金属学与热处理7.金属及合金的回复与结晶(上)

1、12n随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称性、韧性下降，称：溶质原子与位错相互作用，在位错附：溶质原子与位错相互作用，在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住。近形成柯氏气团，使位错被钉扎住。330%压缩率（3000） 50%压缩率（3000） 99%压缩率（3000）铜经不同程度冷轧后的光学显微组织6.56.5 变形后的组织和性能变形后的组织和性能430%压缩率（30000） 50%压缩率（30000） 99%压缩率（30000）铜经不同程度冷轧后的透射电镜相5随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑随冷塑性变形量增加，金属的

2、强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称性、韧性下降的现象称加工硬化加工硬化。6位错密度与强度关系位错密度与强度关系7 8第第7 7章章 金属及合金的回复及再结晶金属及合金的回复及再结晶9形变金属在退火过程中的变化形变金属在退火过程中的变化回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大金属的热加工金属的热加工107.1 7.1 形变金属在退火过程中的变化形变金属在退火过程中的变化 冷变形后的金属材料存在加工硬化和残余内应力冷变形后的金属材料存在加工硬化和残余内应力等性能变化，在很多情况下并不是人们希望的，可以等性能变化，在很多情况下并不是人们希望的，可以通过加热引起的组织变化来改变这些性能。通过加热引起的

3、组织变化来改变这些性能。 塑性变形后，在材料的内部的晶粒破碎拉长，位塑性变形后，在材料的内部的晶粒破碎拉长，位错等缺陷大量增加和存在的内应力都使材料存在弹性错等缺陷大量增加和存在的内应力都使材料存在弹性应变能，使其内能升高处于不稳定的状态，系统本身应变能，使其内能升高处于不稳定的状态，系统本身就存在释放能量的潜力，当温度提高后，原子的活动就存在释放能量的潜力，当温度提高后，原子的活动能力增强，原子在热运动中会使材料朝着减少缺陷、能力增强，原子在热运动中会使材料朝着减少缺陷、降低能量的方向发展，造成组织和性能的变化。降低能量的方向发展，造成组织和性能的变化。 11：显微组织仍为纤维状，无可见变化

4、；：显微组织仍为纤维状，无可见变化；n ：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新：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。的无畸变的等轴晶粒。n ：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。的形状和尺寸。12：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见：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变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。的过程。：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组：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，而织内部新的无畸变的等轴晶粒

5、逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。使形变强化效应完全消除的过程。131415（2）电阻）电阻（3）密度）密度（4）内应力）内应力16n由于位错运动使其由冷塑由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，垂直分布，形成亚晶界，这一过程称这一过程称多边形化多边形化。7.2 7.2 回复回复17n在回复阶段，金属组织变在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著但内应力、电阻率等显著下降。下降。n工业上，常利用回复现象工业上，常利用回复现象将冷变形金属

6、低温加热，将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬既稳定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称化，这种热处理方法称去去应力退火应力退火。18n 宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；n 物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回到未变形前的水平；到未变形前的水平；n 力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的变化；变化；n 光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，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。在电子显微镜下

7、可见到晶粒内部组织的变化。( (位位错的胞状组织转变为亚晶错的胞状组织转变为亚晶) ) 19（0.1 0.3Tm） 20回复过程中的位错攀移与滑移21位错在多边化过程中重新分布222324n当变形金属被加热到较当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。的等轴晶粒。n这种冷变形组织在加热这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程时重新彻底改组的过程称称再结晶再结晶。铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热7.3 7.3 再结晶再结晶25

8、 冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核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：长大来进行，但再结晶过程不是相变。原因有：n 变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变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。化，因此它们是属于同一个相。n 再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即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。没有确定的转变温度。n 再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变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。化后可以发生可逆变化。n 发生再结晶的热力学驱动

