钢的再结晶与控扎教程

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1、钢的回复、再结晶与控扎控冷 30%变形 50变形70变形 钢的冷变形组织 (1) 纤维组织形成 随着金属外形的变化，其内部晶粒的形状也发生相应的变化。 当变形量很大时，晶界变得模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现 出一片纤维状的条纹，称为纤维组织。 纤维组织使金属的性能具有明显的方向性，其纵向强度和塑性 高于横向。 (2) 亚结构的细 化 实际晶体中各晶粒内存在着许 多尺寸很小、位向差也很小的亚结 构，塑性变形前，铸态金属的亚结 构约为 102m，塑性变形后，亚结 构直径将细化到110-2m。 变形晶粒由许多胞块组成，这 种亚结构称为形变亚晶或形变胞。 各胞块之间存在着微小的位向差， 不超过2，胞壁

2、堆积有大量的位错 ，而胞内体积中位错密度很低，约 为胞壁的1/4，胞壁的厚度约为胞块 的1/5。 50变形 30变形 70变形 变形量，则胞块数量，尺寸，胞块的位向差，且其形 状随晶粒的形状改变而变化，均沿着变形方向逐渐拉长。 形变亚结构是在塑性变形过程中 形成的，在切应力的作用下位错源产 生的大量位错沿着滑移面运动时，堆 积和交割形成缠结。 形变亚结构的出现对滑移过程的 进行有巨大的阻碍作用，可使金属的 变形抗力显著升高，是产生加工硬化 的主要原因之一。 (3) 形成变形织构 当变形量很大时，各晶粒的取向会大致趋于一致。这种由于塑性变 形的结果而使晶粒具有择优取向的组织叫做变形织构。 丝织构

3、： 在拉拔时形成，其特征是各 晶粒的某一晶向与拉拔方向平行 或接近平行。 板织构： 在轧制时形成，其特征是 各晶粒的某一晶面平行或接 近平行于轧制平面，而某一晶 向平行或接近平行于轧制方向 。 （4）形成加工硬化 随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著升高，而塑性、 韧性显著下降，这一现象称为加工硬化。 产生加工硬化的原因，目前普遍认为与位错的运动和交互作用 有关，随着塑性变形的进行，位错的密度不断增加，因此，位错运 动时相互交割加剧，产生位错塞积群、割阶、缠结网等障碍，阻碍 位错的进一步运动，引起变形抗力增加，因此提高了金属强度。 （5）形成三类内应力 金属在塑性变形过程中外力所作的功大部

4、分转变为热能，一小部分（ 10%）保留在金属内部，形成残余应力和点阵畸变。 宏观内应力（第一类内应力） 由金属工件或材料各部分间的宏观变形不均匀而引起的，其平衡范 围是物体的整个体积。如冷拉圆钢，由于外圆变形小，中间变形大，所以 表面受拉应力，心部受压应力。 微观内应力（第二类内应力） 由各晶粒或各亚晶粒之间的变形不均匀而产生的，其平衡范围是几 个晶粒或几个亚晶。 点阵畸变（第三类内应力） 由金属在塑性变形中产生大量点阵缺陷（如位错、空位、间隙原子 等），使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，而造成的晶格畸变。其 作用范围更小，在几十至几百纳米范围内，它使金属的强度、硬度升高， 而塑性和抗腐蚀性

5、下降。 变形金属所吸收的能量的绝大部分（8090%）消耗于点阵畸变。 金属的变形状态与稳定性 金属在塑性变形时消耗大量的能量，其中绝大部分转变 成热而散失，一小部分（百分之几至百分之十几）以增加晶 体缺陷所引起的畸变能和由于变形不均匀所引起的弹性应 变能的形式储存于金属内部，称为储存能。 由于储存能的存在，使塑性变形后的金属材料的自由能 升高，使其在热力学上处于不稳定的亚稳状态，它们有自 发地恢复到变形前低自由能、稳定状态的趋势。 在常温下，由于原子的活动能力很小，原子的扩散速度 太慢，这种变化极为缓慢。如果温度升高，金属原子具有 足够的活动能力，冷变形金属就会由亚稳状态向稳定状态转 变，从而

