材料科学基础 冷变形变形金属的回复、再结晶与晶粒长大
材料科学基础@七 回复与再结晶
第二节 再结晶
再结晶:当变形金属被加热到较高温度时，由 于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变 化，被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大， 变成新的均匀、细小的等轴晶粒的过程。
再结晶的驱动力：弹性畸变能的降低
16
再结晶的形核和长大过程
17
再 结 晶 的 形 核 和 长 大 过 程
18
再结晶过程特点
二 再结晶动力学 （1）再结晶速度与温度的关系（热激活过程）
v再＝Aexp(-QR/RT)
（2）规律 开始时再结晶速度很小，在体积分数为50％时 最大，然后减慢。
25
26
三 再结晶温度 1 再结晶与相变的区别 共同点：①形核-长大过程；
②都使组织形态发生了彻底改变； ③转变动力学也有固态相变特点。 区别： ①再结晶前后各晶粒的点阵结构类型和成分都 未变化。 ②再结晶温度不像结晶那样有确定的转变温度。
流线的应用：流线的分布形态与零件的几何外 形一致并在零件内部封闭。不在外部露头。
例如曲轴工作时最大应力与流线平行，冲击力 与流线平行，不易断裂。
58
59
3 形成带状组织 形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响：各向异性。 消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、 采用高温扩散退火或正火。
带状组织和纤维 组织有何异同
53
动态回复中的组织： （1）也发生多边化(类似静态回复)，形成亚晶。 亚晶在稳定阶段保持等轴状态和恒定尺寸。 （2）动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶， 故仍呈纤维状
亚晶的尺寸受变形速率与变形温度的影响，变形速率 越小，变形温度越高，生成的亚晶尺寸也越大。
54
2 动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。
62
材料科学基础-回复与再结晶
3.亚晶界迁移、亚晶长大形核
亚晶迁移机制：层错能较低时，位错密度较大的亚晶界，向位向差较大 的周围亚晶方向迁移，并逐渐转化为大角晶界，成为成核中心并长大
再结晶核心的长大
➢ 长大实质：具有临界曲率半径的大角界面向变形基体迁移 消耗变形基体至全部消失 ➢ 驱动力：新晶粒与周围畸变母体之间的应变能差。低能区 兼并高能区
变形程度（% CW）
临界变形量（度）：给定温度下
发生再结晶需要一个最小变形量 （程度），一般金属约为2~10%
再结晶后晶粒的大小
约翰逊-梅厄方程：
d
常数
×
(
G N
1
)4
d — 再结晶晶粒尺寸；N — 形核率；G — 长大速率
— 变形量的影响：
临界变形度下再结晶得到特别粗大晶粒；变形 量大于临界变形量后，变形越大，晶粒越细小
特征： 1.组织不发生变化； 2.宏观一类应力全部消除，微观二类应力大部分消除； 3.一般力学性能变化不大，某些物理性能有较大变化； 4.变形储能（回复再结晶驱动力）在回复阶段部分释放。
1.低温回复
回复过程机制
主要与空位变化相关
原因：金属中的空位具有平衡浓度，冷变形形成过饱和 空位在低温回复中消失以保持平衡浓度，使能量降低。
再结晶性能变化
— 硬度明显下降：正在消除 加工硬化的影响 — 储能释放明显提高：将释 放90%的变形总储能，用于再 结晶的形核与长大 — 亚晶粒尺寸明显变大：新 的晶粒替代亚晶粒 — 电阻率持续下降：无畸变 新晶粒出现，点缺陷减少
再结晶过程机制
1.晶界弓出形核（应变诱导晶界移动、凸出形核） 特点：变形程度较小时（小于20% CW），晶粒间变形不均匀、位错密度
-
Q RT
冷变形金属的回复、再结晶与长大
根据加热温度不同，发生回复、再结晶及晶粒长大过程，经塑性变形后的金的过程称之为“退火”.回复阶段，从光学显微镜下观察的组织几乎没有变化，晶粒仍是冷变形之后的纤维状；在再结晶阶段，首先是出现新的无畸变的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止；晶粒长大阶段，是在界面能的驱动下，再结晶的新晶粒相互吞并而长大，以获得该温度下更为稳定的晶粒尺寸回复和再结晶的驱动力是内部储存的畸变能（内应力），在回复和再结晶过程中全部释放出来，不同的金属类型，再结晶以前释放的储能不同，从纯金属→不纯金属→合金，储能的释放增加；由于杂质和溶质原子阻碍再结晶的形核和长大，推迟再结晶过程.三个阶段金属的性能变化如图所示：①电阻率在回复阶段就已明显下降，到再结晶时下降更快，最后恢复到变形前的电阻；②强度和硬度在回复阶段下降不多，再结晶开始后硬度急剧下降，降低的规律因金属的种类不同而不同；③内应力在回复阶段明显下降,宏观内应力在回复时可以全部或大部分被消除，微观内应力部分消除；在再结温度以上，微观内应力被全部消除.