《材料科学》恢复力学与再结晶

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1、1 1 第一节 冷变形金属在加热时的变化 第二节 回复 第三节 再结晶 第四节 晶粒长大 第五节 金属的热变形 7 回复与再结晶 7 回复与再结晶 金属材料冷变形时，其内部的位错、空位、间隙原子等 多种点阵缺陷将发生增殖和运动，其结果是点阵缺陷密 度增大并排列成高能量的组态。 产生的结果是： 使金属内部组织结 构及一系列与上述点阵 缺陷有关的物理、力学等性能较冷变形前发 生明显变 化。 使金属变形时所消耗能量的一部分（不 超过总 消耗的百分之几）以点阵缺陷所具 有的应变 能储存于金属内部。 变形储存能：冷变形时储存于金属内部的能量。 7.1 冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化 7

2、.1.1显微组织的变化 冷变形后金属在加热时，其组织和性能会发生变化，根据观察可以 将这个过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段： 回复阶段：新的无畸变晶粒出现前所产生的亚结构和性能变化的阶 段，在金相显微镜中无明显变化； 再结晶阶段：无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程； 晶粒长大阶段：再结晶结束后晶粒的长大过程。 7.1 冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化 7.1.2 性能的变化 回复阶段：冷变形强化效果仍能大 部分保留。 再结晶阶段：强度、硬度明显下降， 塑性升高，冷变形强化效果丧失，金 属软化。 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降, 塑性继续提高，粗化严重时塑性也下 降

3、。 密度:在回复阶段变化不大，在再结 晶阶段急剧升高； 电阻：电阻在回复阶段可明显下降。 （1 1）力学性能）力学性能 （2 2）物理性能）物理性能 各各阶阶段性能段性能变变化示意化示意图图 回复阶段：内应力部分消除； 再结晶阶段：内应力全部消除。 （3）内应力的变化 7.1 冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化 7.1.3 储存能的释放 冷变形阶段形成的储存能使金属处于亚稳态，在退火阶段组织和性 能的变化过程既是储存能的释放过程。 储存能是变形金属加热时发生回复与再结晶的驱动力。 曲线对比表明： 回复阶段时各材料释放 的储存能量均很小。 不纯金属及合金在再结 晶前的回复阶段，储存

4、能 释放的较多。 杂质或合金元素对基体 金属再结晶过程存在推迟 作用。 图 变形金属退火过程中的能量释放 纯金属不纯金属 合金 7.2 回复 7.2.1回复过程中微观结构的变化机制 回复：回复：冷变形金属在加热时，其光学显微组织未发生改变前的晶体冷变形金属在加热时，其光学显微组织未发生改变前的晶体 缺陷运动过程。缺陷运动过程。 回复的驱动力：弹性畸变能的降低。 （1）低温回复（温度：0.1Tm0.3 Tm） 在低温加热时，冷变形金属的回复与空位、间隙原子等点缺陷的运动有 关，这些运动主要有两种情况： 点缺陷迁移至晶界、表面、位错处而消失； 空位和间隙原子相遇对消。 u根据回复阶段加热温度及内部

5、结构变化特征、机制不同，将其分为三类： 因此，金属中的点缺陷密度明显降低。 点缺陷运动 7.2 回复 7.2.1回复过程中微观结构的变化机制 （2）中温回复（温度：0.3Tm0.5 Tm） 中温加热时，冷变形金属的回复仍与点缺陷的运动有关，但由于回复温度 的升高，金属中原来运动受阻的位错因热激活重新开始滑移并成为中温回 复的主要机制。其主要表现有两种： 同一滑移面上的异号位错相遇而抵销同一滑移面上的异号位错相遇而抵销 亚晶规整化，位错胞（缠结）亚晶规整化，位错胞（缠结）位错滑向胞壁位错滑向胞壁 异号位错对异号位错对 消消 胞壁较窄、清晰胞壁较窄、清晰亚晶界形成亚晶界形成 位错滑移 因此，金属中

6、的位错密度降低。 7.2 回复 7.2.1回复过程中微观结构的变化机制 （3 3 ）高温回复（）高温回复（温度： 0.5Tm） 由于高温加热对位错的热激活进一步加强，变形金属的回复机制主 要与位错的攀移运动有关。 F同一滑移面上的同号刃型位错在本身弹性应力场作用下，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，如图所示，以降低总畸变能。 图 回复过程中的位错攀移与滑移 图为经弯曲变形的单晶体产生高温回复多边化过程的示意图。图a为 弯曲变形后滑移面上存在的同号刃型位错塞积群； 图b为高温问复时，按攀移与滑移模型，沿垂直于滑移面方向排列并 具有一定

7、取向差的位错墙(小角度亚晶界)以及由此所产生的亚晶（回复 亚晶），即多边化结构。 图 位错在多边化过程中重新分布 7.2 回复 7.2.1回复过程中微观结构的变化机制 多边化 -高温回复阶段，刃型位错通过攀移和滑移而形成低能排列方 式的过程。 a b 7.2 回复 7.2.2 回复动力学 在回复阶段，材料性能的变化是随温度和时间的变化而变化的，图所示就 是相同变形程度多晶体铁在不同温度下的回复动力学曲线。 图中纵坐标为余应变硬化率(1R)。R为屈服应力回复率， 其中m、r和0分别代表变形前、变形后 以及回复后的屈服应力。 显然，屈服应力回复程度R愈大，则剩余 应变 硬化率(1R)越小。 特点：

