第九章 回复、再结晶与金属热加工第九章 回复、再结晶与金属热加工第九章回复、再结晶与金属热加工9.1 概述第九章回复、再结晶与金属热加工9.1 概述?机械功（塑性变形）热量（散失）晶体内部缺陷 → 金属处于不稳定的 高能状态 → 有向低能转变的趋势?转变的三个阶段：回复回复（recovery） 、再结晶再结晶 （recrystallization）和晶粒长大晶粒长大（grain growth）?回复与再结晶的用途：再结晶退火，去应力退火， 金属高温强度调整等本章重点：转变过程三个阶段中的组织、性能的变 化规律及主要影响因素9.2 冷变形金属加热时组织与性能变化9.2.1 回复再结晶9.2 冷变形金属加热时组织与性能变化9.2.1 回复再结晶（1）（1）回复回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程再结晶再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程冷变形金属组织随加热温度及时间的变化示意图9.2.2 显微组织的变化9.2.2 显微组织的变化?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，塑性继续提 高，粗化严重时下降9.2.3 性能变化9.2.3 性能变化 （1）力学性能（1）力学性能（2）物理性能（2）物理性能 密度：回复阶段变化不大， 再 结 晶 阶 段 急 剧 升 高； 电阻：由于点缺陷密度下 降，电阻在回复阶段 可明显下降9.2.4 储存能变化9.2.4 储存能变化 （（1））储存能储存能：：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％） 变形功2）储存能存在形式（2）储存能存在形式弹性应变能（3～12 ％）位错（80～90％）点缺陷驱动力（（3）储存能的释放）储存能的释放：原子活 动能力提高，迁移至平 衡位置，储存能得以释 放9.2.4 内应力变化9.2.4 内应力变化回复阶段：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：再结晶阶段：内应力可完全消除9.3 回复9.3.1 回复动力学9.3 回复9.3.1 回复动力学（（1）回复动力学曲线）回复动力学曲线（2）回复动力学特点（2）回复动力学特点? 回复过程没有孕育期没有孕育期，随着退火的开始进行,发 生软化。
在一定温度下，开始变化快，随后变慢开始变化快，随后变慢，直到最 后回复速率为零 每一温度的回复程度有一极限值有一极限值，退火温度越 高，这个极限值也越高,而达到此极限所需时间 则越短 回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平低温回复低温回复：回复的机制主要是过剩空位的消失过剩空位的消失，趋向于平衡空位浓度中温回复中温回复：其主要机制是位错滑移位错滑移，导致位错重新组 合位错重新组 合；异号位错会聚而互相抵消以及亚晶粒长 大，位错密度降低位错密度降低高温回复高温回复：回复机制是包括攀移攀移在内的位错运动位错运动和多边 化多边 化，以及亚晶粒合并亚晶粒合并，弹性畸变能降低弹性畸变能降低9.3.2 回复过程及机制9.3.2 回复过程及机制一般认为是点缺陷和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的组态和分布滑移→攀移→攀移攀移：刃型位错沿垂直于滑移面垂直于滑移面的方向运动，沿攀移后所在的滑移面滑移，使在同一滑移面并排的同号位错处于不同滑移面竖直排列竖直排列，以降低总的畸变能降低总的畸变能回复中刃型位错的攀移及滑移多边化多边化：刃型位错通过攀移和滑移构成竖直排列竖直排列（位错墙），形成位错墙位错墙的过程称为多边形化。