④材料的密度随退火温度升高而增加.所谓回复是指冷变形金属在加热时，在新的无畸变晶粒出现之前，所产生的亚结构与性能的变化过程.回复动力学研究材料的性能向变形前回复的速率问题：①回复过程没有孕育期；②在一定的温度下，初期的回复速率很高，以后逐渐减慢，直到最后回复的速率为零.③每一个温度的回复过程都有一个极限值，退火温度越高，这个极限值越高，需要时间越短.R为回复时已恢复的加工硬化，σm σr σ0分别为变形后、回复后以及完全退火的屈服应力，R越大，（1-R）越小，表示回复阶段性能恢复程度越大.回复过程的组织变化与回复机制多边形化：金属塑性变形后，滑移面上塞积的同号刃型位错沿原滑移面水平排列，高温时通过滑移和攀移使位错变成沿垂直滑移面的排列，形成所谓的位错墙，每组角度晶界分割晶粒成亚晶，这一过程称为位错的多边形化.只在产生単滑移的晶体中，多边形化过程最典型，多滑移情况下可能存在，更易形成胞状组织.胞状组织的规整化：过剩空位消失，变形胞状组织内的位错被吸引到胞壁，并与胞壁中的异号位错互相抵消位错密度降低，位错变得平直较规整，当回复继续时，胞胞壁中的位错缠结逐渐形成能量较低的位错网，胞壁变薄，单胞有所长大，构成亚晶粒.亚晶粒的合并：可能通过位错的攀移和位错壁的消失，从而导致亚晶转动来完成.去应力退火：冷变形金属经回复后使内应力得到很大程度的消除，同时又能够保持效果，因此回复退火又称为去应力退火.工件中内应力的降低可以避免工件的变形或开裂，②异号位错在热激活作用下相互吸引而抵消③亚晶粒长大；①位错攀移和位错环缩小；②亚晶粒合并；③多边形化；中温回复（0.3-0.5T m ）高温回复（≧0.5T m ）不同温度下对应的回复机制（T 表示熔点）温度回复机制低温回复（0.1-0.3T m ）①点缺陷移至晶界或位错处消失；②点缺陷①缠结中的位错重新排列而构成亚晶；.冷加工”塑性变形后的金属再进行加热仍是冷变形之后的纤维状；在周围的变形基体而长大，直到阶段，是在界面能的驱动粒尺寸的过程.回复和再结晶过程中全部释放金属→不纯金属→合金，储能，推迟再结晶过程.这个极限值越高，需要时间越短.后以及完全越大.沿原滑移面水平排列，高温时，每组位错墙均以小可能存在，更易形成胞状组织.被吸引到胞壁，并与胞壁中的时，胞内几乎无位错，单胞有所长大，构成亚晶粒.导致亚晶转动来完成.够保持冷变形的硬化开裂，并提高其耐腐蚀性.而抵消，位错密度下降；熔点）点缺陷合并；；0σσσσ--=m r m R质原子被吸附在晶界，织；②加工温度范围在速率敏感系数.状；抛光表面没有显示滑移线；，晶粒长大越明显；。
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第10章 回复与再结晶一、选择题1．形变后的材料再升温时发生回复和再结晶现象，则点缺陷浓度下降明显发生在（）。
A．回复阶段B．再结晶阶段C．晶粒长大阶段【答案】A2．晶体长大时如生长速率与动态过冷度成正比，则（）。
A．该晶体与液相的界面为粗糙界面B．该晶体与液相的界面为光滑界面C．该晶体藉螺型位错长大【答案】A3．下面关于对再结晶温度影响的说法中，错误的为（）。
A．冷形变程度越小则再结晶温度越高B．在同样的冷变形程度下，原始晶粒尺寸越小则再结晶温度越低C．第二相粒子分布越弥散则再结晶温度越低【答案】C4．下面关于回复与再结晶机制的差别中，正确的为（）。
A．回复不需要孕育期，而再结晶需要孕育期B．回复不需要激活能，而再结晶需要激活能C．回复不能降低形变态的应变能，而再结晶将降低形变态的应变能【答案】A5．形变后的材料在低温回复阶段时其内部组织发生显著变化的是（）。
A．点缺陷的明显下降B．形成亚晶界C．位错重新运动和分布【答案】A6．再结晶结束后发生晶粒长大时的驱动力主要来自（）。
A．高的外加温度B．高的材料内部应变能C．高的总晶界能【答案】C二、填空题1．结晶过程中晶体界面向液相推移的方式被称为______，与液固界面的微观结构有关。
2．再结晶完成后，晶粒长大可分为______晶粒长大和______晶粒长大。
【答案】正常；异常三、名词解释1．回复答：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改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些结构和性能的变化过程。
2．动态再结晶答：动态再结晶是指再结晶温度以上变形和再结晶同时进行的现象。
3．二次再结晶答：二次再结晶是再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。
四、简答题1．说明冷变形金属加热时回复、再结晶及晶粒长大的过程和特点。
答：（1）回复过程①组织不发生变化，仍保持变形伸长的晶粒形态。
③一般力学性能变化不大，硬度、强度仅稍有降低，塑性稍有提高；某些物理性能有较大变化，电阻率显著降低，密度增大。
冷变形后金属的变化
冷变形后金属的变化
金属在冷变形后，组织和性能会发生一系列变化。
具体来说，随着冷变形程度的增加，金属的强度和硬度会上升，而塑性和韧性会下降。
