Recrystallization of Metals and Alloys
主要内容：
冷变形金属在加热时的组织和性能变化 回复 再结晶 晶粒长大 金属的热加工
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
回复机制：
空位与间隙原子的合并
①空位迁移到金属的自由表面或 晶界处而消失；
②空位与间隙原子合并，空位与 间隙原子同时消失；
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。
位错环
空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
2.中温回复
刃位错通过攀移和滑移排列成位错墙
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
三、回复过程中亚结构的变化
经冷变形的金属，显微组织中 形成了胞状亚结构，在胞壁处位 错密度很高。
回复过程中，胞状亚结构发生 显著变化：
①胞壁内位错密度有所下降； ②弯曲的位错逐渐伸直； ③位错缠结逐渐转变成能量较 低的稳定的位错网络； ④胞壁变得较清晰，成为亚晶 界； ⑤位错网络发生分解，并入更 稳定的位错网络中，使亚晶粒聚 合而长大。
举例：
①深冲成形的黄铜弹壳，经260C的去应力退火，充分消除残余内应力， 避免发生应力腐蚀开裂。
如果不进行去应力退火，弹壳在放置一段时间后，由于内应力的作用， 加上外界气氛对晶界的腐蚀，导致发生晶间开裂（称为“季裂”）。
②冷卷弹簧制品，在成型后进行一次250～300C的低温加热，充分消除 残余内应力，稳定尺寸，同时保持其强度和硬度基本不变。
冷变形金属在加热过程中能量的释放
在再结晶阶段，因冷变形造成的残余内应力得以完全消除。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
三、性能的变化
1.回复阶段的变化
硬度和强度略有下降，塑性和韧性 略有提高，电阻率较显著地降低，应 力腐蚀倾向显著减小。
回复阶段位错密度减少有限，但点 缺陷数量明显降低，导致上述性能的 变化。
举例：
采用不同的温度加热冷变形金属使之回复到同样的程度（即残留分数相
同），则所需时间不同。
c0t1eQ /R1T c0t2eQ /R2T或
Q/RT 2
Q( 1 1 )
t e 1
R 273300
e Q/R1T
t e 2
从前图和上式可求得锌单晶的回复激活能Q =20000cal/gmol，锌单晶在
0Ｃ回复到残留75％的加工硬化需要５分钟，则锌单晶在27Ｃ回复到
cc0eQ/RT
式中，Q－回复激活能；R－气体常数；c0－比例常数；T－绝对温度。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
将后式代入前式并积分，以x0表示开始时性能增量的残留分数，则得：
x x0
dxxc0eQ/RT0tdt
或
l nx0 x
c0teQ/RT
回复的速度随温度升高和加热时间的延长而增大。
2.再结晶阶段的变化
硬度和强度显著下降，塑性和韧性 显著提高，电阻率显著地降低。
再结晶阶段位错密度下降明显，点 缺陷继续减少，导致上述性能变化。
冷拉伸变形后的工业纯铜在加 热时性能的变化
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
第二节 回复（Recovery）
回复是冷变形金属在较低温度加热时，在光学显微组织发生改变前所产 生的某些亚结构和性能变化的过程。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.3 再结晶
第三节 再结晶（Recrystallization）
二、储存能及内应力的变化
1.储存能的变化
冷变形造成的偏离平衡位置 大、能量较高的原子，在加热 过程中向能量较低的平衡位置 迁移，使内应力得以松弛，储 存能随之逐渐释放出来。
2.残余内应力的变化
在回复阶段，第一类内应力 得到较为充分的消除，第二类 或第三类内应力部分得到消除。
1－纯金属；2－不纯金属；3－合金。
残留75％的加工硬化需要的时间为：
t15 e2200(021073310)00.18分。5 （R =2cal/gmol·K）
同样可以计算出在－50C时回复到残留75％的加工硬化需要约13天。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
二、回复机制
1.低温回复
低温回复是冷变形产生的过量空位消失，点 缺陷密度明显下降的过程。
中温回复是位错主要以滑移方式运动，以及位错发生重新排列，位错密 度略有下降的过程。
回复机制：
①位错滑移，导致位错重新组合排列； ②位于同一滑移面上的异号位错相互吸引，会聚后而互相抵消。 在中温下，处于同一滑移面上的异号位错要实现会聚所需的激活能较小， 可以发生。 不在同一滑移面上的异号位错要会聚而互相抵消，则必须先通过攀移或 交滑移至同一滑移面上才能得以实现。显然这一过程需要更大的激活能， 即需要更高的温度，这在中温下难以发生。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