多边化示过程意图回复亚晶回复亚晶：多边化形成小角度晶界，亚晶界将原来的晶粒分 割成许多亚晶块实质：胞壁处的缠结位错不断聚集、使胞壁变 薄，逐渐形成网络，构成清晰的亚晶界过程a））（（b））（（c））（（d））纯铝室温5％冷变形后200℃回复退火不同时间位错胞壁结构的变化9.3.3 回复退火的应用9.3.3 回复退火的应用主要用作去应力退火去应力退火，使冷加工金属在基本上保持加工硬化保持加工硬化的状态下降低其内应力降低其内应力，以稳定稳定和改善性能改善性能，减少变形和开裂减少变形和开裂，提高耐蚀性提高耐蚀性9.4 再结晶9.4 再结晶再结晶再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度后，无畸变的 新晶粒取代变形晶粒无畸变的 新晶粒取代变形晶粒的过程 经过再结晶，性能可恢复到变形以前的完全软 化状态9.4.1 再结晶的形核与长大9.4.1 再结晶的形核与长大（1）再结晶形核（（1）再结晶形核（非均匀形核）①）① 晶界凸出形核机制晶界凸出形核机制：一般发生在形变较小的金属中变形不均匀，位错密度不同能量条件：LEsσ2≥Es：：单位体积变形畸变能的增量； σ：σ：晶面能 L ：：球冠半径?亚晶界凸出形核，凸向亚晶粒小的方向。
② 亚晶界形核机制② 亚晶界形核机制一般发生在冷变形度大的金属 亚晶合并形核亚晶合并形核，适于高层错能金属过程：位错多边化→回复亚晶→形核? 亚晶粒长大形核亚晶粒长大形核：： 适于低层错能金属，通过亚晶合 并和亚晶长大，使亚晶界与基体间的取向差增大，直 至形成大角度晶界，便成为再结晶的核心2）再结晶的长大（2）再结晶的长大长大长大驱动力：畸变能（整体），畸变能差方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新晶粒相互接触 （注：再结晶不是相变过程9.4.2 再结晶动力学9.4.2 再结晶动力学 （（1）再结晶速度与温度的关系）再结晶速度与温度的关系 v再再＝＝Aexp(-QR/RT) （（2）规律）规律 具有S形形特征，存在孕育期，开始时再结晶速度很 小，在体积分数为体积分数为0.5时最大时最大，然后减慢 温度越高，转变速度越快 变形量越大，转变速度越快9.4.3 再结晶温度9.4.3 再结晶温度 （（1））再结晶温度再结晶温度：：经严重冷变形严重冷变形（变形量>70%）的金属 或合金，在1h内能够完成再结晶内能够完成再结晶（再 结晶体积分数>95%）的最低温度最低温度是 一个较宽的温度范围温度范围 （（2） 经验公式） 经验公式 高纯金属：T再＝(0.25~0.35)Tm 工业纯金属：T再＝(0.35~0.45)Tm 合金：T再＝(0.4~0.9)Tm （注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。
3）影响因素）影响因素变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低；纯度越高，再结晶温度越低；加热速度太低或太高，再结晶温度提高9.4.3 影响再结晶的因素9.4.3 影响再结晶的因素 ?退火温度退火温度：温度越高，再结晶速度越大 ?变形量变形量：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；变形量低于一定值，再结晶不能进 行 ?原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸：晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核 ?第二分散相第二分散相：间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为 形核核心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能， 但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶 ?加热时间：加热时间：在一定范围内延长加热时间会降低再结晶温度 ?