这是因为在冷变形过程中，金属内
部的晶格结构会发生扭曲，产生大量的晶体缺陷，如位错和畸变，这些缺陷会导致金
属的强化。
同时，由于冷变形过程中金属的晶粒被拉长、破碎和细化，导致金属的塑
性和韧性下降。
此外，冷变形后的金属在加热时，组织和性能也会发生变化。
具体来说，随着温度的
升高，原子扩散能力增加，金属将经历回复、再结晶和晶粒长大等过程。
在回复阶段，金属中的位错和空位等缺陷会重新排列，形成较为稳定的晶格结构，导致金属的力学
性能变化不大，但塑性略有提高。
当温度继续升高，金属将发生再结晶，形成新的等
轴晶粒组织。
在这个过程中，金属的强度和硬度会进一步上升，而塑性和韧性会明显
改善。
金属在冷变形后组织和性能会发生变化，具体变化程度取决于变形程度和加热温度等
因素。
了解这些变化对于材料的加工、选材和应用都具有重要意义。
8材料科学基础课件-第四章回复与再结晶
ln t 如图：
斜率＝Q/R
ln t D Q / RT
或： ln
t1 Q 1 1 ( ) t2 R T1 T2
1 T
由实验斜率可求得Q，据此推算其机制。
返回
一般来讲，激活能Q ln t
不只是一个，常按回复温
度高低分为低温、中温和 高温回复。对应的激活能 为Q1、Q2、Q3。
Q3 Q2
第四章
回复与再结晶
变形金属的热行为
返回
章目录：
4.1 4.2 4.3 4.4 冷变形金属在加热时的变化 回 复
再结晶 再结晶后的晶粒长大
4.5
4.6 4.7
再结晶退火及其组织
金属的热变形 超塑性加工
返回
经冷变形的金属具有如下特点：
• 机械性能和理化性能发生明显变化。强度、硬度升高，塑性韧性下降。
迁移的大角度晶界，成为核心。
• 特点：
（高层错能材料Al，Ni等）
位错易于攀移，位错重排成稳定的亚晶界，胞内位错密度低。
返回
② 亚晶生长
通过亚晶界移动生长，成为大角度晶界。
（低层错能材料，位错难以重组，胞内位错密度高。如 Co、Ag、Cu、Au变量较小时）
A • 作ΔP — T℃曲线如图，能量释放 峰对应于新晶粒的出现 — 再结 0 A — 纯金属，B — 合金
返回
B
T℃
晶，在此之前为回复。
三、性能的变化
经冷变形的金属
缓慢加热，测其性能
的变化，如图所示。
性能急变区对应于新
晶粒的出现，再结晶
之前为回复，之后为
晶粒长大。
返回
总之：由以上变化说明，冷变形金属在加热时要 经历三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。
材科基考点精讲(第8讲 回复与再结晶)
回复与再结晶主讲人：王准网学天地网学天地（ ）版权所有主要内容一、冷变形金属在加热时的组织和性能的变化二、回复过程三、再结晶过程四、晶粒长大过程五、热加工对金属组织和性能的影响网学天地（ ）版权所有一、冷变形金属在加热时的组织和性能的变化回复：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变的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. 回复与再结晶网学天地（ ）版权所有回复阶段：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。
2. 显微组织变化（示意图）网学天地（）版权所有网学天地（ ）版权所有（1）力学性能（示意图）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。
（2）物理性能密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。
3. 性能变化储存能变化（示意图）网学天地（）版权所有网学天地（ ）版权所有5. 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。
网学天地（ ）版权所有二、回复1. 回复过程的特征（1）组织不发生变化，仍保持变形状态伸长的晶粒；（2）变形引起的宏观一类应力全部消失，微观二类应力大部分消除；（3）一般力学性能变化不大；某些物理性能有较大变化，电阻率显著降低，密度增大。
（4）变形储存能在回复阶段部分释放。
网学天地（）版权所有网学天地（ ）版权所有（3）高温回复（>0.5T m ）位错攀移（＋滑移）→位错垂直排列（亚晶界）→多边化（亚晶粒）→弹性畸变能降低。
冷变形金属的回复、再结晶与晶粒长大
30
ductility
20
300 Recovery
RecrystallizatioGnrain Growth
(二)、回复机制
以相对温度表征回复进行程度：
TH=T/Tm T为实际温度， Tm为熔点。
1. 低温回复（0.1<TH<0.3)
期间空位浓度明显降低，两种方式：点缺陷迁移至晶界、 表面、位错处消失；空位与间隙原子相遇而对消。
3. 力学性能：
强度、硬度略减小, 塑性略有提高。
4. 物理性能：
因点缺陷密度降低，电阻率减小、密度增大。
材料的变形与再结晶
回复和再结晶过程中显微硬度下降趋势
