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1、冷塑性变形金属的回复与再结晶引言：基本所有的金属都是由液态金属浇铸成铸锭之后，都需要进行一定的压力加工，如锻压，轧制，拉拔等，才能被应用。金属经过一定的压力加工之后，铸态的缩孔，疏松等缺陷得到消除，夹杂物被均匀分配，粗大的树枝晶被打碎，材料的塑性和强度也得到提高。虽然材料经历了塑性变形之后，特别是较大程度的冷变形之后，性能有了很大的提高，但是金属内部结构缺陷增多，强度，硬度上升，而塑性和韧性降低，金属的电阻率上升，耐蚀性下降，如果这些缺陷不进行消除，那么将对后续的加工和应用造成加大的影响。综上所述，了解金属变形后的回复机制，将对实际生产，材料的应用具有极大的意义。关键词：塑性变形，回复，再结晶
2、，晶核形成前言在对金属进行冷压力加工时，外力所做的功大部分以热的形式散失掉，仅有2%-10%的能量以弹性应变能和增加晶体缺陷等方式在金属中储存起来。弹性应变能是因变形不均匀而产生，也就是我们常说的残余应力，它占总存储能的比例很小，而90%以上的存储能以形成大量的空位和位错胞状结构而产生的畸变能为主要表现形式。从热力学的观点上看，这使金属处于不稳定的高能状态，有向低能状态转化的自发趋势，但由于室温下原子活动能力较弱，使得转化难以进行；当变形金属被重新加热时，便自发地向低能量状态，即冷变形前的状态转变。即发生回复、再结晶等过程，存储能是回复与再结品的驱动力。冷变形金属在加热时组织的变化过程如图1所
3、示。加热初期，变形的晶粒在光学显微镜下几乎无变化，但内应力却大大下降，这就是我们常说的回复阶段；随加热时间延长或温度升高，在冷变形金属的基体上形成新的无畸变的等轴晶晶核，然后晶核依靠晶界移动向畸变大的部位扩展，直至冷变形基体基本消失，完全被新的、无畸变的等轴晶粒取代，这就是再结晶过程；此时，如果继续升高温度或延长保温时间，再结晶后的晶粒会发生相互吞噬而长大，直到该温度或时间条件下达到一个较为稳定的晶粒尺寸为止，这就是晶粒长大过程。在冷变形基体上出现等轴晶之前的全部退火现象称为回复；在冷变形基体上出现新的等轴晶直至冷变形基体消失，全部变成等轴晶的退火过程称为再结晶；等轴晶在加热过程中尺寸不断增大
4、过程称为晶体长大过程。图1.变形金属加热过程中组织变化示意图冷变形金属重新加热时不但发生回复，再结晶和晶粒长大等组织变化而材料性能也随之发生变化。金属的硬度降低，塑性提高，导电率和延伸率都有极大的提高，随着再结晶的完成，金属的性能越来越接近变形之前的金属。一、 冷塑性变形金属的回复回复是冷塑性变形的金属，在随后的加热时冷变形基体尚未发生变化时的退火过程。在回复过程中，金属的组织发生了在光学显微镜下观察不到的变化，力学性能只有少许的变化，然而物理和化学性能却有明显的改变。1.1回复动力学简介性能回复程度与温度、时间的关系曲线称为回复动力学曲线。图2为多晶体的回复动力学曲线，该曲线上回复程度以屈服
5、应力来表示，纵坐标为剩余应变硬化分数(1R)，其中R=m-r/(m-0)，其中m，r和0别代表冷变形后、回复后和完全退火后的屈服应力。显然，R为性能恢复分数，(1R)则为退火后性能尚未恢复的部分,称为线性残留分数或剩余应变硬化分数,(1R)越小，即R越大，则回复程度越大,回复得越彻底。图2.同一变形程度多晶体在不同温度下退火时的回复动力学曲线从图2中可见，在一定的温度下，随着时间的延长，回复程度增加；回复开始速度较大，随时间增长速度减慢，直至速度为零时回复即告停止。在每一温度，回复程度大致都有一个极限值，温度越高，这个极限值越大，而且到达极限的时间也越短，即回复的速度也越大。1.2回复机理回复
