金属及合金的回复与再结晶

金属及合金的回复与再结晶第一页，共六十三页，编辑于2023年，星期二7.1形变金属与合金在退火过程中的变化形变储存能弹性应变能(3~12%)晶格畸变能(80~90%)形变储能使金属内能升高，处于热力学亚稳定状态，有自发恢复到稳定状态的倾向。在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可长时间维持。加热时，原子活动能力升高，形变金属从亚稳态向稳态转变，形变储存能降低是形变金属退火过程中组织变化的驱动力。第二页，共六十三页，编辑于2023年，星期二退火将材料加热到某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷至室温，通过组织结构的变化使材料热力学稳定性得以提高的热处理工艺。加热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。第三页，共六十三页，编辑于2023年，星期二1、回复2、再结晶3、晶粒长大第四页，共六十三页，编辑于2023年，星期二第五页，共六十三页，编辑于2023年，星期二冷变形黄铜的回复、再结晶和晶粒长大黄铜冷变形33%形核3s580℃部分结晶5s580℃完全结晶8s580℃晶粒长大15min580℃晶粒长大10min700℃第六页，共六十三页，编辑于2023年，星期二回复阶段：显微组织无明显变化；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。显微组织的变化第七页，共六十三页，编辑于2023年，星期二内应力的变化回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力；再结晶阶段：内应力完全消除。第八页，共六十三页，编辑于2023年，星期二回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，晶粒粗化后塑性会下降。力学性能的变化第九页，共六十三页，编辑于2023年，星期二7.2回复

定义：冷变形后的金属在加热温度不高时，显微组织未发生明显改变，但其物理、力学性能部分恢复的过程。一、回复的定义及机制第十页，共六十三页，编辑于2023年，星期二加热温度很低时，主要涉及到空位的运动，运动结果使空位密度大的减少。加热温度稍高时，主要涉及到位错的运动。同一滑移面上的异号位错相互吸引而抵消。加热温度更高时，位错不仅可以滑移，还可以攀移，发生多边形化。回复机制第十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期二多边形化过程多边形化：指冷变形金属加热时，原来处于滑移面上无序状态的位错，通过滑移和攀移形成与滑移面垂直分布的亚晶界的过程。第十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期二位错的攀移是依靠原子或空位的转移实现的。当原子从多余半原子面下端原子转移到别处，或空位从别处转移到半原子面的下端时，位错线便向上攀移了——正攀移；反之，当原子从别处转移到原子面下端时，或空位从这里转移到别处时，位错线就向下攀移了——负攀移。位错的攀移空位扩散到位错刃部空位离开位错的刃部第十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期二二、回复阶段的特点：③晶粒内部亚结构发生变化：点缺陷大大↓↓；位错密度↓，异号位错合并，同号位错规整化—“多边形化”。└仍保留较高的位错密度②显微组织无明显变化：仍保留被拉长或压扁的畸变的晶粒。①加热温度低。第十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期二④性能变化：

HB、σ略↓，δ、ψ略↑；

电阻R↓↓；耐腐蚀性能提高。

原因：晶格畸变↓。总体上：力学性能变化不大，加工硬化基本保留；但物理、化学性能变化较大。⑤内应力↓↓

第十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期二回复温度：T回复

=（0.25~0.3）T0T0—金属的熔点，单位为绝对温度(K)。工业上，常利用回复现象将冷加工的金属件低温加热，以降低内应力，基本保留加工硬化效果，这种热处理方法称为去应力退火。三、回复的应用

└去应力退火

目的：保持高的强度、硬度;

消除内应力，防止变形、开裂;

恢复物理、化学性能。第十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期二

一、定义

冷变形后的金属加热到低于Ac1的较高温度或保温足够长时间，通过新晶核的形成与长大，由畸变晶粒变为相同晶格类型等轴新晶粒的过程。7.3再结晶第十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期二