Vickers hardness
50
as deformed state (80% rolling reduction)
annealing at 300oC
材料的变形与再结晶
(一)、回复过程的特征 回复定义：
冷变形金属在加热时，在新的无畸变晶粒出现以 前，所产生的亚结构与性能变化的过程。
回复过程的特征：
1. 组织形貌：
光学显微镜下仍是变形组织形态，但高倍显微 镜下观察到胞状位错缠结形成的亚晶。
材料的变形与再结晶
2. 内应力：
宏观残余内应力完全消除，有部分微观残余内应力。
• Effects of cold work are reversed!
tensile strength (MPa) ductility (%EL)
Annealing Temperature (癈)
100 3 00 500
600 tensile strength
700 60
50 5 00
40
山东大学《材料科学基础》讲义第10章 回复与再结晶
第10章回复与再结晶§1 冷变形金属在加热时的变化一、显微组织的变化二、性能的变化（一）力学性能的变化回复阶段：强度、硬度、塑性等力学性能变化不大。
再结晶阶段：随加热温度升高，强度、硬度显著下降，塑性急剧升高。
当晶粒长大时，强度、硬度继续下降，塑性在晶粒严重粗化时，也下降。
（二）物理性能的变化回复阶段：，密度变化不大，电阻明显下降；再结晶阶段：密度急剧升高。
（三）内应力的变化回复阶段，内应力部分消除；再结晶阶段，内应力全部消除。
§2 回复一、回复过程中微观结构的变化机制回复：回复的驱动力：弹性畸变能的降低。
根据回复阶段加热温度及内部结构变化特征、机制不同，将其分为三类：（一）低温回复温度：0.1T m~0.3 T m。
结构变化：主要是点缺陷的运动，空位浓度降低。
（二）中温回复温度：0.3T m~0.5 T m。
结构变化：除点缺陷的运动外，位错也开始运动，位错密度降低。
（三）高温回复温度：≥0.5 T m。
结构变化：位错运动发生多边化，形成亚晶结构；总的应变能下降。
二、回复动力学特点：①无孕育期；②变化速率先快后慢；③最后趋于恒定值。
回复过程的表达式：dx / dt= - cx (c=c0exp(-Q/RT))→ln(x0/x)= c0texp(-Q/RT)。
如果采用两个不同温度将同一冷变形金属的性能回复到同样程度，则有：三、去应力退火§3 再结晶再结晶：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。
一、再结晶的形核及长大形核的两种方式：晶界凸出形核、亚晶形核。
（一）晶界凸出形核变形度较小时，再结晶核心一般以凸出形核方式形成。
如右图所示。
若界面由I向II推进，则：当α>π/2时，晶界可以自发生长，因此，凸出形核所需的能量条件为：ΔE>2σ/ lΔE-单位体积A、B相邻晶粒储存能差；ΔA-增加的晶界面积。
金属在冷和热塑性加工过程中组织和性能变化规律之回复和再结晶
12/27
2.再结晶动力学
（1）再结晶速度与温度的关系：
v Aexp(Q / RT)
（2）特点：再结晶过程有一孕育期，开始速度慢， 然后逐渐增大，在体积分数为50%最大，然后减慢。
再结晶的体积分数/%
时间/min 经98%冷轧的纯铜（质量分数为ωCu=99.999%）在不同温度下的等温再结晶曲线
3.再结晶温度及其影响因素
（1）定义：冷变形金属开始进行再结晶的最 低温度。
经验公式
高纯金属：T再=0.25~0.35Tm 工业纯金属：T再=0.35~0.45Tm 合金：T再=0.4~0.9Tm
注：再结晶退火温度一般比上述温度高 100~200℃
15/27
（2）再结晶温度的影响因素
a. 变形量
13/27
（3）动力学方程表达式
1 2.3R lg A 2.3R lg t
TQ
Q
作1/T~lgt图，直线的斜率为2.3R/Q
（1/T）/×10-3K-1
t(φR为50%所需的时间)/min
经98%冷轧的纯铜（质量分数为ωCu=99.999%）在不同温 度下等温再结晶时的1/T~lgt图
14/27
长大方式
正常长大 异常长大（二次再结晶）
20/27
1.正常长大
（1）定义：再结晶后晶粒的均匀连续长大。
（2）驱动力：界面能差。界面能越大，曲 率半径越小，驱动力越大。
(长大方向是指向曲率中心,而再结晶晶核的 长大方向相反.)
注：由于晶粒长大是通过大角度晶界的迁移
来进行的，因而所有影响晶界迁移的因素均
（2）再结晶：是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步 取代变形晶粒的过程；
（3）晶粒长大：是指再结晶结束之后晶粒的继续 长大。
冷变形金属的回复、再结晶与晶粒长大
冷变形金属的再结晶
I. 重要概念
一、金属的冷变形状态
非均匀变形产生残余内应力； 原等轴晶粒沿变形方向被拉长； 结构缺陷(空位和位错)密度增加； 位错组态和分布发生变化：随形变量增加，位 错增殖→位错缠结→位错胞
二、变形储存能
冷变形所消耗的能量中有百分之几到百分之十 几存在于晶体内部，称为储存能。主要存在于结 构缺陷中。
