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1、一、再结晶过程的特征再结晶是一种形核和长大的过程。靠原子的扩散进行。冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶段发生的。特点： 1、组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒； 2、力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧下降，塑性迅速升高，应变硬化全部消除，恢复到变形前的状态； 3、变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应力（点阵畸变）消除，位错密度明显降低。11-8 再结晶1二、再结晶的形核由于再结晶形核的区域不同，形核方式有：亚晶粒合并形核，亚晶粒长大形核，凸出形核。1、亚晶粒合并形核相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度，位错发生攀移和滑移并入到邻近的晶界中。这样
2、两个亚晶粒就合并 成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行 。2这种形核方式一般出现在冷变形量很大的金属中。通过再结晶前多边化形成较小的亚晶，亚晶界曲率不大，不易迁移，但某些 亚晶界中的位错可通过攀移和滑移而迁移走，使亚晶界消失，亚 晶合并。32、亚晶粒迁移形核当变形量很大时，较大的无应变亚晶（多边化时产生）为基础直接长大，吞食周围的亚晶，亚晶界向周围迁移。由于变形大，位错密度高，亚晶界曲率大，易于迁移。亚晶界迁移过程中清除并吸收其扫过亚晶的位错，使迁移亚晶界的位错 增多，变成大角度晶界。当尺寸超过临界晶核时就成了再结晶的 核心。43、弓出形核当冷变形量较小时，再结晶在 原晶界
3、处形核。对于多晶体，不同晶粒的变形程度不同，变形大的位错密度高 ，畸变能高；变形小的位错密度 低，畸变能低。低畸变区向高畸 变区伸展，以降低总的畸变能。5AB为两个不同位错密度区的边界（大角度晶界），两 区域的单位体积自由能差为Gv。若AB向高密度位错 晶粒（）弓出V的体积，形成无畸变新晶核，相应 增加晶界面积A弓出形核的能量条件是弓出晶界移动造成相应界面能 上升和体积自由能降低。6 这一过程体系的自由能变化G=-GvV+A导出形核过程自发进行的热力学条件为Gv70%）保温 1h再结晶完成95%所对应的温度 对于工业纯的金属，其起始再结晶温度与熔点之间存在下 列关系：T再= (0.30.4)T
4、熔 式中T熔温度是指绝对温度 不适用于合金和高纯（纯度高于99.99%）金属 11四、影响再结晶的因素1、温度加热温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结晶组织需要的时间越短。122、变形程度变形程度越大，储能越多，再结晶驱动力越大，因此变形 程度越大，再结晶速度越快。3、材料的纯度微量的溶质原子对再结晶影 响巨大。溶质或杂质原子偏聚在位错和晶界处，对位错的运动和晶界的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶，使再结晶温度升高。例如，纯铜50%再结晶的温度为140C，加入0.01%Ag后升高到 205C，若加入0.01%Cd（镉）后升高到305C。134、原始晶粒尺寸其他条件相同时，原始晶粒越
5、细，冷变形抗力越大，变形后储存能越多，再结晶温度越低。同样变形度，原始晶粒越细，晶界总面积越大，可供再结晶形核的地方越多，形核率高，再结晶速度快。5、第二相粒子根据粒子尺寸和间距的大小，可分为二种情况： 1）粒子较粗大，间距较远促进再结晶原因：粒子对位错运动、亚晶界迁移的阻碍作用小；另一方面，加速再结晶形核。 2）粒子细小，间距小阻碍再结晶原因：粒子阻碍位错运动和亚晶界迁移，使亚晶粒生长减慢或停止，就阻碍了再结晶的形核与长大。14例如，钢中加入少量的V, Ti, Nb, Zr, Al时，可生成弥散分布的化合物，其尺寸、间距都很小，都会提高钢的再结晶温度。所 以，含有这些元素的钢一般都有较高的使