670℃加热铁素体变形80%

650℃加热第十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期二再结晶后组织发生了明显的变化，产生了无畸变的新晶粒——组织复原；性能也发生了明显的变化，恢复到冷变形前的水平。金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，即加工硬化现象被消除。第十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期二同素异构转变：由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程——有晶格类型转变。钢由室温加热到1000℃热轧：发生铁素体→奥氏体；轧后冷却到室温：发生奥氏体→铁素体。再结晶：无晶格类型转变。冷变形后在再结晶退火过程中：

畸变铁素体→无畸变铁素体；又如钢在1000℃热轧的过程中：

畸变奥氏体→无畸变奥氏体。

再结晶与同素异构转变的区别第二十页，共六十三页，编辑于2023年，星期二二、再结晶阶段的特点：

①加热温度较高：T>T再。②显微组织显著变化：转变为等轴、无畸变的新晶粒。③亚结构：位错密度大大降低。④性能显著变化：

HB和σ↓↓；δ和ψ↑↑。⑤内应力完全消除。第二十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期二三、再结晶晶核的形成和长大再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试用经典的形核理论来处理再结晶过程，但计算出来的临界晶核半径过大（与试验结果不符）。大量实验表明，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再结晶形核的必要准备。第二十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期二回复阶段，塑性变形所形成的胞状组织经多边形化发展成为亚晶粒，其中有些亚晶粒会逐渐长大，发展成为再结晶的晶核。亚晶粒长大成为再结晶晶核的方式可能有亚晶合并形核和亚晶界移动形核两种机制。1、亚晶粒长大形核机制亚晶粒长大形核机制一般在大的变形度下发生。第二十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期二亚晶合并形核机制

相邻亚晶界上的位错，通过滑移和攀移转移到周围晶界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，最后通过原子扩散和位置的调整，使两个或多个亚晶粒的取向变为一致，合并成一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。第二十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期二晶粒中某些局部位错密度很高的亚晶界向周边移动，吞并相邻的变形基体和亚晶粒而成长为再结晶晶核。亚晶界移动形核机制

第二十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期二当金属的变形度较小时，金属变形是不均匀的，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。若晶界两边一个晶粒的位错密度高，另一个晶粒的位错密度低，加热时晶界会突然向密度高的一侧移动（弓出），晶界扫过的区域位错密度下降，成为无畸变晶粒，这个晶粒就是再结晶晶核。2、晶界凸出形核机制第二十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期二晶界凸出形核现象曾经在铜、镍、银、铝及铝-铜合金中直接观察到

第二十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期二再结晶晶核形成后，就可以自发地、稳定地生长。晶核生长时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。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，再结晶过程即完成。此时的晶粒即为再结晶的初始晶粒。3、再结晶晶核的长大

第二十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期二再结晶不是相变过程，没有一个恒定的转变温度，变形后金属的再结晶自某一温度开始，在一个较宽的温度范围内连续进行的。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值。生产上通常把经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，经过约1小时保温能够完成再结晶的最低温度称为最低再结晶温度。注意：一般所说的再结晶温度通常指的是最低再结晶温度。四、再结晶温度及其影响因素第二十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期二

金属的最低再结晶温度与其熔点之间有近似关系:T再=δT熔其中T再、T熔为绝对温度。工业纯金属最低再结晶温度的计算：T再℃=(T熔℃+273)×0.4–273，例如：Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃

对于工业纯金属，δ为0.35~0.4；

对于高纯度金属，δ为0.25~0.35甚至更低。第三十页，共六十三页，编辑于2023年，星期二影响再结晶温度的因素有：

①金属的预先变形度金属预先变形程度越大,

金属储存能越多，组织越不稳定，再结晶温度越低。当预先变形程度达到一定大小后，金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值。当ε<40%，影响很显著；当ε>70%，T再趋于稳定值；当ε很小时，T再接近熔点，即不会有再结晶过程。

T再与变形度的关系第三十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期二②金属熔点金属熔点越高,T再也越高。原因：金属熔点高，原子之间的结合力强，原子难以扩散。如：Fe:1538℃→450℃;W:3300℃→1100~1200℃。