微量溶质元素微量溶质元素：阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶材 料再结晶温度℃材 料再结晶温度 ℃材 料再结晶温度℃材 料再结晶温度 ℃ 高纯铜（高纯铜（99.99％）％）120 高纯铝（高纯铝（99.999％）％）80无氧铜（无氧铜（99.95％）％）200 工业纯铝（工业纯铝（99.7％）％）150Cu+0.01％％Sn 315 工业纯铝（工业纯铝（99.0％）％）240Cu+5％％Zn 320 铝合金铝合金320高纯铁高纯铁400 高纯镁（高纯镁（99.99％）％）65工业纯铁工业纯铁450 工业纯镁（工业纯镁（99.9％）％）150低碳钢低碳钢540 镁合金镁合金2309.4.4 再结晶晶粒大小的控制9.4.4 再结晶晶粒大小的控制（1）变形程度：（1）变形程度：存在“临界变形量”，一般为2-10%，当变形量超过临界变形度以后，随变形度增加，再结晶晶粒变细。
不同程度冷变形的工业纯铝，550℃再结晶退火30min（（2） 原始晶粒尺寸：） 原始晶粒尺寸：晶粒越小，驱动力越大，形核位 置越多，使晶粒细化 （（3）合金元素和杂质：）合金元素和杂质：增加储存能，阻碍晶界移动， 有利于晶粒细化 （（4） 温度：） 温度：退火加热温度：再结晶退火时加热温度越 高，金属的晶粒尺寸越大当加热温度一定时，时间过 长也会使晶粒长大，但其影响不如温度的影响大9.5 晶粒长大9.5.1 晶粒的正常长大9.5 晶粒长大9.5.1 晶粒的正常长大（1）正常长大：（1）正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大2）驱动力：（2）驱动力：界面能差界面能越大，曲率半径越小， 驱动力越大3）晶粒的稳定形状（3）晶粒的稳定形状晶界趋于平直晶界夹角趋于120℃二维为六边形晶体，三维为理想十六面体（4） 影响晶粒长大（即晶界迁移率）的因素 ① 温度：（4） 影响晶粒长大（即晶界迁移率）的因素 ① 温度：温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化 G =G0exp（-QG/RT） G：晶界迁移速度 G0：常数 QG：晶界迁移的激活能 ② 分散相粒子：② 分散相粒子：阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。
晶粒稳定尺寸d和第二相质点半径r、体积分数ϕ的 关系： d=4r/3ϕ第二相质点的数量越多，颗粒越小，阻碍晶粒长大 的能力越强③ 可溶解的杂质或合金元素：③ 可溶解的杂质或合金元素：阻碍晶界迁移，特别是晶界偏聚现象显著的元素，其阻碍作用更大但当温度很高时，晶界偏聚可能消失，其阻碍作用减弱甚至消失④ 晶粒位向差：④ 晶粒位向差：大角度晶界原子排布原子排布比较混乱，界面能较高界面能较高，扩散系数较大，小角度晶界的界面能小于大角度晶界，因而小角度晶界的移动速率晶界的移动速率低于大角度晶界9.5.2 晶粒的异常长大（二次再结晶）9.5.2 晶粒的异常长大（二次再结晶） （（1）异常长大：）异常长大：少数再结晶晶粒再结晶晶粒急剧长大的现象 将再结晶完成后的金属继续加热至某一温度 以上，或更长时间的保温，会有少数晶粒优先长 大，成为特别粗大的晶粒，而其周围较细的晶粒 则逐渐被吞食掉，整个金属由少数比再结晶后晶 粒要大几十倍甚至几百倍的特大晶粒组成硅铁二次再结晶的反常晶粒（（4）长大机制）长大机制钉扎晶界的第二相溶于基体再结晶织构中位向一致晶粒的合并大晶粒吞并小晶粒（2）驱动力（2）驱动力：同正常晶粒长大一样，是长大前后的 界面能差（3）产生条件（3）产生条件：正常晶粒长大过程被弥散的第二相质 点或杂质、织构等所强烈阻碍。
5）对性能的影 响 ：）对性能的影 响 ：织构明显晶粒大小不均→→性能不均晶粒粗大各向异性优化磁导率各向异性优化磁导率9.5.2 再结晶退火的组织9.5.2 再结晶退火的组织（（1）再结晶退火）再结晶退火：：将经一定程度冷变形的金属加热到再结 晶温度再结 晶温度以上，保温一定时间，然后缓慢 冷却缓慢 冷却到室温2）再结晶全图：）再结晶全图：退火温度、变形量与晶粒大小的关系 图3）（3）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 定向生长理论定向生长理论：取向有利的晶核，其晶界可获得最快的移动速率 ? 定向成核理论定向成核理论：再结晶有形核过程，母体有。