6、用温度。五、再结晶后晶粒大小再结晶后的晶粒呈等轴状，其大小受多种因素的影响，主要有变形度、退火温度、退火时间、杂质及合金成分等。上面讨论的影响再结晶的因素，凡是促进再结晶的都会使再结晶晶粒尺寸变得更大。下面再对变形度的影响讨论一下。15超过临界变形度后，随变形量增加，储存能增加，使再结晶驱动力增加，形核率和长大速率同时提高，但由于形核率增加更快，所以再结晶后晶粒细化。对于有些金属或合金，当变形量相当大时，再结晶晶粒又会重新粗化。这就是二次再结晶（异常长大）造成的。退火温度对临界变形度影响很大，温度越高，临界变形度越小。临界变形度越小，再结晶后的晶粒越粗大。变形度对再结晶后晶粒大小的影响见下图。
7、变形量很小时，金属中储存变形能很少，不足以发生再结晶，故退火后晶粒尺寸不 变。能够发生再结晶的最小变形度通常在28%范围内。但此时再结晶驱动力小，形核率低，由于再结晶后的晶粒数量少，所以晶粒特别粗大。此变形度称为临界变形度。16工业纯铝，不同冷变形后550再结晶退火30min（1x）临界变形度2.517注意：图中纵坐标，向上表示晶粒数少，尺寸大。18 多晶体金属经过大变形量的加工后可能产生变形织构 具有变形织构的金属经过再结晶退火后，织构也难以完 全消除，有时还可能出现新的“再结晶织构”（或称“退火 织构”） 再结晶织构的位向可能和原来的变形织构相同，也可能 不同，但和原织构往往具有一定的取向
8、关系 当金属板材中重叠出现几种织构时，其方向性将会减弱六、再结晶织构19再结晶织构铜板在轧制时的板织构和退火后的再结晶织构20某些金属板材的再结晶织构金 属晶体结构再结晶织构Al面心立方(110) 112, (100) 001, (7,12,22) 845Cu面心立方(100) 001, (122) 212Au面心立方(100) 001Ag面心立方(110) 112, (311) 112-Fe体心立方(100) 011, (111) 112, (112) 11021再结晶织构的形成机理 1.“定向生长理论”这种理论认为在变形基体中早已存在不同取向的晶核 （即回复阶段形成的亚晶），其中只有那些取
9、向有利 的晶核其晶界才能获得最快的迁移速率 例如面心立方金属，只有当两个晶粒的位向差为 3040时，其界面移动速率最快而其他取向的晶 核生长速度太慢，在竞争生长中最终被淘汰 长大速率大的晶核长成取向接近的再结晶晶粒，即形 成了再结晶织构22再结晶织构的定向生长理论615时铝新晶粒的晶界移动速率与位向差的关系23 2.“定向形核理论” 由于变形基体中已具有很强的择优取向，再结晶形核 时晶核本身也具有择优取向，这些择优取向的晶核长 大后必然具有择优取向，即形成再结晶织构 透射电镜选区衍射的实验结果表明定向生长机制是起主 导作用的 再结晶织构是保持原变形织构的情况下，定向形核也是 很可能存在的 不过
10、定向形核以后，若要最终形成再结晶织构，定向生 长仍然是不可少的 因此有人提出了定向形核和择优生长的综合理论。 织构引起金属材料各向异性24 面心立方金属和合金（如铜、黄铜及不锈钢等）经加工 及再结晶退火以后，常常会出现很清晰的孪晶组织，称 为“退火孪晶” 孪晶中横贯整个晶粒而互相平行的分界面为孪晶面 111，它为两边的晶体所共有，这种孪晶界称为“共 格孪晶界” 孪晶带在晶内终止处的端面属于非共格孪晶界七、再结晶织构25 一般认为，退火孪晶是由于新晶粒界面在推进过程中由 于某些原因（如热应力等）而出现堆垛层错造成的 例如由ABCABC的堆垛顺序变为 ABCABBACBA就出现了一个共格的孪晶界，
11、并随 后在晶界角处形成退火孪晶，这种退火孪晶通过大角度 晶界的移动而长大 长大过程中，如果原子在(111)界面上又发生错堆，由 CBACBBCABC又恢复到了原来的堆垛顺序， 这样又产生了一个共格孪晶界，在此之间便构成了孪晶 带26 退火孪晶的形成与层错能有关 铜和铜合金、奥氏体钢的层错能低，故容易形成退火 孪晶 铝的层错能高，就难以出现退火孪晶 近年来，在体心立方金属中也发现了退火孪晶，但晶 体学关系较为复杂27H68黄铜的退火孪晶28QAl7的退火孪晶（120x）29冷变形金属完成再结晶后，继续加热时会发生晶粒长大。晶粒长大又可分为正常长大和异常长大（二次再结晶）。一、晶粒的正常长大再结晶
