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1、第七章 金属及合金的回复与再结晶7.1 形变金属与合金在退火在过程中的变化7.2 回复 7.3 再结晶 7.4 晶粒长大 7.5 金属的热加工 7.1 形变金属与合金在退火过程中的变化形变储存能弹性应变能(312%)晶格畸变能(8090%)形变储能使金属内能升高，处于热力学亚稳定状态，有 自发恢复到稳定状态的倾向。在常温下，原子扩散能力 小，不稳定状态可长时间维持。加热时，原子活动能力 升高，形变金属从亚稳态向稳态转变，形变储存能降低 是形变金属退火过程中组织变化的驱动力。退火将材料加热到某一温度，保温一定时 间，然后缓慢冷至室温，通过组织结 构的变化使材料热力学稳定性得以提 高的热处理工艺。
2、加热可使原子扩散能力增加，金属将依 次发生回复、再结晶和晶粒长大。1、回复2、再结晶3、晶粒长大冷变形黄铜的回复、再结晶和晶粒长大黄铜冷变形 33%形核 3s 580部分结晶 5s 580完全结晶 8s 580晶粒长大15min 580晶粒长大10min 700u 回复阶段：显微组织无明显变化；u 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。u 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。显微组织的变化内应力的变化 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： 内应力完全消除。回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略
3、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，晶粒 粗化后塑性会下降。力学性能的变化7.2 回 复定义：冷变形后的金属在加热温度不高时，显微组织未发生明显改变，但其物理、 力学性能部分恢复的过程。一、回复的定义及机制 加热温度很低时，主要涉及到空位的运动， 运动结果使空位密度大的减少。 加热温度稍高时，主要涉及到位错的运动。 同一滑移面上的异号位错相互吸引而抵消。 加热温度更高时，位错不仅可以滑移，还可以攀移，发生多边形化。回复机制多边形化过程多边形化：指冷变形金 属加热时，原来处于滑移面上无序状态的位错 ，通过滑移和攀移形成 与滑移面垂直分布的亚
4、 晶界的过程。 位错的攀移是依靠原子或空位的转移实现的。当 原子从多余半原子面下端原子转移到别处，或空 位从别处转移到半原子面的下端时，位错线便向 上攀移了正攀移；反之，当原子从别处转移 到原子面下端时，或空位从这里转移到别处时， 位错线就向下攀移了负攀移。位错的攀移空位扩散到 位错刃部空位离开位 错的刃部二、回复阶段的特点： 晶粒内部亚结构发生变化：点缺陷大大 ； 位错密度， 异号位错合并，同号位错规整化“多边形化”。 仍保留较高的位错密度显微组织无明显变化：仍保留被拉长或压扁的畸变的晶粒 。 加热温度低。 性能变化： HB、略 ，、略； 电阻R；耐腐蚀性能提高。 原因：晶格畸变 。总体上：
5、 力学性能变化不大，加工硬化基本保留 ； 但物理、化学性能变化较大。 内应力 回复温度： T回复 =（0.25 0.3 ）T0T0金属的熔点，单位为绝对温度( K )。 工业上，常利用回复现象将冷加工的金属件低温加 热，以降低内应力，基本保留加工硬化效果，这种 热处理方法称为去应力退火。三、回复的应用 去应力退火 目的：保持高的强度、硬度; 消除内应力，防止变形、开裂;恢复物理、化学性能。一、定义冷变形后的金属加热到低于Ac1的较高温度或保温足够长时间，通过新晶核的形成与长大，由畸变 晶粒变为相同晶格类型等轴新晶粒的过程。7.3 再结晶670加热铁素体变形80%650加热 再结晶后组织发生 了
6、明显的变化，产 生了无畸变的新晶 粒组织复原 ；性能也发生了明显 的变化，恢复到冷 变形前的水平。金 属的强度和硬度明 显降低，塑性和韧 性大大提高，即加 工硬化现象被消除 。 同素异构转变：由一种晶格类型转变为另一 种晶格类型的过程有晶格类型转变。 钢由室温加热到1000热轧：发生铁素体 奥氏体；轧后冷却到室温：发生奥氏体 铁素体 。 再结晶：无晶格类型转变。 冷变形后在再结晶退火过程中：畸变铁素体无畸变铁素体；又如钢在1000热轧的过程中：畸变奥氏体 无畸变奥氏体。 再结晶与同素异构转变的区别二、再结晶阶段的特点：加热温度较高：TT再。显微组织显著变化 ：转变为等轴、无畸变的新晶粒。 亚结
7、构：位错密度大大降低。性能显著变化：HB和；和。内应力完全消除。三、再结晶晶核的形成和长大再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试 用经典的形核理论来处理再结晶过程，但计算出来的临界晶核半径过大（与试验结果不符）。大量实验表明，再结晶晶核总是在塑性变形引 起的最大畸变处形成，并且回复阶段发生的多边形化是再结晶形核的必要准备。回复阶段，塑性变形所形成的胞状组织经多边形化发展成为亚晶粒，其中有些亚晶粒会逐渐长大，发展成为再结晶的晶核。亚晶粒长大成为再结晶晶核的方式可能有亚晶合并形核和亚晶界移动形核两种机制。1、亚晶粒长大形核机制亚晶粒长大形核机制一般在大的变形度下发生。亚晶合并形核机制 相邻亚晶界