8、 图 同一变形度的Fe在不同温度等温退火后的性能变化曲线 无孕育期； 开始变化快，随后变慢； 长时间处理后，性能趋于一平衡值； 加热温度越高，回复程度也越高； 变形量越大，初始晶粒尺寸越小， 有助于加快回复速率。 回复特征通常可用一级反应方程来表达，即： 7.2 回复 7.2.2 回复动力学 式中t为恒温下的加热时间 ，x为冷变形导致的性能增量经加热后的残留分数，c 为与材料和温度有关的比例常数，c值与温度的关系具有典型的热激活过程的特点 ： 式中Q为激活能，R为气体常数(8.3110-3J/molK)，c0为比例常数，T为绝对 温度。 将式7.2代入方程7.1中并积分，以x0表示开始时性能增

9、量的残留分数，则得 ： （7.1） （ 7.2） （ 7.3） （7.4） 说明：与其它热激活过程一样，回复的速度随温度升高而增大。 如果采用两个不同温度将同一冷变形金属的性能回复到同样程度，则有 ： -冷变形金属的回复过程能使内应力得到很大程度的消除，同 时又能保持冷变形强化状态。 7.2 回复 7.2.2 回复动力学 7.2.3 去应力退火 回复退火的应用 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

10、。 7.3 再结晶 7.3.1 再结晶的形核及长大 再结晶：经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒 的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。 （再结晶是一个显微组织彻底改组、变形储能充分释放、性能显著变化的过程。 ） 形核的两种方式：晶界凸出形核、亚晶形核。 （1）晶界凸出形核-晶核伸向小位错胞晶粒(畸变能较高区域)内 对于变形程度较小的金属（一般小于20%），再结晶晶核往往采用凸出形核机制生成 ，如图所示。 图 晶界弓出形核 原因：当变形度较小时，变形在各晶粒中往往不够均匀，处于软取向的晶粒变形较大。 1414 7.3 再结晶 7.3.1 再结晶的形核及长大 若界面由I

11、向II推进，则： 当/2时，晶界可以自发生长，因 此，凸出形核所需的能量条件为： E 2/L 如图所示 ，设A、B为两相邻晶粒，其中由于B晶粒变形时处于软取向，因此 变形程度也大于A晶粒，其形变后位错密度高于A晶粒，在回复阶段所形成的亚 晶尺寸也较小。 为降低系统能量，在再结晶温度下，晶界某处可能向B晶粒侧弓出，并吞食B 中亚晶，形成缺陷含量大大降低的晶核。 图 晶界凸出形核模型 E-单位体积A、B相邻晶粒储存能差；A-增加的晶界面积。 可见，并非晶界上任何地方都能够凸出形核，只有能量满足一定条件才可能。 7.3 再结晶 7.3.1 再结晶的形核及长大 某些取向差较小的相邻亚晶界上的位错网络通

12、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，它具有比小角度晶界大得多的迁移速度，从而成为再结 晶晶核，如图所示。 （2）亚晶形核机制 对冷变形量较大的金属，再结晶晶核往往采用亚晶形核机制生成。 原因：形变量较大，晶界两侧晶粒的变形程度大致相似，因此弓出机制就不 显著了。这时再结晶直接可借助于晶粒内部的亚晶作为其形核核心。 1）亚晶合并机制 图 亚晶合并形核机制 7.3 再结晶 7.3.1 再结晶的形核及长大 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

13、某些亚晶的直接长大，如图所示。 2）亚晶直接长大机制 图 亚晶直接长大形核机制 1717 7.3 再结晶 7.3.1 再结晶的形核及长大 以凸出方式形成的再结晶核心，一旦超过临界半径，便自发向高 畸变能的晶粒中生长； 以亚晶机制形成的再结晶核心，一旦形成大角晶界，就可以迅速 迁移生长。 （3）再结晶晶核的长大 晶界迁移的驱动力：主要是相邻晶粒间的畸变能差。 注：注：再结晶不是相变过程。再结晶不是相变过程。 7.3 再结晶 7.3.2 再结晶动力学 再结晶过程存在着孕育期； 开始时再结晶速度很小，然后逐渐加快，再结晶分数约50%时达到最大，然后 逐渐降低； 温度越高，最再结晶转变速度越快。 再结

14、晶动力学曲线如图所示的“S”形特征（为Fe-0.03C-0.5Mn-0.19Nb合金冷轧80%） 。图中纵坐标表示已再结晶晶粒分数，横坐标表示保温时间。 图 同一变形度的Fe在不同温度 等温退火后的再结晶曲线 （1）特点： （2）描述： （QR-再结晶激活能；R-气体常数；A-比例常数；T-绝对温 度） 再结晶速度与温度的关系： 由于：v再1/t，所以： 在两个不同温度T1、T2等温 退火，产生同样程度的再结 晶所需的时间分别为t1、t2 ，则： 1919 (1)理论再结晶温度 -冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。 7.3 再结晶 7.3.3 再结晶温度 (再结晶在0.51h内完成时) 工业

15、纯金属：工业纯金属：T T再 再 (0.35(0.350.45)T0.45)T m m 。 测定方法： 硬度法 金相法 （2）实际再结晶温度 -经过较大冷变形（变形量70%）的金属，在1h内能够完成 再结晶（或再结晶体积分数95%）的最低温度。 注：实际再结晶退火温度一般比上述温度高100200。 经验公式 高纯金属：高纯金属： T T再 再 (0.25(0.250.35)T0.35)T m m 。 合金：合金： T T再 再 (0.4(0.40.9)T0.9)T m m 。 l再结晶不是一个恒温 过程，它是自某一温 度开始，在一个温度 范围内连续进行的过 程。 7.3 再结晶 7.3.4 影响再结晶的因素影响再结晶的因素 （1）退火温度 -温度越高，再结晶速度越大。 （2） 变形量 -变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结 晶 温度趋于稳定