9、力是冷塑性变形晶体的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。畸变能，也称为储存能。26n再结晶也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。冷冷变形奥氏体不锈钢变形奥氏体不锈钢加热时的再结晶形核加热时的再结晶形核SEM-再结晶晶粒在原再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核变形组织晶界上形核TEM-再结晶晶粒形核再结晶晶粒形核于高密度位错基体上于高密度位错基体上27n （变形量较小时,20%） 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向。晶界弓出形核28晶界弓出形核模型rdrrddrrddVdA2)34(/)4(32dVdAEGsrEGs2Lr

10、min单位体积自由能的变化为单位体积自由能的变化为为为晶界的表面能，晶界的表面能，Es为为冷冷变变形形晶粒中晶粒中单单位体位体积积的的储储存能。存能。LEs/2一段长度为一段长度为2L的晶界，其弓出形的晶界，其弓出形核的能量条件为核的能量条件为G0G70%）的金属，）的金属，在在1h完成再结晶体积分数完成再结晶体积分数95%所对应的温度。所对应的温度。n 再结晶温度再结晶温度TR与其熔点与其熔点Tm间有如下关系：间有如下关系： TR (0.35-0.45)Tm。 3334TR (0.35-0.45)Tm= 0.4Tm =0.4（1538+273）=723KTR =0.4（1083+273）=5

11、42K3536n 变形程度变形程度 金属的冷变形程度越金属的冷变形程度越大，其储存的能量亦越大，其储存的能量亦越高，再结晶的驱动力也高，再结晶的驱动力也越大，因此再结晶温度越大，因此再结晶温度随变形量增加而降低。随变形量增加而降低。同时等温再结晶退火时同时等温再结晶退火时的再结晶速度也越快。的再结晶速度也越快。37n 微量溶质原子微量溶质原子 微量溶质原子的存在一般微量溶质原子的存在一般会显著提高金属的再结晶温会显著提高金属的再结晶温度，主要原因可能是溶质原度，主要原因可能是溶质原子与位错及晶界间存在交互子与位错及晶界间存在交互作用，倾向于在位错和晶界作用，倾向于在位错和晶界附近偏聚，从而对再

12、结晶过附近偏聚，从而对再结晶过程中位错和晶界的迁移起着程中位错和晶界的迁移起着牵制的作用，不利于再结晶牵制的作用，不利于再结晶的形核和长大，阻碍再结晶的形核和长大，阻碍再结晶过程的进行过程的进行。38n 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸 （1）原始晶粒越小，则晶界越多，其变形抗力愈大，形）原始晶粒越小，则晶界越多，其变形抗力愈大，形变后的储存能较高，因此再结晶温度降低；（变后的储存能较高，因此再结晶温度降低；（2）再结晶）再结晶形核通常是在原晶粒边界处发生，所以原始晶粒尺寸愈小，形核通常是在原晶粒边界处发生，所以原始晶粒尺寸愈小，形核率形核率与长大速度愈大，所形成的再结晶晶粒更小，而再与长大速度愈大，

13、所形成的再结晶晶粒更小，而再结晶温度也降低。结晶温度也降低。 n 第二相颗粒第二相颗粒（1）当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并）当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并在颗粒周围留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗在颗粒周围留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗粒周围畸变严重，因此会促进再结晶，降低再结晶温度；粒周围畸变严重，因此会促进再结晶，降低再结晶温度；（2）当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生）当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生明显聚集，因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结明显聚集，因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结晶晶核的长大过程中的位

14、错运动和晶界迁移起一种阻碍作晶晶核的长大过程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作用，因此使得再结晶过程更加困难，提高再结晶温度。用，因此使得再结晶过程更加困难，提高再结晶温度。 39预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。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。当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。当变形达到当变形达到210%时，只有部分晶粒变形，变形极时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒大不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞小相差悬殊，易互相吞并和长大并和长大, ,再结晶后晶再结晶后晶粒特别粗大，这个变形粒特别粗大

15、，这个变形度称度称临界变形度临界变形度。变形量与再结晶后晶粒尺寸的关系40当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越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。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，当变对于某些金属，当变形量相当大时形量相当大时( ( 90%)90%)，再结晶后晶粒又重新再结晶后晶粒又重新出现粗化现象，一般出现粗化现象，一般认为这与形成织构有认为这与形成织构有关关. .变形量与再结晶后晶粒尺寸的关系41预先变形程度对