6、过程可以分为低温、中温和高温三个阶段。在低温回复过程中，主要表现为空位的消失。冷变形所产生的大量空位，受热后发生空位迁移，使空位迁移到金属的自由表面或界面，或使空位与间隙原子重新结合；空位与位错发生交互作用；空位聚集成空位片等。这些因素都会使空位数量急剧减少，因而便与点缺陷敏感的电阻率发生不同程度的下降。中温回复的过程表现为位错的滑移，导致位错重新结合，异号位错的汇聚而抵消以及亚晶的长大。在冷塑性变形过程中，位错的不断增殖和塞积，大量位错的相互交互缠结而形成发团，井将晶粒分割成若干个细小的胞状结构。胞壁上纠缠着大量位错且有一定的厚度。在中温回复时，温度升高，使位错容易滑移，同一滑移面上的异号位
7、错相遇会相互吸引而抵消，不但使亚晶内部的位错数目减少，而且胞壁缠结位错的减少更为显著，重新调整排列规则，胞壁也变得明晰，形成回复亚晶。高温回复的过程是位错的进一步滑移并产生攀移，形成位错墙，发生多边形化的过程。同一滑移面上的异号位错已在中温回复时相互抵消而只留下同号位错，但其分布排列并不均匀，且多层相互平行的滑移面上的位错数目并不相同。在高温回复阶段，位错运动的动力学条件充分，不但容易发生滑移并能够进行攀移，由于攀移的结果使多层滑移面上的位错密度趋于相同，各位错之间的作用力又使同一滑移面上的位错分布均匀，间距大体相等，并且使各层滑移面上的位错在与滑移面垂直的方向上形成规则排列的位错墙，称为多边
8、形化，如图3和图4所示。多边形化构成的位错墙即是小角度晶界，它将原晶粒分隔成若干个亚晶粒。图3.刃形位错的攀移和滑移示意图图4.多变形化前、后刃形位错的排列状况1.3回复后金属性能的变化金属的电阻率是点缺陷敏感的一种物理性能，塑性变形使空位增加而导致金属电阻率增大；低温回复使空位消失，电阻减小，达到接近冷变形前的状态。力学能是对点缺陷不敏感的性能，故低温回复之后力学性能不发生较大改变。中温回复时，第一类应力消除，使金属构件尺寸稳定；第二类应力基本上消除了，抗应力腐蚀有明显提高甚至恢复到冷变形前的状态，所以许多金属材料如黄铜加工产品在出厂之前要经过消除应力退火，防止以后放置或使用时造成晶界应力腐
9、蚀开裂。由于位错数量的减少并不显著，故力学性能基本上不发生变化。高温回复时，除了上述的物理和化学性能得到完全的回复外，由于多边形化的形成，力学性能稍有变化，强度有所降低和塑性有少量改善。某些金属材料出厂前，进行较高温度的消除应力退火，除了提高耐腐蚀性之外，在消除应力、尺寸稳定的前提下，保留变形硬化效果，也是退火的目的之一。如用冷拉钢丝卷成弹簧，在成形之后，要在250-300进行退火以消除低内应力并使之定形，而强度和硬度又基本上保持不变。二、 再结晶将冷加工以后的金属加热到一定温度以后，在变形的组织中重新产生新的无畸变的等轴晶粒，性能恢复到冷加工前的软化状态，这一过程称为“再结晶”。必须指出，再