6、引起一系列组织和性能的变化，储存能就是这一系 列变化的驱动力。 形变金属在退火过程中显微组织的变化 回复，再结晶，晶粒长大过程示意图 变形金属在退火过程中的性能变化 回复阶段再结晶阶段 内应力第一类内应力消除， 第二、三类内应力部分消除 第一、二、三类 内应力完全消除 强度、硬度略有下降显著下降 塑性略有提高大大提高 电阻显著变化显著变化 回复: 指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微 组织发生改变以前（即再结晶晶粒形成以前）所产生的 某些亚结构和性能的变化过程。 将冷变形金属加热到不高的温度，变形金属的显微组织无显著 变化（晶粒仍保持纤维状或扁平状的变形组织），此时，金属的机 械性能（强度

7、、硬度、塑性）变化不大，但某些物理、化学性能发 生明显变化，如电阻显著减小，抗应力腐蚀能力提高，第一类内应 力基本消除。 在回复初期，变化较大，随 后就逐渐变慢，当达到一个极限 值后，回复也就停止了。 在每一个温度，回复的程度 大多有一个极限值，温度越高， 这个极限值越大，同时达到这个 极限值所需的时间越短。达到极 限值后，进一步延长退火时间， 没有多大实际意义。 回复动力学 回复的程度是温度和时间的函数，温度越高，回复的程度越大； 当温度一定时，回复的程度随时间的延长而逐渐增加。 经拉伸变形的纯铁在不同温度退火时 屈服强度的回复动力学曲线 回复机理 回复是点缺陷和位错在加热时发生运动，从而改

8、变它们的组态 分布和数量的过程。回复阶段要发生以下组织变化： 点缺陷及点缺陷群的消除 在低温加热时，点缺陷主要是空位比较容易移动，它们可以移至晶 界或位错处而消失，也可以聚合起来形成空位对、空位群，还可以和间 隙原子作用而消失，结果使点缺陷密度明显下降。 点缺陷变化对电阻率较敏感，而对机械性能不敏感，故电阻率显著 下降，而机械性能不变化。 位错的相消和重新排列 当加热温度较高时，不仅原子有很大的活动能力，而且位错也开始 运动。处于同一滑移面上的异号位错可以相互吸引而抵消，使位错密度 降低，缠结中的位错也可以重新组合，亚晶粒也会长大。 多边化或亚晶的形成和长大 当加热温度更高时，位错不仅可以滑移

9、 ，而且可以攀移（位错沿垂直滑移面的方向 运动），分布于滑移面上的同号刃型位错互相 排斥，并按照某种规律沿垂直于滑移面的方向 排列成位错墙，构成小角亚晶界，在变形晶粒 中形成许多较完整的小晶块，称为回复亚晶， 这一过程称为多边化。 多边化过程实质 上是位错从高能态的 混乱排列向低能态的 规则排列移动的过 程。 冷变形状态0.1h回复 50h回复 300h回复 回复过程中亚结构的变化 ab c d 当冷变形金属的加热温度高于回复温度时，在变形组织的基 体上产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，逐渐 取代变形组织，性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化 状态，这个过程称为再结晶。 再结晶

10、的驱动力也是冷变形产生的储存能。 强度、硬度显著下降，塑性和韧性显著提高，内应力、加 工硬化状态消除，金属又重新复原到冷变形之前的状态 （1） 再结晶晶核的形成与长大 再结晶时通常是在变形金属的能量较高的区域（如晶界、孪晶界、 夹杂物周围）优先形核。 亚晶长大形核机制 在大变形度下发生，有两种 可能： 亚晶移动形核。靠某局部位 错密度高的亚晶界移动，吞并相 邻变形基体和亚晶而成长为晶核 。 亚晶合并形核。相邻亚晶粒 某边界上位错攀移和滑移到周围 晶界或亚晶界，使原亚晶界消失 ，经原子扩散和调整，导致两个 或更多亚晶粒取向一致，合并成 大晶粒，构成大角度晶界，所包 围的无畸变晶体成为晶核。 晶界

11、突出形核机制 多发生在变形度较小的金属中，又称凸出形核。 由于变形度小，故金属的变形很不均匀，回复后，亚晶粒大小也不同 。再结晶时，大角度晶界中某一段就会向亚晶粒细小，位错密度高的一 侧弓出，所扫过的区域位错密度下降，称为无畸变的晶体，即成为再结晶 晶核。 再结晶晶核的长大 再结晶核心无论以何种方式形成，都可借助大角度晶界向畸变区移 动而长大，晶核长大时，驱动力为无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能 差。 变形晶粒完全被新生的、无畸变的再结晶晶粒所取代时，再结晶结 束，此时的晶粒大小为再结晶的初始晶粒。 （2）再结晶温度及影响因素 再结晶温度： 经大量变形（变形度70%）的金属，在 约1h 保温时

