金属学与热处理7.金属及合金的回复与结晶(下)

本章知识结构形变金属在退火过程中的变化回复再结晶晶粒长大金属的热加工1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。显微组织的变化2（1）强度和硬度（2）电阻（3）密度（4）内应力（5）储存能变化性能的变化3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。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。回复4回复的组织性能变化宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；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；力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的变化；光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，在电子显微镜下可间到晶粒内部组织的变化。(位错的胞状组织转变为亚晶)5

低温回复（～0.1Tm）变形金属在较低温度下加热时所发生的回复过程称为低温回复。此时因温度较低，原子活动能力有限，一般局限于点缺陷的运动，通过空位迁移至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，使冷变形过程中形成的过饱和空位浓度下降。对点缺陷敏感的电阻率此时会发生明显下降。

中温回复（0.1～

0.3Tm）变形金属在中等温度下加热时所发生的回复过程称为中温回复。此时因温度升高，原子活动能力也增强，除点缺陷运动外，位错也被激活，在内应力作用下开始滑移，部分异号位错发生抵消，因此位错密度略有降低。回复机理6

高温回复（～0.3Tm）变形金属在较高温下，变形金属的回复机制主要与位错的攀移运动有关。这时同一滑移面上的同号刃型位错在本身弹性应力场作用下，还可能发生攀移运动，最终通过滑移和攀移使得这些位错从同一滑移面变为在不同滑移面上竖直排列的位错墙，以降低总畸变能。回复过程中的位错攀移与滑移7回复机制与性能的关系内应力降低：弹性应变基本消除；

硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较细；电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低。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。回复的应用8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，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。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。9晶核的形成

晶界凸出形核（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10

亚晶长大形核机制（变形量较大时）亚晶合并形核某些取向差较小的相邻亚晶界上的位错网络通过解离、拆散并转移到其它亚晶界上，导致亚晶界的消失而形成亚晶间的合并，同时由于不断有位错运动到新亚晶晶界上，因而其逐渐转变为大角度晶界。11

亚晶界移动形核某些取向差较大的亚晶界具有较高的活性，可以直接吞食周围亚晶，并逐渐转变为大角晶界，实际上是某些亚晶的直接长大。一切大取向差和大应变能差的地方都可是形核地点。12长大晶核借助界面的移动而向周围畸变区域不断长大。晶界迁移的驱动力是两晶粒间的畸变能差，晶界总是背离其曲率中心方向移动，直至无畸变的等轴晶完全取代畸变严重的形变晶粒为止。

再结晶的驱动力是变形畸变能，再结晶过程实际上就是变形畸变能的释放过程，主要体现在金属内部位错密度显著下降。13再结晶温度及其影响因素再结晶温度是指经较大冷变形量（>70%）的金属，在1h完成再结晶体积分数95%所对应的温度。再结晶温度TR与其熔点Tm间有如下关系：TR≈(0.35-0.45)Tm。14再结晶温度的影响因素

变形程度金属的冷变形程度越大，其储存的能量亦越高，再结晶的驱动力也越大，因此再结晶温度随变形量增加而降低。同时等温再结晶退火时的再结晶速度也越快。15

微量溶质原子

微量溶质原子的存在一般会显著提高金属的再结晶温度，主要原因可能是溶质原子与位错及晶界间存在交互作用，倾向于在位错和晶界附近偏聚，从而对再结晶过程中位错和晶界的迁移起着牵制的作用，不利于再结晶的形核和长大，阻碍再结晶过程的进行。16

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，形变后的储存能较高，因此再结晶温度降低；（2）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，形核率与长大速度愈大，所形成的再结晶晶粒更小，而再结晶温度也降低。

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；（2）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。17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，变形极预先变形度不均匀，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。再结晶晶粒大小的影响因素变形量与再结晶后晶粒尺寸的关系18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.变形量与再结晶后晶粒尺寸的关系19再结晶退火温度

