第九章 材料的回复与再结晶

2 回复机制(recovery mechanism) (1) 低温回复：点缺陷密度急剧下降，宏观上电阻率变化大 (2) 中温回复：位错运动（滑移）和重新分布 (3) 高温回复：刃型位错可以获得足够能量攀移， 发生多边化(polygonization)
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多边化即位错通过滑移和攀移，在沿垂直于 滑移面方向上排列，形成具有一定取向差的 位错墙（小角度晶界），由此产生亚晶 (sub-grain, sub-structure, mosaic structure) ， 这种结构称为多边化结构 层错能高的金属易发生多边化， 层错能低的多边化困难 合并长大
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定义剩余应变硬化分数（1-R）， R为屈服强度回复率
R = （σm-σr）/（σm-σ0）
σm：变形后的屈服强度 σr：回复后的屈服强度 σ0：完全退火后的屈服强度
回复是一个驰豫过程(relaxation process)，其特点： (1) 没有孕育期(no incubation period)；
第九章 材料的回复与再结晶
(Chapter 9 Recovery and Recrystallization of Materials ) 9.1 冷变形金属在加热时的组织、性能变化 1 组织的变化 ● 回复(recovery)： 晶粒的形态和大小与变形态相同，但亚结构及性能已有变化
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再结晶(recrystallization)： 出现无畸变的等轴晶粒，逐步取代变形晶粒 晶粒长大(grain growth)： 再结晶结束后的晶粒继续长大
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§9.5 再结晶织构与退火孪晶（annealing twins） 1 再结晶织构(recrystallization texture) ● 具有变形织构的金属经再结晶后的新晶粒若仍具有择优取向， 则称为再结晶织构 ● 再结晶织构与变性织构的关系 (1) 与原有的织构相一致； (2) 原有织构消失而代之以新的织构； (3) 原有织构消失不再产生新的织构 2 退火孪晶(annealing twins)
2 再结晶动力学 (kinetics of recrystallization) 1）再结晶的特点 ● 再结晶过程有孕育期； 再结晶刚开始速度慢，逐步 加快，到再结晶分数为50% 时速度最快，随后逐渐变慢
● 再结晶过程取决于形核率N
和长大速率G的大小； 2）约翰逊-梅厄方程（Johnson-Mehl equation） ● 假定均匀形核，晶核为球形， 形核率N和长大速率G不随时间改变， πNG 3t 4 ) 则再结晶的体积分数： R = 1 exp( 3
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位错的运动使一些亚晶界上的位错转移到周围 其它亚晶上，导致亚晶的合并； 合并后的亚晶的晶界上位错密度增加，逐渐转化 为大角度晶界，从而具有更大的迁移率，这种晶 界移动后留下无畸变的晶体，构成再结晶核心 此机制常出现在变形程度较大且具有高层错能的材料中。
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1) 形核(con’t) (2) 亚晶形核(con’t) b) 亚晶迁移机制：
t1 Q 1 1 = exp[ ( )] t2 R T2 T1
可以比较在不同温度下等温退火完成再结晶所需时间
3 再结晶温度及其影响因素 再结晶温度(recrystallization temperature)： 冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。 ● 一般以显微镜中出现第一颗新晶粒的温度或硬度下降50% 所对应的温度定为再结晶温度。
● 密度(density)： ● 内应力(inner ● 强度和硬度(strength
再结晶阶段急剧变化（缺陷减少） ● 储存能的变化： 再结晶阶段释放多
§9.2 回复（Recovery） 1 回复动力学(recovery kinetics) ● 回复是冷变形金属在退火时发生组织性能变化的早期阶段， 在此阶段内物理或力学性能的回复是随温度和时间而变化的
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2 异常晶粒长大(二次再结晶, abnormal grain growth, secondary recrystallization) ● 异常晶粒长大是当再结晶完成后的金属继续加热到 某一温度以上，少数晶粒突然反常长大的现象
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异常晶粒长大的基本条件 a) 正常晶粒长大过程被分散相微粒、织构等强烈阻碍， 再结晶过程产生细小晶粒。 b) 当进一步加热时，这些阻碍正常晶粒长大的因素一旦 消失，少数晶粒就可能异常长大 硅铁中MnS的存在可能导致异常晶粒长大
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它适用于均匀形核，而不适用于有选择性形核的情形 （如形核优先在晶界等）
2 再结晶动力学(kinetics of recrystallization, con’t) 3）阿弗拉密方程(Avrami equation)
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针对恒温再结晶时形核率N随时间t的增加而呈指数关系衰减
k
再结晶的体积分数： R = 1 exp( Bt ) 或：
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晶粒比较均匀的长大称为晶粒正常长大 恒温下正常晶粒长大的关系式： Dt = Ktn = K0 exp（-Q/RT）tn n的数值一般小于1
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当合金中存在第二相颗粒时，这些颗粒对晶界的迁移有阻碍作用。 设 Dm 为晶粒停止长大时的平均直径， r 为第二相粒子的半径， f 为第二相的体积分数， 4r 则： Dm = 3f 第二相的尺寸越小，数量越多，再结晶的晶粒越细小
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位错密度较高的亚晶界，其两侧的亚晶位相差大； ● 在加热过程中这些亚晶界容易迁移而成为大角度 晶界，从而成为再结晶核心 ● 此机制常出现在变形程度很大且具有 低层错能的材料中。
2) 长大(growth)： ● 长大是再结晶晶核形成之后，借界面的移动 向周围畸变区域长大的过程
