第六章 回复与再结晶

recrystallization
grain growth
• 晶粒长大grain growth是指再结晶结束后晶粒的 长大过程，在晶界界面能的驱动下，新晶粒会发 生合并长大，最终达到一个相对稳定的尺寸。
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冷变形金属在加热时的性能变化
A：强度、硬度和塑性 strength, hardness and ductility： 回复阶段变化非常小，再结晶时硬度降低，塑性升高，晶 粒长大后趋于缓慢。 8
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• 在回复阶段，金属组织变化 不明显，其强度、硬度略有 下降，塑性略有提高，但内 应力、电阻率等显著下降。
• 工业上，常利用回复现象将
冷变形金属低温加热，既稳
定组织又保留加工硬化，这
种热处理方法称去应力退火
relief anneaቤተ መጻሕፍቲ ባይዱing。
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回复阶段退火的作用： 提高扩散 促进位错运动
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再结晶的驱动力？
驱动力：变形金属经回复后未被释放的储存能 （相当于变形总储能的90%）。 新晶粒长大通过短程扩散，再结晶程度依赖于 温度和时间。
• 由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬 度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。
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铁素体变形80%
650℃加热
670℃加热
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新晶粒的形核
黄铜的回复、再结晶和晶粒长大
（a）是黄铜冷加工变形量达到CW ＝38％后的组织，可见粗大晶粒内 的滑移线。
(a)
(b)
（b）经过580º C保温3秒后，试样 上开始出现白色小的颗粒，即再结 晶出的新的晶粒。
（c）是在580º C保温4秒后，显示 有更多新的晶粒出现。
(c)
(d)
（d）在580º C保温8秒后，粗大的 带有滑移线的晶粒已完全被细小的 新晶粒所取代，即完成了再结晶。 （e）是保温15分后的金相组织。 晶粒已有所长大。
B：电阻率resistivity：其大小与点阵 中的点缺陷密切相关，随温度升高， 空位浓度下降，故电阻率呈现连续 下降趋势。 C：内应力inner stress：回复之后， 宏观内应力基本消除，微观内应力 部分消除；再结晶后，冷变形造成 的内应力全部消除。
D：密度density：密度在再结晶阶段急剧增加，主要是 由于此时位错密度显著降低造成的。 E：储能的释放energy release：当加热到足以引起应力松 弛的温度时，储能就释放出来，再结晶阶段储能释放最 9 多，达到峰值。
Recovery and recrystallization
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6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
冷变形金属在加热时的组织变化
黄 铜
加热温度 ℃
recovery
recrystallization
grain growth
4
冷变形金属在加热时的组织变化
recovery
recrystallization
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2. 亚晶形核：变形程度较大时发生此机制，又分为两种
（a）
（b）
（a）亚晶合并机制：相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆散、 位错的攀移、滑移，逐渐转移到周围其它亚晶界上，导致亚晶 合并。 （b）亚晶迁移机制：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。 23
冷加工变形：加工硬化，可使位错数量增加， 金属的强度和硬度增加 冷加工缺点：内应力，这种残余应力在金属零 件进一步加工和使用过程中往往会产生不应有的变 形，使用中也会由于大气环境与内应力的共同作用， 造成零件的应力腐蚀；冷加工也可能使电阻率增加 等。这时金属处于一种不稳定状态。
1
应 力 腐 蚀 裂 纹

由于位错运动使其由冷塑性变
形时的无序状态变为垂直分布， 形成亚晶界，这一过程称多边 形化 polygonization。
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回复机理 recovery mechanism
1 低温回复机制 点缺陷的运动！
点缺陷运动
移至晶界、位错处 空位＋间隙原子 消失 空位聚集（空位群、对）
缺陷密度降低
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2 中温回复机制 位错滑移！
(e)
(f)
（f）则是在700º C保温10分后晶粒 10 长大的情形。
晶粒大小
退火温度愈高晶 粒长得愈大，拉 伸强度下降得愈 多，塑性则增加 得愈多。
拉伸强度
退火温度与黄铜 强度、塑性和晶 粒大小的关系
拉伸强度
延展性
退火温度
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5.2 回复recovery
• 回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位 错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺 陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数 量减少等。
预先变形度对再结晶晶粒度的影响
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2 原始晶粒尺寸:晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多， 使晶粒细化。 3 合金元素和杂质: 增加储存能，阻碍晶界移动，有利于晶 粒细化。 4 温度:变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶粒 粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大。
再结晶退火温度对晶粒度的影响
3. 原始晶粒尺寸：晶粒越细，再结晶温度越低； 4.第二相粒子：可提高、或降低再结晶温度；
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5、加热速度和保温时间 • 提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生, 延长加热时
间, 使原子扩散充分, 再结晶温度降低。
• 生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火 recrystallization annealing。再结晶退火温度比再结晶温 度高100~200℃。
体发 不生 锈应 钢力 管腐 道蚀 内奥 壁氏
奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环境体系 中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐蚀易在含 Clˉ的介质中发生，裂纹为树枝状。
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消除的方法 —— 退火处理。
退火可使原子扩散能力增加，金属将依次发生 回复、再结晶和晶粒长大过程。
第六章 回复与再结晶
• 再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，
在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶 的最低温度称再结晶温度。
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影响再结晶温度的因素：
• 1、金属的预先变形度：金属预先变形程度越大, 再结晶温度
越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值， 称最低再结晶温度。 • 纯金属的最低再结晶温度与其熔点之 间的近似关系: T再≈(0.35-0.4)T熔， 其 中T再、T熔为绝对温度K. • 金属熔点越高, T再也越高.