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶过程
3. 形核方式
(1)晶界弓出形核
• Driving force is the stored energy difference across the grain boundary • For the bulge to grow, the rate of decrease in the stored energy must be greater than the energy increase due to the formation of the new boundary • The critical condition for bulge growth is given by
本节主要内容
I. 再结晶有关概念
tensile strength (MPa)
II. 再结晶过程
一、再结晶的形核 二、再结晶的形核率及长大速率 三、再结晶动力学 四、再结晶温度及晶粒尺寸
40 400 30
ductility
300 R eco v er y
Re cr yst al l iza tio n Gr ain
冷变形金属的再结晶
I. 重要概念
三、静态回复
指冷变形金属加热时，在新的无畸变晶粒出现 以前经历的亚结构及性能变化的过程。回复机制 主要包括位错运动构成低能组态、位错胞转化为 亚晶粒、亚晶合并长大局部形成大位向差晶界等 几个阶段。
【材料科学基础】必考知识点第八章
2020届材料科学基础期末必考知识点总结豆第八章回复与再结晶第一节冷变形金属在加热时的组织与性能变化一回复与再结晶回复：冷变形金属在低温加热时，具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变的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。
二显微组织变化（示意图）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三性能变化1力学性能（示意图）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。
2物理性能密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。
四储存能变化(示意图)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J位错(80〜90%) 1I点缺陷j 是回复与再结晶的驱动力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。
五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。
第二节回复一回复动力学(示意图)1加工硬化残留率与退火温度和时间的关系ln(x o/x)=C o texp(-Q/RT)x o原始加工硬化残留率；X—退火时加工硬化残留率；C0一比例常数；t—加热时间；T—加热温度。
2动力学曲线特点(1)没有孕育期；(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。
3高温回复：位错攀移（+滑移）f 位错垂直排列（亚晶界）+多边化（亚（0.3~0.5Tm ）晶粒）一►弹性畸变能降低。
三回复退火的应用去应力退火：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。
材料科学基础 第七章 形变金属材料的回复与再结晶
三、再结晶温度及其影响因素： 影响再结晶温度高低的因素： （1）冷变形量 （2）纯度 （3）第二相颗粒 （4）晶粒大小 （5）加热速度和保温时间
19
四、控制再结晶晶粒尺寸——预先变形度、再结晶退火温度、原始 晶粒尺寸、合金元素及杂质。
预先变形度对再结晶晶粒尺寸的影响
20
工业纯铝的再结晶晶粒大小与变形量的关系 （再结晶退火温度550℃，保温时间30min） 变形量自左至右依次为：1%、2.5%、4%、6%、8%、10%、12%、15%
晶粒逐渐被吞并到相邻的较大晶粒中。
23
晶粒长大过程的特点：晶界本身趋于平直化，三个晶粒的晶界交角
趋于120º；晶界迁移总是指向其曲率中心方向；随着晶界迁移，小
晶粒逐渐被吞并到相邻的较大晶粒中。
24
25
晶 粒 的 反 常 长 大 （ 二 次 再 结 晶 ）
26
四、再结晶退火/中间退火的应用
1. 冷变形金属材料消除加工硬化——又称中间退 火，以利进一步冷加工； 2.对于无固态相变的金属材料，通过冷塑性变形 并再结晶退火，可获得细小均匀的晶粒； 3. 磁性材料获得高密度的再结晶织构。
31
热加工对金属材料组织和性能的影响——改善铸态组织、 产生纤维组织或带状组织、控制晶粒大小。
32
热加工流线
33
模锻拖钩
切削加工拖钩
34
35
一、显微组织的变化
3