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驱动力是新晶粒与周围畸变母体之间的应变能差 当变形晶体中全部形成无畸变的等轴晶粒时， 再结晶结束
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(2) 在一定温度下，初期回复率大， 随后逐渐变慢，直至趋近于零； (3) 预变形量越大，起始回复率也越快 (4) 每一温度的回复程度有一极限值， 温度越高，该值越高，达到极限值所需时间越短；
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回复特征可用一级反应方程表示 dx Q = cx = c0 exp( )x dt RT 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余分数； x Q 积分得： ln 0 = c0 t exp( ) x RT 在不同温度下，如以回复到相同程度作比较，可得： lnt = A + Q/（RT） 可求出回复激活能
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工业上通常以经过大变形量（70%以上）的冷变形金属， 经1小时退火完成再结晶（转变量大于95%）所对应的温 度为再结晶温度。 再结晶温度不是一个物理常数，它受诸多因素的影响
3 再结晶温度及其影响因素(con’t) 1) 变形程度的影响
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冷变形量越大，再结晶驱动力越大，再结晶温度越低； ● 变形量达到一定程度后，再结晶温度趋于稳定
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给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量（临界变形度） (critical degree of deformation)
3 再结晶温度及其影响因素(con’t) 2) 原始晶粒尺寸 原始晶粒细小，冷变形后储存的能量大， 晶界提供较多的形核位置，再结晶温度降低 3) 微量溶质原子 提高金属的再结晶温度，其原因归于溶质原子的偏聚阻碍 位错的滑移和晶界的迁移，不利于再结晶的形核和长大 4) 粒子(precipitates)
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退火孪晶的形态
(1) 晶界交角处(A)； (2) 贯穿晶粒的完整退火孪晶(B)； (3) 一端中止于晶内的不完整孪晶(C) ● 退火孪晶晶粒生长过程中形成的
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层错能低的晶体容易形成退火孪晶
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如果材料在较高温度形变时，回复和再结晶在形变过程中相继发生， 则称为动态回复和动态再结晶。它们是热加工过程中的重要现象。 热轧时的组织变化
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当变形度大于临界变形度后， 变形度越大，晶粒越细小
2) 退火温度的影响 ● 退火温度对刚完成再结晶时晶粒 尺寸的影响不大；
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降低临界变形度数值； 加速再结晶后的晶粒长大过程
§9.4 晶粒长大（grain growth） ● 再结晶结束后，若继续提高加热温度或延长加热时间， 引起晶粒进一步长大的现象。 ● 晶粒长大的驱动力是总晶界能的降低。 1 晶粒的正常长大及其影响因素
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一般，第二相粒子尺寸大，间距 宽时，有利形核，促进再结晶 第二相粒子尺寸小，间距密集时， 阻碍再结晶
4 再结晶后的晶粒大小
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再结晶后的晶粒尺寸d与形核率N 和长大速率G的关系：
d = C（G/N）1/4
1) 变形度的影响 ● 临界变形度：给定温度下发生再 结晶需要的最小变形量；临界变 形度下再结晶得到特别粗大晶粒
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是一个形核和长大的过程 ： 再结晶晶核 → 长大 再结晶无晶百度文库结构的变化
1) 形核：以多边化形成的亚晶为基础形核 (1) 晶界凸出形核
● A晶粒变形小，亚晶尺寸大；
B晶粒变形大，亚晶尺寸小
● A晶粒中的某些亚晶凸入B晶粒中，
吞噬B晶粒中的亚晶，形成无畸变 的再结晶晶核，降低系统的自由能
1) 形核(con’t) (2) 亚晶形核 a) 亚晶合并机制：
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● 在随后的过程中，亚晶粒将迁移而使亚晶粒
§9.3 再结晶（Recrystallization） ● 再结晶是冷变形金属加热到一定温度后，在原变形组织中 重新产生了无畸变的新晶粒，性能发生明显的变化并恢复 到变形前状况的过程 ● 再结晶是显微组织重新改组的过程， 可以基本消除冷变形的影响 1 再结晶过程
加热时间延长或加热温度升高
Brass(Cu-Zn)
33%CW 10min at 700℃, grain growth 3s at 580℃
15min at 580℃, grain growth
4s at 580℃
8s at 580℃, completely RC
2 性能的变化 and hardness)： 变化小，再结晶阶段变化大 ● 电阻(resistance)： 回复阶段已有大的变化 stress)： 回复阶段消除大部或全部内应力， 再结晶阶段全部消除微观内应力 ● 亚晶粒尺寸： 回复阶段变化小
Q ) RT ● 再结晶速率与产生某一再结晶体积分数的时间成反比 ： 1 即： v∝ t 1 Q = A exp( ) 因此： t RT
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等温温度与再结晶速率的关系： v = A exp(
或： ln1/t = lnA – Q/（RT）
● 根据lgt-1/T的关系，可以求再结晶激活能 ● 在两个不同的恒定温度产生同样程度的再结晶时，可得：
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lg ln
1 = lg B + k lg t 1 R
k为常数 当再结晶是三维时，k为3-4； 当再结晶是二维时（薄板），k为2-3； 当再结晶是一维时（丝材），k为1-2。
2 再结晶动力学(kinetics of recrystallization, con’t) 3) 等温温度对再结晶速率的影响