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。纯铁的再结晶图20原始晶粒大小：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。杂质：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，从而使再结晶时的G/N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速率。金属中的杂质将会使再结晶后的晶粒变小。21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。晶粒长大结晶完成后，晶粒不连续不均匀地长大称为反常长大。在不均匀长大过程中，少数大晶粒相当于核心，吞并其他晶粒而长大，故此过程也叫二次再结晶。22再结晶织构再结晶织构冷变形金属在再结晶过程中形成的织构，被称为再结晶织构或退火织构。再结晶织构可能和原来的形变织构一致，但更经常和原来的形变织构完全不同。意义广泛存在；有时是所期望的，要设法提高织构的强度；如铝箔、电工钢、IF深冲钢板；及许多功能材料；有时要避免的，如铝易拉罐的生产。23面心立方金属的再结晶织构铝中的立方织构和R织构（高层错能）；铜中的立方织构和{236}<385>织构

(孪晶产生，层错的影响)；典型金属和合金的再结晶织构立方织构的(111)极图R/S织构的(111)极图铜中的立方织构和{236}<385>织构24织构影响性能的例子织构---性能产生各向异性---获得特殊性能。1）深冲铝板/钢板易拉罐，3000/5000系列铝合金；轿车壳体，IF钢；现象：制耳的存在；原因：晶粒取向择优；解决方法：消除择优取向；轧制/退火织构抵消；织构的控制与应用252）高压电子铝箔希望高电容值，尽可能多的表面积。{100}面的腐蚀。特殊的冷轧退火工艺90%以上的立方取向晶粒263）电工硅钢片(Fe-3%Si)磁性的各向异性：<100>方向最易磁化。解决方法:形变、退火(二次再结晶);得到高斯{110}<001>织构；MnS粒子的帮助；用途：变压器、马达(中的铁芯);要求：高软磁性能；

Si提高电阻率、磁导率、降低矫顽力和铁损；27退火孪晶出现的条件：在一些中、低层错能的FCC金属（如：银，黄铜、铜、不锈钢、镍等）的退火组织中。黄铜中的退火孪晶孪晶关系是60<111>，孪晶界是共格的{111}面；Al-1.3%Mn（较少）28（1）需超过一最小形变量---ε

c，称临界变形程度。（2）随ε,T再；但当ε大到一定值后,T再趋于一稳定值。（3）再结晶刚完成时的d取决于ε，而和T关系不大。（4）原始d0，要获得相同的T再的ε越大。（5）Tdef，要获得相同程度的应变硬化所需的ε

。（6）新晶粒不会长入取向相近的形变晶粒中。（7）再结晶后继续保温，d。再结晶的基本规律29（1）需超过一最小形变量---εc。形成再结晶核心需要一定的形变量，形变量过小，只能回复。（2）再结晶刚完成时的d

取决于ε，而和T关系不大。形变量越大，再结晶刚完成的晶粒尺寸越小。在相同的形变量下，若给定退火时间，则晶粒尺寸随退火温度增加而增加，这是再结晶后晶粒长大的结果。

黄铜再结晶终了的晶粒尺寸和再结晶前冷加工变形量的关系30（3）随ε

，T再；但当ε大到一定值后，T再趋于一稳定值。（４）原始d0，要获得相同的T再的ε越大。不同原始晶粒尺寸的铜经93%变形量冷轧后在225℃退火不同变形状态的铜的再结晶温度随变形量的变化31室温变形1.4的组织700C应变1.4的组织Q235钢（５）Tdef，要获得相同程度的应变硬化所需的ε

。650C保温30min后的组织650C保温30mim后的组织32（6）新晶粒不会长入取向相近的形变晶粒中。显微组织(111)极图33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温度：T再＋100～200℃。再结晶的应用34冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。热加工：在再结晶温度以上的加工过程。热加工温度：T再<T热加工<T固－100～200℃。7.5金属的热加工35如Fe的再结晶温度为451℃，其在400℃以下的加工仍为冷加工。而Sn

的再结晶温度为-3℃，则其在室温下的加工为热加工。热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。巨型自由锻件36金属的冷热加工模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压37热加工时，硬化过程与软化过程是同时进行的，按其特征不同，可分为下述五种形式：