10、结晶不同于重结晶(同素异构转变)，冷变形金属经再结晶后晶体结构不发生变化，而重结晶则发生晶体结构的改变。2.1再结晶晶核的形成与长大再结晶过程是一个形核与晶核长大的过程，如图5所示，图中的影线部位代表加工后被压扁或拉长的变形晶粒，白色的部位代表再结晶开始至结束晶核的形成及长大成为等轴晶的过程。2.1.1再结晶晶核的形成机制图5.再结晶过程示意图再结晶形核方式与冷变形度有关，当冷变形程度很大时，通常采取亚晶形核方式，当变形量较小时，采取大角度晶界的弓出形核方式。1)亚晶形核机制冷变形度较大的金属，经回复退火后在冷变形晶粒内部形成许多回复亚晶，再结晶晶核就是在亚晶基础上萌生的。对于层错能较低的金属
11、，它们常借助亚晶界移动形核；而层错能较高的金属则依靠相邻亚晶粒合并来形成再结晶晶核。首先讨论亚晶界移动形核，层错能较低的金属在变形量很大时，晶体内的位错密度较高，并形成缠结位错所构成的形变胞状结构。变形越大则胞状结构取向差越小。但在变形晶体中，总会存在某些畸变较轻、位错密度较低并与周围位向差较大的亚结构。经回复后，这些取向差较大的亚晶边界具有较大的话性，能够直接发生迁移吞并周围位错密度较高的亚晶，从而长大成为晶核，如图6所示。图6.低层错能金属中局部位错密度很高的亚晶界发生迁移，逐渐长大为核心图7.高层错能金属A，B，C三个亚晶粒合并为一个核心图8.当变形程度较低时，大角度晶界上有一段弓出发展
12、为晶粒亚晶合并形核，对层错能较高的金属，内于位错易于运动，在回复后亚晶界上的位错网络容易通过交滑移、攀移转移到其他晶体上，导致亚晶界的消失而位亚晶之间合并成为晶核，如图7所示。随亚晶合并，取向差不断增大，新亚晶的边界不断有解离的位错汇集，逐渐累积，最终成取向差较大的大角度晶界。2)晶界弓出形核机制 当变形程度较小(约小于40%)时，金属的变形不均匀，各个晶粒内的位错密度互不相同，晶界两侧经回复后的多边形化的亚晶大小也不一样。退火时，原大角度晶界上的一小段突然向组织致密的、位密度高的一侧弓出，并逐渐形成块无位错区域，这一区域就合成为再结晶晶核而继续长大，如图8所示，这一机制又称“应变诱导晶界移动
13、”机制。2.1.2再结晶晶核长大过程晶核形成之后，核心部位的畸变能很低，而周围的冷变形基体仍处与位错密度很高的高能状态。显然，两部位之间的畸变能差成为晶粒长大的驱动力、推动晶界向高能区移动，于是无畸变的低能区迅速蚕食高能区并不断释放出能量，使晶核长大直至冷变形基体的高能区消失，各区域之间达到能量平衡为止，再结晶完成。2.2再结晶温度的影响因素影响再结晶温度的因素主要有以下几种：1.金属的纯度在金属中存在杂质或添加合金元素，明显提高再结晶温度。这是由于异类原子通常偏聚于位错线周围和晶界处，阻碍位错的运动及晶界的迁移，而且杂质或合金元素还阻碍原子的扩散，因此，要使再结晶进行，就必须提高温度给予更大的激活条件。2.金属的冷变形度越大，存储能能量越多再结晶时驱动力越大，故再结晶温度越低。但当变形度增加到一定数值之后，再结品温度趋于定值。3.加热速度的影响，如果加热时速度缓慢，变形的金属能充分进行回复，并释放相当大的一部分存储能，故再结晶温度愈低。4.原始晶粒越细，存储能越高，再结晶温度越低。结论回复和再结晶在金属热加工和消除金属加工硬化方面有着极为重要的作用，本文讲述回复与再结晶的机理，对以后我们金属热加工和消除加工硬化有着一定的作用。参考文献1汤酞则.材料成形工艺基础.长沙：中南大学出版社2机械工业标准化与质量，20093崔占全.金属学与热处理.，北京:北京大学出版社2010