二、形变储存能的降低是形变金属材料回复和再 结晶的驱动力。
4
三、残余应力和性能的变化
5
§7.2 回复
回复——冷变形金属材料加热时，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。
说明金属在冷变形,回复,再结晶及晶粒长大各阶段
金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段一、金属冷变形1. 什么是金属冷变形？金属冷变形是指在室温或较低温度下对金属材料进行塑性加工，以改变其形状或尺寸的过程。
常见的冷变形工艺包括冷拔、冷轧、冷锻等。
2. 冷变形的影响冷变形可以显著提高金属材料的强度和硬度，同时可以改善其力学性能和组织结构。
但冷变形也会导致金属材料产生晶界滑移、位错堆积、析出等微观结构变化，从而影响其综合性能。
二、金属回复1. 什么是金属回复？金属回复是指在冷变形后，应力减小或消除，导致金属材料产生一定程度的弹性恢复的过程。
回复过程主要表现为晶格疲劳裂纹的原子扩散，以及位错消失和减少。
2. 回复的影响金属回复过程可以使金属材料的内应力得到释放，从而降低材料的脆性，提高其韧性和塑性。
回复还可以减小金属材料的形变硬化，有利于后续的再结晶处理。
三、金属再结晶1. 什么是金属再结晶？金属再结晶是指在冷变形后，当金属材料达到一定程度的应变累积后，晶粒开始发生变形重组，并形成新的细小晶粒，以消除原来的应变能量积累的过程。
再结晶是一种发生在高温下的晶界迁移和新晶核形成的过程。
2. 再结晶的影响再结晶可以消除金属材料变形后产生的应力和位错，从而恢复其初始的塑性和韧性。
再结晶还可以改善金属材料的晶粒结构和晶内组织，提高其综合力学性能和加工性能。
四、晶粒长大1. 什么是晶粒长大？晶粒长大是指再结晶后的金属材料，在较高温度下，晶界迁移和晶粒体积增长，有的晶粒消失，有的晶粒长大的过程。
晶粒长大的主要机制有晶界扩散、声生长和弯曲扩张。
2. 晶粒长大的影响晶粒长大会导致材料的晶粒尺寸增大，影响了金属材料的力学性能、热稳定性和加工性能。
在材料的热处理过程中，需要控制晶粒长大，以保证材料具有良好的综合性能。
结语通过对金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段的过程及影响进行了解，有助于加深对金属材料内部组织和性能变化的认识，为金属材料的加工和应用提供了重要的理论基础和指导意见。
材料科学基础回复与再结晶
（3）弥散和稠密分布的第二相粒子钉扎晶界，阻 碍迁动。
35
5. 退火温度： 退火温度越高，再结晶速度越大。退火温度与
再结晶速度v的关系可用阿累尼乌斯公式表示： v再＝Aexp（-Q/RT）
动态再结晶时，大量位错被再结晶核心的大角 度界面推移而消除，当这样的软化过程占主导地位 时，流变应力下降，应力-应变曲线出现峰值。
随材料内、外影响因素的不同，应变曲线可出 现单峰或多峰现象。
55
56
动态再结晶组织结构变化的特点： （1）晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒。 （2）反复形核，有限长大，晶粒较细。
再结晶退火温度：T再＋100～200℃。
39
第三节 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。
晶粒长大按其特点可分为两类：
（1）正常晶粒长大（大多数晶粒几乎同时逐渐均 匀长大）；（2）异常晶粒长大（少数晶粒突发性 的不均匀长大）。
19
第二节 再结晶
再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形 组织内部新的无畸变的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。
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，其驱动为回复后 未被释放的变形储存能。
20
一、再结晶的形核与长大
1. 形核（非均匀形核）
形变温度越高，应变速率越小，应变量越大， 越有利于动态再结晶。 应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、 快的冷却速度可获得细小晶粒。
材料科学基础I 第九章-2 (回复与再结晶)
3、凸出形核 、
当冷变形量较 小时， 小时，再结晶在 原晶界处形核。 原晶界处形核。
对于多晶体，不同晶粒的变形 对于多晶体， 程度不同，变形大的位错密度高， 程度不同，变形大的位错密度高， 畸变能高；变形小的位错密度低， 畸变能高；变形小的位错密度低， 畸变能低。 畸变能低。低畸变区向高畸变区 伸展，以降低总的畸变能。 伸展，以降低总的畸变能。
中温回复
(0.3~0.5)Tm
此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消， 此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。 高温回复 (>0.5)Tm