(1)动态回复(2)动态再结晶（1）、（2）是在温度和负荷联合作用下发生的。

(3)亚动态再结晶

(4)静态回复

(5)静态再结晶（3）、（4）、（5）是在变形停止之后，即在无负荷作用下发生的。（1）动态回复与动态再结晶热加工时，由于形变温度高于再结晶温度，在变形的同时伴随者回复、再结晶过程，称之为动态回复与动态再结晶。在热变形完毕去除外力后，已在动态再结晶时形成的再结晶核心及正在迁移的再结晶晶粒界面，不必再经过孕育期继续长大和迁移。38动态回复原因：热加工时，形变使位错增殖和积累造成的硬化被通过热激活使位错对消、胞壁锋锐化形成亚晶及亚晶合并等软化抵消。材料内因的影响：高层错能的材料比低层错能材料更易动态回复，甚至将能量释放的不足以再结晶。外在表现：流变应力不随应变而变的稳态流变过程。39工业纯铁不同温度下低应变的组织，高温下只发生回复。600°C550°C500°C400°C300°C室温40真应力——真应变曲线微应变阶段：热加工初期，高温回复尚未进行，晶体以加工硬化为主，位错密度增加。因此，应力增加很快，但应变量却很小(<1%)。均匀阶段：晶体开始均匀的塑性变形，加工硬化逐步加强。同时动态回复逐步增加，其造成的软化抵消一部分加工硬化，使曲线斜率下降并趋于水平。稳态变形阶段：由变形产生的加工硬化与动态回复产生的软化达到平衡应变的增加而增大，曲线保持水平。41热加工后的晶粒沿变形方向伸长，同时，晶粒内部出现动态回复所形成的等轴亚晶粒。亚晶尺寸与稳态流变应力成反比，并随变形温度升高和变形速度降低而增大。组织结构的变化42是位错的攀移和交滑移，攀移在动态回复中起主要的作用。层错能的高低是决定动态回复进行充分与否的关键因素。动态回复易在层错能高的金属，如铝及铝合金中发生。动态回复的机制43出现条件：具有低、中层错能的金属，回复过程较慢，热加工时，动态回复未能同步抵消加工时位错的增殖积累，超过某一动态再结晶临界形变量后发生动态再结晶。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。44真应力——真应变曲线加工硬化阶段：应力随应变上升很快，动态再结晶没有发生，金属出现加工硬化。

动态再结晶开始阶段：当应变量达到临界值时，动态再结晶开始，其软化作用随应变增加逐渐加强，使应力随应变增加的幅度逐渐降低。当应力超过最大值后，软化作用超过加工硬化，应力随应变增加而下降。

稳态流变阶段：加工硬化与动态再结晶软化达到动态平衡。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。45晶粒是等轴的，大小不均匀，晶界呈锯齿状，等轴晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒。组织结构的变化46（2）热加工对金属组织和性能的影响改善铸态组织，减少缺陷。热变形可焊合铸态组织中的气孔和疏松等缺陷，增加组织致密性，井通过反复的形变和再结晶破碎粗大的铸态组织，减小偏析，改善材料的机械性能。锻压热加工动态再结晶示意图47热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线。它使钢产生各向异性，通常，沿流线方向比垂直流线方向具有较高的机械性能在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。滚压成型后螺纹内部的纤维分布吊钩中的纤维组织48例：锻造曲轴的合理流线分布，可保证曲轴工作时所受的最大拉应力与流线一致，而外加剪切应力或冲击力与流线垂直，使曲轴不易断裂。切削加工制成的曲轴，其流线分布不合理，易沿轴肩发生断裂。

49在加工亚共析钢时，发现钢中的铁素体与珠光体呈带状分布，这种组织称带状组织。带状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉长有关。可通过多次正火或扩散退火消除。正火组织带状组织50晶粒大小的控制。热加工时动态再结晶的晶粒大小主要取决于变形时的流变应力，应力越大，晶粒越细小。因此要想在热加工后获得细小的晶粒必须控制变形量、变形的终止温度和随后的冷却速度，同时添加微量的合金元素抑制热加工后的静态再结晶也是很好的方法。热加工后的细晶材料具有较高的强韧性。通过动态回复和动态再结晶后，在晶粒内部都形成了亚晶粒，具有这种亚组织的材料，其强度、韧性提高，称为亚组织强化，其屈服强度与亚晶尺寸ds之间满足Hall-petch公式：

σy=σ0+Kyd-1/2

51热加工的优点

（1）可持续大变形量加工（2）动力消耗小（3）提高材料质量和性能热加工一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。蒸汽-空气锤52思考题：用下述三种方法：（1）由厚钢板切出