第七章_金属及合金的回复再结晶

突然移动，高密度一侧的原子转移到位错低的一侧，新
的排列应为无畸变区，这个区域就是再结晶核心。
晶界凸出形核现象在铜、镍、银、铝及 铝-铜合金中曾直接观察到。
3.3 长大
变形晶粒晶界附近的原子移动到新的未变形晶粒上，
从而可以减少变形应变能，新晶粒不断长大到相遇，
最后全部为新晶粒，再结晶完成。
3.3.4 影响再结晶的因素
2) 物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回 到未变形前的水平； 3) 力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的 变化； 4) 光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复， 在电子显微镜下可见到晶粒内部组织的变化。(位错
的胞状组织转变为亚晶)
2.2 回复机制
低温阶段 —点缺陷的迁移和减少, 表现为:
不溶解的第二相 讨 论：
R K r f
R是平衡状态下的晶粒半径，也即是该条件下晶粒长大的极限 尺寸。
晶粒长大的极限尺寸与二相颗粒的半径成正比，与颗粒的体积 分数成反比。
二相颗粒愈细小，数量愈多，则对晶粒长大的阻滞能力愈强。
二相颗粒对晶粒长大的阻碍作用主要取决于其大小和体积分数， 而二相颗粒本身的性质影响相对较小，因为它只影响a值。
I
O’
II
TB
3) 晶界移动的规律
③ 二维坐标中，晶界边数少于6的晶粒（其晶界外凸） 必然逐步缩小乃至消失。而边数大于6的晶粒（晶界
内凹）则逐渐长大。当晶界边数为6时，晶界很平直
且夹角为120o时，则晶界处于稳定状态，不再移动， 要达到这样的平衡状态需要很长的保温时间。 ④ 晶界迁移的速度Ｇ随晶界曲率半径的增大而减小，因 此它随时间而变。Johnson-Mehl公式中假设Ｇ不变是 不符合实际的。
位错，通过滑移和攀移形成 与滑移面垂直的亚晶界的过 程。多边化的驱动力是弹性 应 降低。 变 能 的
3) 多边化。
2.4 回复应用
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
(Recrystallization)
3.1 再结晶的基本过程
冷变形后的金属加热到一定温度或保温足够时间后， 在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，新生成 的晶粒逐渐全部取代塑性变形过的晶粒，位错密度显
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
第七章 金属及合金的回复与再结晶
1. 形变金属材料退火过程中的组织和 性能变化 2. 回复 3. 再结晶 4. 晶粒长大 5. 金属的热加工
形变储能: 弹性应变能(3~12%)
晶格畸变能(80~90%)
退火： 将材料加热到一定温度保持一定时间的热处理
工艺，按目的又可分为去应力退火、成分均匀 化退火等多种。 变形储能使金属内能升高，处于热力学亚稳状态。退火
大到一定尺寸就不再长大了，提高温度晶粒会继续长大。
4) 影响晶界移动的因素
相邻晶粒的位向差
晶界的界面决定于相邻晶粒间的位向差。小角
度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而
驱使界面移动的力又与界面能成正比，因此前 者的迁移速度要小于后者。
4) 影响晶界移动的因素
不溶解的第二相
弥散的第二相质点对于阻碍晶界的运动去重要作用。 当运动的晶界遇到球形(简化起见)第二相质点时， 第二相质点对晶界运动产生阻力。
3.2.1 亚晶粒长大形核机制
亚晶粒长大形核一般在受大变形度的材料中发生。回复阶段，塑性 变形所形成的胞状组织经多变化发展成亚晶，其中亚晶长大形核的 方式有亚晶合并和亚晶界移动两种机制。
a. 亚晶合并机制
相邻亚晶界的位错，通过滑移和攀移转移到周围晶界或亚晶界上，导致
原来亚晶界的消失，最后通过原子扩散和位置的调整，使两个或多个亚
应用实例：灯泡W丝中加ThO2质点；钢中含有Al2O3或AlN质 点、Mg中加入微量Zr，Al中含有MnAl6质点，均可明显阻止加 热时晶粒的长大。
4.3 晶粒的非正常长大
再结晶晶粒通常缓慢均匀长大，但如有少数晶粒处在特别
有利的环境，它们将吞食周围晶粒，迅速长大，这种现象
称为晶粒的异常长大。早期的研究以为异常长大也是形核 和核心的生长过程，因此称为“二次再结晶” 异常长大的实质是一次再结晶后的长大过程中，某些晶粒 的环境特殊而产生的优先长大，不存在再次形核过程。 异常长大导致晶粒分布严重不均，长大后期可能造成材料 晶粒尺寸过大，对材料的性能带来十分不利的影响。
-
空位与间隙原子的相遇而互相中和 空位或间隙原子运动到刃位错处消失，引起位错的攀移 点缺陷运动到界面处消失。
中温阶段:
缠结位错重新组合; 异号位错抵消, 位错密度略有降低。 亚晶粒长大。
多边化 是指冷变形金属加
热时，原来处于滑移面上的
高温回复
1) 位错攀移和位错环缩小； 2) 亚晶粒合并；
变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。
1.2 显微组织变化
回 复 阶 段 ：显微组织仍为纤维状，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
新的无畸变的等轴晶粒。 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。
1.2 显微组织变化
1.3 性能变化
过程中，原子活动能力升高，形变金属就能从亚稳态向
稳态转变，而变形储能则是形变金属退火过程中组织变 化的驱动力。
第一节 冷变形金属在加热时的组 织与性能变化
1.1 回复与再结晶
回 复：冷变形金属较低温加热时，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
