金属学及热处理-回复再结晶

6-回复与再结晶
§6.3 再结晶 定义：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原来的 变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生 了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称为 再结晶。
再结晶的驱动力与回复一样，也是预先冷变形所产生 的储存能，随着储存能的释放，应变能也逐渐降低。 新的无畸变的等轴晶粒的形成及长大，使之在热力学 上变得更为稳定。
6-回复与再结晶
6-回复与再结晶
多边形化
多边形化是金属回复过程中的一种普遍现象，只要塑性变形造 成晶格畸变，退火时就有多边形化发生。
冷变形后，晶体中的同号刃型位错在滑移面上塞积而导致晶格弯曲，退火过程中通过位 错的滑移和攀移，会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，这 就是多边形化。这一过程就好像原来呈连续弯曲的晶体经退火处理后被位错墙分割成了 几个亚晶粒一样，亚晶粒内的弹性畸变变大为减小。显然，这是一个能量降低的过程， 弹性畸变能的降低就是多边形化(或多边化)的驱动力。
6-回复与再结晶
三、回复动力学
剩余加工硬化分数1-R
6-回复与再结晶
回复过程是热激活过程，转变的速度决定于原子 的活动能力，即决定于转变的温度。 设材料的某一可测量物理性能指标数值为P,(P可 能指电阻率或其他)，变形前为P0，变形后为Pd，可以 证明发生回复过程后的性能和时间的关系为：
其中A为与材料类型结构有关的常数，Q为激活能，R为 气体常数，T发生回复的温度，t为回复进行的时间。
6-回复与再结晶
亚晶长大形核的另一种形式为亚晶界移动形核，它是 依靠某些局部位错密度很高的亚晶界的移动，吞并相 邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核的。
总之，无论哪种形核机制，再结晶的晶核核 心都是在原有晶粒的边界或变形较大的地方 先产生。
6-回复与再结晶
晶界突出形核机制
晶界凸出形核又称为晶界弓出形核，当金属材料的变 形度较小(约小于40％)时，再结晶晶核常以这种方式 形成。由于变形度小，所以金属的变形很不均匀，有 的晶粒变形度大，位错密度也大，有的晶粒变形度小， 位错密度也小。回复退火后，它们的亚晶粒大小也不 同。当再结晶退火时，在显微镜下可以直接观察到， 晶界中的某一段就会向亚晶粒细小位错密度高的一侧 弓出，被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为 无畸变的晶体，这就是再结晶晶核。
6-回复与再结晶
总起来看，储存能的总值还是比较小的。但 是，由于储存能的存在，使塑性变形后的金属材料 的自由能升高，在热力学上处于亚稳状态，具有向 形变前的稳定状态转化的趋势。 但在常温下，原子的活动能力小，使形变金 属的亚稳状态可维持相当长的时间。如果温度升高， 原子有了足够高的活动能力，形变金属就能由亚稳 状态向稳定状态转变，从而引起一系列的组织和性 能变化。由此可见，储存能是这一转变过程的驱动 力。
一战时，深冲成型的黄铜弹壳，放置一 段时间后自动发生晶间开裂(称为季裂)。 经研究，这是由于冷加工残余内应力和 外界的腐蚀性气氛的联合作用而造成的 应力腐蚀开裂。要解决这一问题，只需 要在深加工之后于260º C进行去应力退火， 消除弹壳中残留的第一类内应力，这一 问题即迎刃而解。
6-回复与再结晶 一、显微组织的变化
6-回复与再结晶
6-回复与再结晶 二、储存能及内应力的变化
加热过程中，由于原 子具备了足够的活动能力， 偏离平衡位臵的能量较高 的原子，将向能量较低的 平衡位臵迁移，使内应力 得以松弛，储存能也将逐 渐释放出来。 储存能释放曲线有三 种型式，其共同特点是每 一曲线都出现一个高峰 （对应于第一批再结晶晶 粒出现的温度）。在此温 度之前，只发生回复，不 发生再结晶。
6-回复与再结晶
§6.1 形变金属与合金在退火过程中的变化
金属与合金在塑性变形时所消耗的功，大部 分转变成热而散发掉，只有一小部分能量以弹性 应变和增加金属中晶体缺陷(空位和位错等)的形 式储存起来。形变温度越低，形变量越大，则储 存能越高。其中弹性应变能只占储存能的一小部 分，约为3-12％。晶体缺陷所储存的能量又叫畸 变能，空位和位错是其中最重要的两种。这两种 比较，空位能所占的比例小，而位错能所占比例 大（约占总储存能的80~90％） 。