异号位错相遇而抵销 位错密度降低 位错滑移 位错缠结重新排列 亚晶规整化
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3 高温回复机制 位错攀移和滑移！
位错攀移（＋滑移） 多边化（亚晶粒）
位错垂直排列（亚晶界） 弹性畸变能降低。
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回 复 动 力 学 recovery kinetics
m r R m 0
R — 屈服强度回复率 m — 变形后屈服强度 r — 回复后屈服强度 0 — 原始态的屈服强度
再结晶
转变率
S—型曲线 转变率 ~ 时间
终了
固态相变
开始
孕育期 长大期
时间（对数形式）
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再结晶温度 recrystallization temperature
定义1：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。
定义2：工业生产中，以经过大变形量（~70%以上）的变形
金属，经1h退火后完成再结晶（R95%）所对应的温度。
grain growth
• 回复recovery是指新的无畸变晶粒出现前所产 生的亚结构和性能变化的阶段，在金相显微镜 中无明显变化，仍保持原有的变形晶粒形貌， 若通过TEM，则可观察到位错组态或亚结构已 开始发生变化。
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冷变形金属在加热时的组织变化
recovery recrystallization grain growth
释放内应变能 回复退火产生的结果：
电阻率下降 硬度、强度下降不多 降低内应力
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5.3 再结晶recrystallization
• 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：破碎拉长的晶粒 等轴晶粒。
• 这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。
• 再结晶是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程， 再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。
再结晶的形核率和长大速率
再结晶的形核率是指单位时间、单位体积内形成的再结晶核 心的数目，一般用N表示；晶核一旦形成便会继续长大至相 邻晶粒彼此相遇，长大速率用G表示。
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再 结 晶的形核与长大都受到储存能的驱动，主要影响因素有： 变形程度的影响：冷变形越大，储能越多，驱动力越大， 长大越快，T再越低 原始晶粒尺寸：晶粒越细，变形抗力越大，变形后的 储能越高，T再越低； 微量溶质原子：易于位错交互作用，阻碍形核和长大， 提高T再； 第二相粒子：可提高、或降低再结晶温度；
退火工艺：加热速度、加热温度、保温时间等工艺参数 的影响。
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再结晶动力学
再结晶体积分数 vs. 时间
约翰逊-梅厄 （Johnson-Mehl）方程：
NG 3t 4 R 1 exp( ) 3 R ~ 再结晶体积分数； N ~ 形核率； G ~ 长大速率。
阿弗拉密 （Avrami）方程：
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再结晶后晶粒的大小
由约翰逊-梅厄方 程得再结晶晶粒 尺寸d 为：
G d 常数 ( ) 4 N G ~ 长大速率; N ~ 形核率
1
（a）变形度的影响
（b）温度的影响
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再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）
1、预先变形度
• 预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响. • 当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶. • 当变形达到2~10%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒大 小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称临 界变形度。 • 当超过临界变形度后，随变形 程度增加，变形越来越均匀， 再结晶时形核量大而均匀，使 再结晶后晶粒细而均匀，达到 一定变形量之后，晶粒度基本 不变。对于某些金属，当变形 量相当大时(90%)，再结晶后 晶粒又重新出现粗化现象，一 般认为这与形成织构有关.
形核：是在现存的局部高能区域内，以多边化形成 的 亚晶为基础形核 形核机制
1. 晶界弓出形核（应变诱导晶界移动、凸出形核）
变形程度较小 时（小于20%）， 各晶粒间由于变形不均匀而引起 位错密度不同，相应亚晶尺寸不 同，为降低系统的自由能，位错 密度小的晶粒中的亚晶通过晶界 凸入另外晶粒中，以吞食方式开 始形成无畸变的再结晶晶核。
• 再结晶recrystallization是指出现无畸变的等轴新 晶粒逐步取代变形晶粒的过程。 • 在开始阶段，在畸变较大的区域里产生新的无畸 变的晶粒核心，即再结晶的形核过程；然后通过 逐渐消耗周围变形晶粒而长大，转变成为新的等 轴晶，直至冷变形晶粒完全消失。
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冷变形金属在加热时的组织变化
recovery
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再结晶的应用 恢复变形能力 改善显微组织 消除各向异性 提高组织稳定性
再结晶退火
再结晶退火温度：T再＋100～200℃。
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5.4 再结晶后的晶粒长大grain growth
剩余应变硬化分数（1-R）
1.0 0.8
同一变形度的Fe在不同温度下的回复 300oC 350oC 400oC 450oC 500oC
0.6
0.4 0.2 0 100
200 300 400 时间/min.
（1-R）愈小，即R 愈大，则回复程度愈大； 回复过程无孕育期，加热立刻开始回复； 初期的回复速率大，随后逐渐变慢； 长时间退火后，性能出现一平衡值； 预变形量愈大，起始回复速率愈大。
R 1 exp( Bt K ) R ~ 再结晶体积分数； B ~ 常数； K ~ 常数。
假定条件： 均匀成核、球形晶核，N 随时间指数衰减、恒温 26
假定条件： 均匀成核、球形晶核，N、 G不随时间改变、恒温
再结晶 与 固态相变 异同
再结晶的晶核不是 新相，晶体结构未变， 而固态相变出现新相； 固态相变倾向于晶 界成核，而再结晶以亚 晶为基础； 两者动力学过程相 似。
Fe的再结晶温度？
T再与ε的关系
T再℃ = (T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
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2、金属的纯度 • 金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩 散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高. • eg. C 加入到纯Fe中变成低C钢，再结晶温度变为540 ℃。