第三十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期二

③金属的纯度金属中杂质或合金元素，尤其是高熔点元素，阻碍原子的扩散、位错的运动和晶界的迁移，使最低再结晶温度显著提高。

第三十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期二④变形金属的晶粒度变形金属晶粒越细小，单位体积晶界总面积越多，位错在晶界塞积，导致晶格畸变区域越多，为再结晶形核提供场所越多，再结晶温度越低。第三十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期二五、再结晶晶粒度的控制

再结晶晶粒的平均直径d可用下式计算：

d=K（G/N）1/4

再结晶后的晶粒大小取决于G/N比值。凡使G/N↓的因素，都能细化晶粒。第三十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期二

①加热温度和保温时间

加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。再结晶退火温度对晶粒度的影响第三十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期二预先变形度的影响，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，晶粒大小没有变化。当变形度达到某一数值（2%~10%）时，再结晶晶粒特别粗大。这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，容易互相吞并和长大，再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称为临界变形度。预先变形度对再结晶晶粒度的影响②预先变形度第三十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期二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且均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形度后，晶粒度基本不变化。某些金属当变形量相当大（90%）时，再结晶后晶粒可能再次出现异常长大，一般认为这种现象与形变织构有关。这种现象只有在特殊条件下产生，不是普遍现象。预先变形度对再结晶晶粒度的影响第三十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期二拉深零件，A区未变形，B区变形很大，C区的变形量刚好在临界变形度范围。再结晶退火后，A区晶粒大小不变，B区晶粒细化，C区晶粒显著粗化。第三十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期二

④原始的晶粒度原始晶粒度越细，单位体积晶界总面积越多，晶界往往是再结晶形核的有利区域，再结晶后晶粒越细。

③金属的纯度金属中杂质或合金元素，尤其是高熔点元素，阻碍晶界的迁移，细化晶粒。第四十页，共六十三页，编辑于2023年，星期二六、再结晶的应用——再结晶退火目的：①中间退火：消除加工硬化效果；冷拔铁铬铝电阻丝生产中在氢气保护下再结晶退火。②细晶强化（如Al、Cu等）：冷塑性变形+再结晶退火→细小的再结晶晶粒。第四十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期二生产中把消除加工硬化现象、恢复金属塑性变形能力的热处理工艺称为再结晶退火。为缩短热处理时间，实际再结晶退火温度比最低再结晶温度通常高出100-200℃。第四十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期二再结晶阶段刚刚完成时，得到的是无畸变细小的等轴晶粒。若继续提高退火温度或延长保温时间，就会发生晶粒的长大现象。晶粒长大分为两种类型：晶粒均匀连续的正常长大和晶粒不均匀不连续的异常长大（又称为二次再结晶）。7.4晶粒长大第四十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期二再结晶完成后的晶粒是细小的，随加热温度↑，保温时间t↑，晶粒发生长大现象。①界面减少：细晶→粗晶；②界面能，与界面形态有关

┗平直晶界最稳定一、晶粒的正常长大晶粒的长大是一种自发过程，其驱动力是晶粒长大前后总的界面能差。细晶粒晶界多，界面能高。长大过程中，晶粒变大，则晶界的总面积减小，总界面能降低。所以细晶长大是一个自由能降低的自发过程第四十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期二晶界的驱动力与界面能和晶界的曲率有关。在长大过程中，驱动力与界面能成正比，与曲率半径成反比。即界面能越大，曲率半径越小，晶界移动的驱动力越大。在足够高的温度下，原子具有较高的扩散能力，原子不断的由一个晶粒向另一个晶粒扩散，原子运动的结果，界面朝着原子运动的反方向运动，晶界趋于平直化。第四十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期二影响晶粒长大的因素（1）加热温度