高温回复的主要机制为多边化。 高温回复的主要机制为多边化。 多边化 由于同号刃位错的塞积而导致晶体点阵弯曲， 由于同号刃位错的塞积而导致晶体点阵弯曲，在退火过程中 通过刃型位错的攀移和滑移， 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 的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边 多边（ 的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边（形）化。
二、再结晶的形核
由于再结晶形核的区域不同，形核方式有：亚晶粒合并形核， 由于再结晶形核的区域不同，形核方式有：亚晶粒合并形核， 亚晶粒长大形核，凸出形核。 亚晶粒长大形核，凸出形核。
1、亚晶粒合并形核 、
相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度， 相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度，位 错发生攀移和滑移并入到邻近的晶界中。 错发生攀移和滑移并入到邻近的晶界中。这样两个亚晶粒就合并 成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行。 成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行。
金属材料的基础知识—金属的冷、热加工及再结晶(航空材料)
无
有
各向异性导致的铜板 “制耳”
（3）产生残余内应力
① 残余内应力：平衡于金属内部的应力，由金属内部不均匀变形引起。 ② 分类
宏观内应力－金属表层和心部变形不均匀； 微观内应力－相邻晶粒变形不均匀； 晶格畸变应力－位错等缺陷的增加造成，变形强化原因。
③ 残余内应力的危害 引起零件加工过程变形、开裂。 降低耐蚀性
自由锻
模锻
轧制
正挤压
反挤压
拉拔
冲压
多晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形
晶内变形：许多个单晶塑性变形的总和 晶间变形：晶粒间的滑移和转动
晶粒越细
变形分散在更 多的晶粒内
晶界越多 越曲折
变形更 均匀
不利于裂 纹传播
不产生过分的 应力集中现象
断裂前发生较 大的塑性变形
晶粒越细，强度越高、塑性韧性越好
3. 塑性变形后金属的组织与性能
④ 残余内应力的消除或降低 —— 去应力退火
金属的冷热变形加工
一、金属的冷、热变形加工
1. 冷、热加工的概念及特征
概念 特征
热加工
在再结晶温度以上的塑性 变形（热变形）
金属材料产生的加工硬化 现象被消除，且变形抗力 小，加热可提高材料塑性
冷加工
在再结晶温度以下的塑性 变形（冷变形）
材料有加工硬化现象、变 形抗力大、低塑性材料变 形困难
单晶体的塑性变形方式：滑移和孪生。 最基本、最重要的变形方式
（1）滑移：
在切应力的作用下，晶体的两个部分之间沿一定晶面（滑移 面）和晶向（滑移方向）发生的相对移动。 ① 滑移原理
图1 晶体在切应力作用下的变形 a.未变形 b.弹性变形 c.弹塑性变形 d.塑性变形
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II. 再结晶过程
3 Johnson-Mehl-Avrami 恒温动力学方程
X R = 1 − exp(− Kt )
适用条件： 恒定退火温度； 非瞬时形核，N随时间发生变化 n值为3-4
n值的确定：
n
lg ln[1 /(1 − X R )] = lg K + n lg t
冷变形金属的再结晶
冷变形金属的再结晶
I. 重要概念
一、金属的冷变形状态
非均匀变形产生残余内应力； 原等轴晶粒沿变形方向被拉长； 结构缺陷(空位和位错)密度增加； 位错组态和分布发生变化：随形变量增加，位 错增殖→位错缠结→位错胞
二、变形储存能
冷变形所消耗的能量中有百分之几到百分之十 几存在于晶体内部，称为储存能。主要存在于结 构缺陷中。
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶形核
• Grain boundaries are preferred sites for nucleation • Finer grain size prior to deformation leads to more random nucleus distribution
Re cr yst al l iza tio n Gr ain
20
III.再结晶后的晶粒长大
一、正常晶粒长大 二、异常晶粒长大
Gr ow th
ductility (%EL)
一、金属的冷变形状态 二、变形储存能 三、静态回复 四、静态再结晶
Annealing Temperature (癈) 100 3 00 5 00 700 60 600
tensile strength