12、刚完成时得到的是细小的、无畸变和内应力的等轴晶粒。温度继续升高或延长保温时间，晶粒仍可以继续长大，若 是均匀地连续生长，就称为正常长大。1、晶粒长大的驱动力晶粒长大的驱动力从整体上看是晶粒长大前后总的界面能差。即晶粒长大后总界面积减小，总界面能降低，因而晶粒长大 是自发过程。11-9 再结晶后的晶粒长大30从微观上看，晶粒长大是靠晶界的迁移实现的。然而，此时晶界两边的晶体已没有能量差别，晶界会向哪边迁移？驱使晶界迁 移的驱动力从何而来？假设半径为R的球形B晶粒存在于A晶粒中： 界面面积为4R2，总界面能为：E= 4R2。半径R变化引起界面能的变化就是作用于晶界的力F，指向曲率中心；单位面积上的
13、驱动力为p:BA31可见，晶界迁移的驱动力p随增大而增大，随曲率半径R增大而减小。因此，弯曲的晶界将向曲率中心迁移。上图中晶粒 B逐渐缩小，直至消失，晶粒A则在长大。322、晶粒的稳定形貌当3个晶粒相交于一点，两两相交于一直线时，其二维形状如图所示。由 作用于O点的张力平衡可得到：1-2+ 2-3cos2+ 3-1cos1=0或 1-2/sin 3= 2-3/sin 1= 3-1/sin 2由于比界面能通常为常数，所以 1= 2= 3=120。33实际二维晶粒：较大的晶粒往往是 六边以上，如晶粒I，晶界向内凹进；较小的晶粒往往小于六边，晶界向 外凸出。三维晶粒的稳定（平衡）形貌为十 四面体，夹
14、角为120。晶界移动服从两个规律： 1）弯曲的晶界向其曲率中心的方向移动，趋于平直化 2）晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动，力图使三个夹角都等 于120 343、影响晶粒长大的因素晶粒长大是通过晶界迁移实现的，所以影响晶界迁移的因素都会影响晶粒长大。 温度晶界迁移是热激活过程，温度越高，晶粒长大速度越快。一定温度下，晶粒长到极限尺寸就停止，若提高温度，晶粒将继 续长大。对于一定的金属，一定的温度对应着一定的晶粒尺寸 。因此，控制温度，就可以获得需要的晶粒度，从而获得需要 的性能。 时间正常晶粒长大时，一定温度下，平均晶粒直径Dt与保温时间 的平方根成正比： Dt=Ct1/235 第二相粒子第二
15、相粒子会阻碍晶界迁移、晶粒长大。第二相粒子的尺寸越小，体积分数越大，阻碍作用越强，晶粒尺寸就会越小。 杂质及合金元素杂质及合金元素溶入基体能够阻碍晶界迁移，特别是在晶界的偏聚，阻碍作用更加显著。 相邻晶粒的位向差相邻晶粒间的位向差与界面能有关。小角度晶界的界面能低，晶界迁移的驱动力小，晶界迁移速度低 。 大角度晶界的界面能高，可动性高，晶界较容易移动。36二、晶粒的异常长大 再结晶完成后继续加热至高温，或保温更长时间，少数晶粒 优先长大成特别粗大的晶粒,周围较细的晶粒则逐渐被吞食 掉，整个组织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，这种晶粒的反常长大现象，称为“二次再 结晶”
16、 不存在重新形核过程，在一次再结晶晶粒长大过程中某些局 部区域的晶粒优先长大 驱动力：同正常晶粒长大，是长大前后的界面能差3738发生异常长大的条件：1、存在再结晶织构金属冷变形时出现变形织构，一次再结晶后往往存在具有织构 的再结晶组织，即再结晶织构。 再结晶织构与其周围的再结晶晶 粒取向接近，基本不存在大角度 晶界，故晶界迁移率低。如果仅 有少量的迁移率高的大角度晶界 存在，就会发生二次再结晶。2、第二相粒子分布不均匀若局部区域第二相粒子较少，或加热温度升高使粒子溶解，则此处的晶粒便会继续长大，发生二次再结晶。393、热蚀沟数量多对于金属薄板加热条件下，在晶界与板表面相交处，由于 表面张力的作用，会出现向板 内凹陷的沟槽，称为热蚀沟。 晶界若从热蚀沟中移出，势必 会增加晶界面积，导致晶界迁 移阻力增大，显然，板越薄， 被热