再结晶与重结晶(即同素异晶转变)的共同点，是两者都经历了 形核与长大两个阶段；两者的区别是，再结晶前后各晶粒的晶 格类型不变，成分不变，而重结晶则发生了晶格类型的变化。
6-回复与再结晶
塑性变形后的金属材料 在加热到较高温度时(一 般大于0.4Tm)，可以发 生晶粒的重组。同结晶 过程类似，先在材料中 形成新的无畸变的小晶 粒，这些小晶粒消耗周 围发生过变形的晶体而 不断长大，同时也有新 的小晶粒形成，直到新 的晶粒全部代替变形过 的晶体。再结晶过程也 是一形核和长大过程。
6-回复与再结晶
一、回复过程的特征
6-回复与再结晶
二、回复机理 回复是点缺陷和位错在退火过程中发生运动，从而改 变了它们的组态和数量的过程。
低温阶段：点缺陷的迁移和减少，表现为：
1. 空位与间隙原子的相遇而互相中和；
2. 空位或间隙原子运动到刃位错处消失，也可以聚集成空位对、 空位群；
3. 点缺陷运动到界面处消失。
6-回复与再结晶
退火—
定义：
将金属材料加热到某一规定温度，保温一定时间， 而后缓慢冷至室温的一种热处理工艺。
目的：
使金属材料内部的组织结构发生变化，使热力学的 稳定性得以提高，从而获得所要求的各种性能。
阶段：
退火过程是由回复、再结晶及晶粒长大三个阶段综 合组成的，三者又往往重叠交织在一起。
实例：
6-回复与再结晶
影响因素
金属的预先变形度。金属的预先变形度越大，金属中 的储存能越多，再结晶的驱动力越大，故金属的再结晶 温度越低，但当变形度增加到一定数值后，再结晶温度 趋于一稳定值；但当变形度小到一定程度时，则再结晶 温度将趋向于金属的熔点，即不会有再结晶过程的发生。 原始晶粒大小。原始晶粒细小，晶界增多，提供更多 的有利于生核的区域。此外，细晶粒金属有更大的变形 抗力，相同变形度下，变形储能高，再结晶驱动力大， 因此，细晶粒容易发生再结晶，使再结晶温度降低。
6-回复与再结晶
金属在变形时是不均匀的，若晶界两边一个晶粒 的位错密度高，另一个位错密度低，在加热时晶界会 向位错密度高的一侧突然移动，从位错高的一侧的原 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。
和结晶形核方式类 似，晶界弯曲后，一方 面界的弯曲面因面积增 加会增加界面能，另一 方面形核区中原变形区 间有Байду номын сангаас变能释放 。
6-回复与再结晶
§6.2 回复
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。 回复阶段一般加热温度在0.4Tm以下。 回复是指冷塑性变形的金属加热时，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。冷塑性变形金属在退火 处理时，回复通常指其组织和性能变化的早期阶段， 此时的硬度和强度等机械性能变化很小，但电阻率有 明显变化。
6-回复与再结晶
因此在不同的温度下，回复到相同的程度 所用的时间的为：
即ln(t)和1/T成线形关系。一方面可以由此测 量计算它的激活能；另一方面说明热激活过程 中时间和温度的等效关系。实际上任何材料变 形后都在慢慢的发生回复，平时在室温下未见 到性能变化的仅因为变化的速度很慢。
6-回复与再结晶
金属学与热处理
2011版
授课内容
0-绪论 1-金属的晶体结构 2-纯金属的结晶 3-二元合金相图
4-铁碳合金
5-金属及合金的塑性变形 6-金属及合金的回复再结晶 7-扩散 8-钢的热处理原理 9-钢的热处理工艺
6-回复与再结晶
金属及合金经塑性变形后，强度、硬度升高， 塑性、韧性下降，这对于某些应用是重要的， 但却给进一步的冷成形加工(例如深冲)带来困难， 常常需要将金属加热进行退火处理，以使其性 能向塑性变形前的状态转化；塑性、韧性提高， 强度、硬度下降。 本章的目的是讨论塑性变形后的金属与合金 在加热时，其组织结构发生转变的过程，主要 包括回复、再结晶和晶粒长大，了解这些过程 的发生和发展的规律。
电阻率对点缺陷比较敏感，所以它的数值有较显著的下 降，而机械性能对点缺陷的变化不敏感，所以这时机械 性能不出现变化。
6-回复与再结晶 中温阶段：位错的运动，表现为：