500
50
I. 重要概念
一、金属的冷变形状态
非均匀变形产生残余内应力； 原等轴晶粒沿变形方向被拉长； 结构缺陷(空位和位错)密度增加； 位错组态和分布发生变化：随形变量增加，位 错增殖→位错缠结→位错胞
二、变形储存能
冷变形所消耗的能量中有百分之几到百分之十 几存在于晶体内部，称为储存能。主要存在于结 构缺陷中。
冷变形金属的再结晶
II. 速率随形变量的变化
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶过程
三、再结晶动力学
1 主要内容
研究再结晶量（体积分数）随时间的变化特性
2 Johnson-Mehl 恒温动力学方程
X R = 1 − exp(−π / 3 NG 3t 4 )
推导条件： 恒定退火温度； 瞬时、饱和位置形核； 核心长大速率各向同性且不随时间发生变化
(2)亚晶合并形核
冷变形金属的再结晶
2γ b R> E1 − E 2
II. 再结晶过程
二、再结晶的形核率及长大速率
1. 定义
形核率指在单位时间、单位体积内形成的再结晶 核心的数目，常以N表示。 再结晶核心长大速率指再结晶核心单位时间内一 维线性尺寸的增加量，常以G表示。 注意： N是无量纲的，而G是以m/s为国际单位表征的
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶形核
弱变形区 强变形区
RD
Rx RD
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶形核
• If nucleation starts in high stored energy regions then growth rate decreases as nucleus grows • If nucleation at a scale larger than stored energy variations, the average growth rate remains constant
指冷变形金属在再结晶温度以上退火时，由新 的无畸变的晶粒取代变形晶粒的过程。再结晶不 是相变过程，它只有组织变化而没有晶体结构的 变化。
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶过程
一、再结晶的形核
1. 形核驱动力
变形储存能 2. 形核位置 邻近严重畸变区的弱畸变区或无畸变区; 应变不协调区或强变形区; 大角度界面，如晶界、相界、孪晶界、滑移 带界面、或原基体晶粒内某些位向差较大的亚 晶界上。 此外，直径>1微米的大粒子邻近区的局部强 烈畸变区。
冷变形金属的再结晶
II.再结晶过程
再结晶核心长大与变形程度之间的关系
• Intergranular variation in stored energy causes variations in the growth rates of different nuclei
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶过程
第三章第八节
冷变形金属的回复、再结晶与晶粒长大
《材料科学基础》第九章第九节
本节主要内容
I. 再结晶有关概念
tensile strength (MPa)
II. 再结晶过程
一、再结晶的形核 二、再结晶的形核率及长大速率 三、再结晶动力学 四、再结晶温度及晶粒尺寸
40 30
400
ductility
300 R eco v er y
2. 再结晶形核率和再结晶核心长大速率的表达式
C N = C0 ( E D − E D − Fp ) exp(
− QG G = kGB E exp( ) RT
− QN ) RT
3. 再结晶形核率和再结晶核心长大速率的影响因素
(1）变形程度 临界变形量的概念 (2）第二相粒子及夹杂物 （3）初始晶粒尺寸 （4）退火温度 （5）材料特性
冷变形金属的再结晶
I. 重要概念
三、静态回复
指冷变形金属加热时，在新的无畸变晶粒出现 以前经历的亚结构及性能变化的过程。回复机制 主要包括位错运动构成低能组态、位错胞转化为 亚晶粒、亚晶合并长大局部形成大位向差晶界等 几个阶段。
冷变形金属的再结晶
I. 重要概念
冷变形金属的再结晶
I. 重要概念
四、静态再结晶
冷变形金属的再结晶
II. 再结晶过程
3. 形核方式
(1)晶界弓出形核
• Driving force is the stored energy difference across the grain boundary • For the bulge to grow, the rate of decrease in the stored energy must be greater than the energy increase due to the formation of the new boundary • The critical condition for bulge growth is given by