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。
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。
3) 晶界移动的规律
① 为降低表面能，弯曲晶界趋于 Ｉ II TC
平直化，即晶界向曲率半径中
心移动以减小表面积。 ② 当三个晶粒相交晶界夹角不等于120o时， 则晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动， 力图使三个夹角趋于相等。其原因是由
III
O
TA
于大角度晶界的表面张力与位向无关，
几乎相等，即TA=TB=TC ，因此三夹角必 须相等各为120o
材料因素
① 原子结合力大，熔点高的材料，再结晶进行较慢； ② 材料的纯度，纯净材料如纯金属，进行较快，而溶 入了其它元素，特别是易在晶界处存在聚集的元素 时，将降低再结晶的速度； ③ 第二相质点特别是呈弥散分布时，将明显降低再结 晶的速度。
3.3.4 影响再结晶的因素
工艺因素
① 加热温度愈高，再结晶速度愈快；
发生再结晶的热力学驱动力是冷塑性变形晶体的畸变能，
也称为储存能。
3.2 再结晶形核
再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试用经
典的形核理论来处理再结晶过程，但计算得到的临
界晶核半径过大，与试验结果不符。 大量实验表明，再结晶晶核总是在塑性变形引起的 最大畸变处形成，并且回复阶段发生的多变化是再 结晶形核的必要准备。
很大，有时甚至可得到单晶；
一般情况随着变形量的增加，再结晶后的晶粒尺寸不断减小； 当变形量过大(>70%)后，可能产生明显织构，在退火温度高时 发生晶粒的异常长大。
5.2 影响再结晶后的晶粒尺寸因素
退火温度和时间：
退火温度高，完成再结晶用 的时间少，长大的时间就长， 所以随退火温度的提高而晶 粒尺寸增大。再结晶退火一
著降低，性能发生显著变化并恢复到冷变形前的水平，
这个过程称为再结晶。再结晶的驱动力也是变形储能 的降低。
冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大来进 行，但再结晶过程不是相变。原因有： 变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因
此它们是属于同一个相。
再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化后可 以发生可逆变化。
过程和反常的长大过程。
4.1 正常的晶粒长大
1) 晶粒长大的动力
晶粒的长大是一自发过程，其驱动力是降低其总界面 能。长大过程中，晶粒变大，则晶界的总面积减小，
总界面能也就减小。
为减小表面能晶粒长大的热力学条件总是满足的，长 大与否还需满足动力学条件，这就是界面的活动性， 温度是影响界面活动性的最主要因素。
晶粒的取向变为一致，合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。
b. 亚晶界移动机制
如上图，晶粒中某些局部位错密度很高的亚晶界向 周边移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再 结晶晶核。
3.2.2 晶界凸出形核机制
金属变形是不均匀的，若晶界两边一个晶粒的位错密度 高，另一个位错密度低，加热时晶界会向密度高的一侧
1) 晶粒长大的动力
两晶粒界面形状如图所示，三维空
间中的任一曲面可用两个主要的曲
率半径（r1、r2）来描述，此时作用 在图中曲面单位面积上的驱动力DP 为： 当曲面为球面时，r1 = r2 =R，则：DP=2s/R。由于晶界向曲 率中心方向（即由凹→凸）移动，晶界总面积缩小，所以晶 粒长大总是与再结晶时晶界移动方向相反。晶界向晶粒 I 边 迁移，会降低自由能，所以自发过程是界面向凹边迁移。
般均采用保温 2小时，
保证再结晶充分完成而晶粒不过分长大，延长保温时间显 然会造成晶粒尺寸的长大。
5.2 影响再结晶后的晶粒尺寸因素
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；
4) 影响晶界移动的因素
可溶解杂质及合金元素
溶质原子都能阻碍晶界移动，特别是晶界偏聚(内吸附)显
著的原子，能有效降低晶界的界面能，拖住晶界使之不易
移动，温度很高时，吸附在晶界的溶质原子被驱散，其拟 制作用减弱乃至消失。
温度：晶界移动速率Ｇ可表示为：G=G0exp(-QG/RT)；
G0为常数，QG为晶界迁移激活能。通常一定温度下晶粒长
② 变形量大，弹性畸变能大，再结晶速度也快。变
形量过小，形变储能不能满足形核的基本要求时，
再结晶就不能发生。发生再结晶需要一定的变形
量，称为临界变形量δC，大多金属材料的临界变 形量在2—10%之间。
第四节 晶粒长大
再结晶刚完成时，得到的是等轴细晶粒 组织。继续提高退火温度或延长保温时 间，就会发生晶粒相互吞并而长大的现 象，晶粒长大包括均匀长大的正常长大
提高表面粗糙度
第五节 再结晶后的组织
再结晶温度
再结晶后的晶粒尺寸
其它组织变化
5. 1 再结晶温度
再结晶并不是只能在固定的温度以上才能发生，而是 温度愈高，转变速度愈快。再结晶温度被定义为在一定时 间内完成再结晶所对应的温度，通常规定在一小时内再结 晶完成95%所对应的温度为再结晶温度。 再结晶温度与材料的类型、纯度有关，而且和材料冷 变形程度也有关。再结晶温度随着变形量的增加而降低， 最终有一下限值，对于高纯金属，再结晶温度约为0.25-
基本条件:
正常晶粒长大过程
被(第二分散相微
粒、织构） 强烈
阻碍。
驱动力：
界面能变化。(不 是重新形核)
4.3 晶粒的非正常长大
钉扎晶界的第二相溶于基体.
机制
பைடு நூலகம்
再结晶织构中位向一致晶粒的合并. 大晶粒吞并小晶粒. 各向异性 优化磁导率 性能不均 降低强度和塑韧性
织构明显 对组织和性能的影响 晶粒粗大