1. 异号位错互相吸引而抵消；
2. 缠结中的位错重新组合；
3. 亚晶粒的长大。 高温阶段：当温度大于0.5Tm后，位错可以获得足够的 能量自身除滑移外还可产生攀移，除异号位错中和外， 还有位错的组合和重新排列，例如排列成墙明显降低 弹性应变能，变形的晶体发生多边化，甚至形成亚晶 粒。
6-回复与再结晶
一、再结晶晶核的形成与长大
再结晶的形核存在着很多不同的看法。最初有人用 经典的结晶形核理论来处理再结晶的形核问题，但 计算得到的临界晶核半径过大，与实验结果不符。 大量的实验结果表明，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边 形化是为再结晶形核所作的必要准备。随着高倍率 透射电镜技术的发展，人们根据对不同冷变形度的 不同金属材料发生再结晶时的实验观察，提出了不 同的再结晶形核机制。
6-回复与再结晶
再结晶的转变不是相变 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： 1. 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。 2. 再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没有确 定的转变温度。 3. 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。 4. 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。
将塑性变形后的金属材料加热到0.5Tm温度附近， 进行保温，随着时间的延长，金属的组织将发生一系 列的变化，这种变化可以分为三个阶段。 第一阶段从显微组织上几乎看不出任何变化，晶 粒仍保持伸长的纤维状称之为回复阶段；第二阶段在 变形的晶粒内部开始出现新的小晶粒，随着时间的延 长，新晶粒不断出现并长大，这个过程一直进行到塑 性变形后的纤维状晶粒完全改组为新的等轴晶粒为止， 称之为再结晶阶段；第三阶段，新的晶粒逐步相互吞 并而长大，直到晶粒长大到一个较为稳定的尺寸，称 之为晶粒长大阶段。
6-回复与再结晶
晶界弓 出形核这种 现象在铜、 镍、银、铝 及铝-铜合金 中曾直接观 察到。
6-回复与再结晶
再结晶晶核的长大
当再结晶晶核形成之后，它就可以自发、稳定地 生长。晶核在生长时，其界面总是向畸变区域推 进。界面移动的驱动力是无畸变的新晶粒与周围 基体的畸变能差。界面移动的方向总是背向其曲 率中心的方向。当旧的畸变晶粒完全消失，全部 被新的无畸变的再结晶晶粒所取代时，再结晶过 程完成，此时的晶粒大小即为再结晶初始晶粒。
回复阶段，大部或全部第一类内应力可 消除，第二类或第三类内应力只能消除 一部分，经再结晶之后，因塑性变形而 造成的内应力可以完全被消除。
6-回复与再结晶 三、机械性能的变化
金属与合金因塑性变 形所引起的硬度和强 度的增加与位错密度 的增加有关，由此可 以推知，在回复阶段， 位错密度的减少有限, 只有在再结晶阶段， 位错密度才会显著下 降。
6-回复与再结晶
亚晶长大形核机制
亚晶长大形核一般在大的变形度下发生。在回复阶段，塑性变形所形成 的胞状组织经多边形化后转变为亚晶，其中有些亚晶粒会逐渐长大，发 展成为再结晶的晶核。大量的实验观察证明，这种亚晶长大成为再结晶 晶核的方式可能有两种，一为亚晶合并形核，即相邻亚晶粒的某些边界 上的位错通过攀移和滑移，转移到周围的晶界或亚晶界上，导致原来亚 晶界的消失，然后通过原子扩散和位置的调整，使两个或更多个亚晶粒 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。
6-回复与再结晶
二、再结晶温度及其影响因素
再结晶温度包括开始再结晶温度和完成再结晶温度。 开始再结晶温度指变形晶粒中出现第一个新晶粒或观 察到因突出晶核、晶界出现锯齿状边缘的温度。 完成再结晶温度指冷变形金属接近全部（~95%）发生 再结晶、形成等轴新晶粒尚未长大的温度。 金属的开始再结晶温度与其熔点之间存在以下经 验关系（包奇瓦尔经验公式）：T再≈dT熔 式中的T再和T熔均以热力学温度表示， d为一系数。 对工业纯金属来说，经大变形并通过一小时退火的d值 为0.35~0.4，对于高纯金属， d为0.25~0.35甚至更低。