T↑，晶粒长大速度越快。

原因：晶界迁移过程就是原子扩散过程。原子扩散能力强，晶界迁移容易进行。（2）合金元素、杂质

杂质及合金元素均阻碍晶界运动→细化晶粒。晶粒长大是通过晶界迁移来实现的。第四十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期二如：灯泡钨丝中加钍形成弥散分布的ThO2);阻止钨丝高温下晶粒长大，提高灯丝寿命。如：钢中加少量的Al、Ti、V、Nb，形成第二相质点，保持本质细晶粒度钢，。弥散的第二相质点阻碍晶界运动→细化晶粒。

第二相愈弥散、愈细小、数量愈多，→细化效果愈明显。（3）第二相质点第四十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期二小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而界面移动的驱动力与界面能成正比，因此前者的迁移速度要小于后者。（4）相邻晶粒的位向差第四十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期二再结晶晶粒通常缓慢均匀长大，但如果有少数晶粒处在特别有利的环境，具有特别大的长大能力，它们将逐步吞食周围大量的小晶粒，迅速长大，尺寸超过原始晶粒的几十甚至上百倍。早期的研究以为异常长大也是形核和长大过程，因此称为“二次再结晶”。二、晶粒的异常长大大量研究表明，异常长大的实质是一次再结晶后某些晶粒处于特殊环境而优先长大，实际不存在再次形核的过程。某些金属经过严重的冷变形后，在较高温度下退火时，可能发生晶粒的异常长大现象，得到晶粒异常粗大的组织，使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能显著降低。这是一种不均匀、不连续的长大过程。第四十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期二晶粒的异常长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞食周围大量小晶粒的过程。严格说来是在特殊条件的晶粒长大过程，并非再结晶。原子穿过晶界扩散晶界迁移方向第五十页，共六十三页，编辑于2023年，星期二二次再结晶的基本条件:晶粒正常长大过程被(弥散的夹杂物、第二相粒子、织构等）强烈阻碍。二次再结晶的驱动力：界面能的差异。高纯Fe-Si箔材于1200℃真空退火时所产生的二次再结晶现象第五十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期二二次再结晶的特点:一次再结晶完成后，在继续加热或保温时，绝大多数晶粒长大缓慢，只有少数晶粒长大异常迅速，造成晶粒大小越来越悬殊，从而更加有利于大晶粒吞食周围的小晶粒。高纯Fe-Si箔材于1200℃真空退火时所产生的二次再结晶现象第五十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期二异常长大导致晶粒分布严重不均，对产品性能非常有害。零件服役时往往在粗大晶粒处产生裂纹，导致零件的破坏。在制定材料的再结晶退火时应避免二次再结晶。异常长大导致晶粒分布严重不均，长大后期可能造成材料晶粒尺寸过于粗大，对材料的性能带来十分不利的影响，使机械性能降低，尤其是塑性和韧性。第五十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期二7.5金属的热加工金属学中冷热加工的界限是以再结晶温度来划分。在再结晶温度以下的加工称为冷加工。在再结晶温度以上的加工称为热加工。一、热加工与冷加工的区别第五十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期二实质：是否有再结晶软化过程。衡量依据：T再。

如Fe的再结晶温度为451℃，其在400℃以下的加工为冷加工。如Sn的再结晶温度为-71℃，其在室温下的加工为热加工。如W的再结晶温度为1200℃，其在1000℃的加工为冷加工。第五十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期二钢材的塑性加工通常在单相奥氏体区进行，因为此时钢材的塑性好。钢材热加工过程中，金属内部发生塑性变形引起加工硬化的同时，发生回复再结晶的软化过程，即加工硬化和回复再结晶软化两个相反的过程同时发生，即发生所谓的动态回复与动态再结晶过程。动态回复：在塑变过程中发生的回复。动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。二、动态回复与动态再结晶第五十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期二金属热加工后的组织和性能受到热加工时硬化和软化的影响。当形变度大而加热温度低时，由变形引起的硬化工程占优势，随着加工过程的进行，金属强度、硬度上升，塑性逐渐下降。当形变度较小而加热温度较高时，再结晶和晶粒长大占优势。与静态再结晶过程相似，动态再结晶也是形核和长大的过程。动态再结晶是边加工边发生再结晶