12、间内，能够完成再结晶（再结晶体积分数 95%）的最低加热温度。 再结晶前后晶格类型不变，化学成分不变，所以再结晶过程不是相 变，再结晶温度不是一个物理常数，而是一个温度范围。 大量实验统计结果表明，工业纯金属再结晶开始温度（T再）与其 熔点之间存在如下近似关系： T再=(0.250.4)Tm 影响再结晶温度的因素 : 变形程度 冷变形程度，储存能，再结晶的驱动力，再结晶温度。 当变形增加到一定值后，再结晶温度趋于一稳定值。 金属的纯度 金属的纯度，再结晶温度。 金属中的微量杂质或合金元素，特别是高熔点元素，会阻碍原子的扩 散、位错运动或晶界迁移，因此能显著提高金属的再结晶温度。 原始晶粒尺寸

13、原始晶粒，再结晶温度。 由于细晶粒金属的变形抗力较大，冷变形后的金属储存能较高。 加热时间和加热速度 加热保温时间，原子扩散移动越充分，越有利于再结晶晶粒的形核 和生长，使再结晶温度 。 因再结晶过程需要一定的时间来完成，所以加热速度会使再结晶温 度 ；若加热速度 ，变形金属在再结晶之前产生回复，使储存能降低， 再结晶驱动力减小，也会使再结晶温度 。 （3）再结晶晶粒大小的控制 再结晶后，金属性能发生重大变化，但并不意味与变形前的金属完全 相同。金属性能主要决定于再结晶晶粒大小 G/N。 变形量很 小时，储存能 也很小，不足 以引起再结晶 ，晶粒度不会 改变。 当变形量达到某 一数值（210%

14、） 时，再结晶的晶粒 特别粗大，此变形 量称为临界变形量 。此时变形量较小 ，N较低，G/N值 较大。 变形量大于临界变形量后，晶粒逐 渐细化，变形量越大，晶粒越细小。 随变形量的，储存能，N和G都 ，但N的增加大于G的增加。 当变形量达 到一定程度后， 再结晶晶粒大小 基本保持不变。 对于某些 金属和合金， 当变形度相当 大时，再结晶 晶粒又会重新 出现粗化现象 ，这是二次再 结晶造成的。 变形程度 原始晶粒尺寸 金属的原始晶粒尺寸，晶界面积，再结晶的形核率，再 结晶后的晶粒尺寸。 杂质与合金元素 金属中的杂质与合金元素一方面增加变形金属的储存能， 另一方面障碍晶界的移动，起到细化晶粒的作用

15、。 变形温度 变形温度，回复程度，变形金属的储存能 ，再结晶晶粒。 退火温度 退火温度，再结晶晶粒尺寸。 热形变过程中奥氏体的再结晶行为 当钢在高温奥氏体状态下形变时，其流变应力先升高 到最大，然后降低到恒定状态。在应力峰左侧的应变范围 内，动态回复在起作用；而在恒定状态范围内，则是动态 再结晶在起作用。 应力应变曲线 三种静态复原过程：即静态回复、静态再结晶和亚动态( 准动态)再结晶。 应变的软化面积对每种机理的贡献的依存关系 l-静态回复；2-准动态再结晶；3-经典再结晶(静态) 发生动态再结晶所必需的最低形变量称为动态再结晶的临 界形变量，以c表示。c几乎与真应力-真应变曲线上应力峰值

16、所对应的应变量p相等，精确地讲c0.83p，p的大小与钢的 奥氏体成分和形变条件(形变温度、形变速度)有关。 t是达到稳态时的应变量 。 由动态再结晶产生核心到 全部完成一轮再结晶所需要的 形变量用r表示，r可能大于c ，也可能小于c 。 再结晶的三个阶段 第一阶段：随着形变量增加形变抗力增加，直到达到最大值。 金属发生塑性形变，位错密度不断增加，从原始退火状态时的108 109/mm2达到屈服极限时的1091010/mm2，以后随着形变量增大位错密度 继续增加，这就是材料的加工硬化，造成形变应力不断增加达到峰值。 另一方面，材料在高温下形变中产生的位错能够在热加工过程中通过 交滑移和攀移等方式运动，使部分位错消失，部分重新排列，造成奥氏体 的回复。当位错重新排列发展到一定程度，形成清晰的亚晶界，称为动态 多边形化。奥氏体的动态回复和动态多边形化都使材料软化。 由于位错的消失速度与位错密度绝对值有关。因此当形变量逐