16、再结晶晶粒尺寸的影响变形变形83%变形变形88%变形变形93%42 再结晶退火温度对刚完成再结晶时的晶粒尺寸影响较再结晶退火温度对刚完成再结晶时的晶粒尺寸影响较小，但是提高再结晶退火温度可使再结晶速度加快，临界小，但是提高再结晶退火温度可使再结晶速度加快，临界变形量减小。形变量、退火温度以及再结晶后晶粒尺寸的变形量减小。形变量、退火温度以及再结晶后晶粒尺寸的关系构成了再结晶图。关系构成了再结晶图。4344低碳钢变形度及退火温度对再结晶晶粒大小的影响45：晶界附近区域的形变情况比较复杂，因：晶界附近区域的形变情况比较复杂，因而这些区域的局部储存能较高，使晶核易于形成。细晶而这些区域的局部储存能较

17、高，使晶核易于形成。细晶粒金属的晶界面积大，所以储存能高的区域多，形成的粒金属的晶界面积大，所以储存能高的区域多，形成的再结晶核心也多，故使再结晶后的晶粒尺寸减小。再结晶核心也多，故使再结晶后的晶粒尺寸减小。：金属中杂质的存在可提高强度，因此在同样的形：金属中杂质的存在可提高强度，因此在同样的形变量下，杂质将增大冷形变金属中的储存能，从而使再变量下，杂质将增大冷形变金属中的储存能，从而使再结晶时的结晶时的G/N值增大。另一方面，杂质对降低界面的迁移值增大。另一方面，杂质对降低界面的迁移能力是极为有效的，它会降低再结晶完成后晶粒的长大能力是极为有效的，它会降低再结晶完成后晶粒的长大速率。金属中的

18、杂质将会使再结晶后的晶粒变小。速率。金属中的杂质将会使再结晶后的晶粒变小。46n再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C580C保温保温1515分后的组织分后的组织700C700C保温保温1010分后的组织分后的组织7.4 7.4 晶粒长大晶粒长大47n晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度降低，

19、并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度降低，尤其是塑性和韧性降低。尤其是塑性和韧性降低。原子穿过原子穿过晶界扩散晶界扩散晶界迁晶界迁移方向移方向48冷变形量为冷变形量为38的组织的组织580C保温保温3秒后秒后的的组织组织580C保温保温4秒后秒后的的组织组织580C保温保温8秒后秒后的的组织组织580C保温保温15分后分后的的组织组织 700C保温保温10分后分后的的组织组织49过程起点过程起点：再结晶完成，无形变组织；：再结晶完成，无形变组织；此时能量状态此时能量状态：虽然形变储存能已完全释放，但材料仍未：虽然形变储存能已完全释放，但材料仍未达到最稳定状态（含有晶界），为减少总界面能，晶粒

20、力达到最稳定状态（含有晶界），为减少总界面能，晶粒力求长大。求长大。晶粒长大驱动力晶粒长大驱动力：总界面能的减少；这部分能量约为再结：总界面能的减少；这部分能量约为再结晶时释放能量的晶时释放能量的1/1001/100。 晶粒正常长大晶粒正常长大特点：特点：长大速度比较均匀，在长大过程中，晶粒的尺寸分长大速度比较均匀，在长大过程中，晶粒的尺寸分布和形状分布几乎不变。作为一级近似看，晶粒长大前后布和形状分布几乎不变。作为一级近似看，晶粒长大前后的组织就象一张照片未经放大和经放大后的情况一样。的组织就象一张照片未经放大和经放大后的情况一样。50 Mg-3Al-0.8Zn合金退火组织 a 正常再结晶，b 晶粒长大，c 二次再结晶 结晶完成后，晶粒不连续不均匀地长大称为反常长结晶完成后，晶粒不连续不