3.高温回复
高温回复是位错攀移和滑移，发生多边化，使不规则的位错重新分布，形 成稳定的位错网络，构成亚结构，位错密度下降，畸变能显著降低的过程。
回复机制：
多边化（Polygonization）。
多边化过程是一种热激活过程。
多边化前
位错墙
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
多边化后
多边化过程
缠结位错
伸直了的位错
回复前的冷变形状态
回复0.1小时
位错网络
大的稳定网络
回复50小时
回复300小时
经5%冷变形的纯铝在200C回复的亚结构变化
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
四、回复的应用
去应力退火（Stress-relief Annealing）：
将已经加工硬化的金属在较低的温度下加热，使其内应力基本消除，耐 应力腐蚀性提高，同时又保持加工硬化的工艺方法。
一、回复动力学
冷变形金属在恒温下回复时，开 始阶段的性能回复速度最快，然后 随回复量的增加而逐渐减慢。回复 的特征可用下式表达：
dx cx dt
式中，t－加热时间；x－冷变形导
在－50C进行约8%剪切变形的锌单晶， 在不同温度加热后的性能变化
致的性能增量经加热后的残留分数；c－与材料和温度有关的比例常数，由 下式决定：
第六章 金属及合金的回复与再结晶
Chapter 6 Recovery and Recrystallization of Metals and Alloys
主要内容：
冷变形金属在加热时的组织和性能变化 回复 再结晶 晶粒长大 金属的热加工
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
回复机制：
空位与间隙原子的合并
①空位迁移到金属的自由表面或 晶界处而消失；
②空位与间隙原子合并，空位与 间隙原子同时消失；
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。
位错环
空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
2.中温回复
刃位错通过攀移和滑移排列成位错墙
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
三、回复过程中亚结构的变化
经冷变形的金属，显微组织中 形成了胞状亚结构，在胞壁处位 错密度很高。
回复过程中，胞状亚结构发生 显著变化：
①胞壁内位错密度有所下降； ②弯曲的位错逐渐伸直； ③位错缠结逐渐转变成能量较 低的稳定的位错网络； ④胞壁变得较清晰，成为亚晶 界； ⑤位错网络发生分解，并入更 稳定的位错网络中，使亚晶粒聚 合而长大。
举例：
①深冲成形的黄铜弹壳，经260C的去应力退火，充分消除残余内应力， 避免发生应力腐蚀开裂。
如果不进行去应力退火，弹壳在放置一段时间后，由于内应力的作用， 加上外界气氛对晶界的腐蚀，导致发生晶间开裂（称为“季裂”）。
②冷卷弹簧制品，在成型后进行一次250～300C的低温加热，充分消除 残余内应力，稳定尺寸，同时保持其强度和硬度基本不变。
冷变形金属在加热过程中能量的释放
在再结晶阶段，因冷变形造成的残余内应力得以完全消除。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
三、性能的变化
1.回复阶段的变化
硬度和强度略有下降，塑性和韧性 略有提高，电阻率较显著地降低，应 力腐蚀倾向显著减小。
回复阶段位错密度减少有限，但点 缺陷数量明显降低，导致上述性能的 变化。
举例：
采用不同的温度加热冷变形金属使之回复到同样的程度（即残留分数相
同），则所需时间不同。
c0t1eQ /R1T c0t2eQ /R2T或
Q/RT 2
Q( 1 1 )
t e 1
R 273300
e Q/R1T
t e 2
从前图和上式可求得锌单晶的回复激活能Q =20000cal/gmol，锌单晶在
0Ｃ回复到残留75％的加工硬化需要５分钟，则锌单晶在27Ｃ回复到
cc0eQ/RT
式中，Q－回复激活能；R－气体常数；c0－比例常数；T－绝对温度。
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
将后式代入前式并积分，以x0表示开始时性能增量的残留分数，则得：
x x0
dxxc0eQ/RT0tdt
或
l nx0 x
c0teQ/RT
回复的速度随温度升高和加热时间的延长而增大。
2.再结晶阶段的变化
硬度和强度显著下降，塑性和韧性 显著提高，电阻率显著地降低。
再结晶阶段位错密度下降明显，点 缺陷继续减少，导致上述性能变化。
冷拉伸变形后的工业纯铜在加 热时性能的变化
第六章 金属及合金的回复与再结晶－§6.2 回复
第二节 回复（Recovery）
回复是冷变形金属在较低温度加热时，在光学显微组织发生改变前所产 生的某些亚结构和性能变化的过程。