8、上的位错，通过滑移和攀移转移到周围晶 界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，最后通过原 子扩散和位置的调整，使两个或多个亚晶粒的取向变为一致，合并成一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核 。晶粒中某些局部位错密度很高的亚晶界向周边移动， 吞并相邻的变形基体和亚晶粒而成长为再结晶晶核。亚晶界移动形核机制 当金属的变形度较小时，金属变形是不均匀的，有的晶粒变形度大，位错密度也大；有的晶粒变形度小，位错密度也小。若晶界两边一个晶粒的位错密度高，另一个晶粒的位错密度低，加热时晶界会突然向密度高的一侧移动（弓出），晶界扫过的区域位错密度下降，成为无畸变晶粒，这个晶粒就是再结晶晶核。 2、晶界凸出形核机制 晶界凸
9、出形核现象曾经在铜、镍、银、铝及铝-铜合金中直接观察到 再结晶晶核形成后，就可以自发地、稳定 地生长。 晶核生长时界面总是向畸变区域推进。 界面移动的驱动力是无畸变的新晶粒与周 围基体的畸变能差。 当旧的畸变晶粒完全消失，全部被新的无 畸变的再结晶晶粒所取代，再结晶过程即 完成。此时的晶粒即为再结晶的初始晶粒 。3、再结晶晶核的长大 再结晶不是相变过程，没有一个恒定的转变温 度，变形后金属的再结晶自某一温度开始，在 一个较宽的温度范围内连续进行的。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最 低值。生产上通常把经过严重冷变形（变形度在70%以 上）的金属，经过约1小时保温能够完成再结晶 的最低温
10、度称为最低再结晶温度。注意：一般所说的再结晶温度通常指的是最低再 结晶温度。四、再结晶温度及其影响因素金属的最低再结晶温度与其熔点之间有近似 关系: T再=T熔其中T再、T熔为绝对温度。工业纯金属最低再结晶温度的计算： T再 = (T熔+273)0.4273， 例如：Fe的T再=(1538+273)0.4273 =451对于工业纯金属，为0.350.4；对于高纯度金属，为0.250.35甚至更低 。影响再结晶温度的因素有 ：金属的预先变形度金属预先变形程度越大, 金属储存能越多，组织越 不稳定，再结晶温度越 低。当预先变形程度达 到一定大小后，金属的 最低再结晶温度趋于某 一稳定值。 当70%
11、， T再趋于稳定值；当很小时，T再接近熔点，即不会有再结晶过程。T再与变形 度的关系金属熔点l金属熔点越高, T再也越高。 原因：金属熔点高，原子之间的结合力强， 原子难以扩散。 如：Fe: 1538 450; W: 3300 11001200。 金属的纯度金属中杂质或合金元素，尤其是高熔点元素， 阻碍原子的扩散、位错的运动和晶界的迁移， 使最低再结晶温度显著提高。 变形金属的晶粒度变形金属晶粒越细小，单位体积晶界总面积越多，位错在晶界塞积，导致晶格畸变区域 越多，为再结晶形核提供场所越多，再结晶 温度越低。五、再结晶晶粒度的控制 再结晶晶粒的平均直径d可用下式计算：d=K（ G / N ）1
12、/4 再结晶后的晶粒大小取决于G/N比值。凡使G/N的因素，都能细化晶粒。加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间 越长，金属的晶粒越粗大， 加热温度的影响尤为显著。再结晶退火温度对晶粒度的影响预先变形度的影响，实质 上是变形均匀程度的影响 。 当变形度很小时，晶格畸 变小，不足以引起再结晶 ，晶粒大小没有变化。 当变形度达到某一数值（ 2%10%）时，再结晶晶 粒特别粗大。这时只有部 分晶粒变形，变形极不均 匀，再结晶晶粒大小相差 悬殊，容易互相吞并和长 大，再结晶后晶粒特别粗 大，这个变形度称为临界 变形度。预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度 当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形
13、越来越 均匀，再结晶时形核量大而且均匀，使再结晶后晶粒 细而均匀，达到一定变形度后，晶粒度基本不变化。 l某些金属当变形量相 当大（90%）时， 再结晶后晶粒可能再 次出现异常长大，一 般认为这种现象与形 变织构有关。这种现 象只有在特殊条件下 产生，不是普遍现象 。预先变形度对再结晶晶粒度的影响 拉深零件，A区未变形，B区变形很大，C区的变 形量刚好在临界变形度范围。再结晶退火后，A 区晶粒大小不变，B区晶粒细化，C区晶粒显著粗 化。原始的晶粒度原始晶粒度越细，单位体积晶界总面积越多 ，晶界往往是再结晶形核的有利区域，再结 晶后晶粒越细。金属的纯度金属中杂质或合金元素，尤其是高熔点元素， 阻
14、碍晶界的迁移，细化晶粒。六、再结晶的应用再结晶退火目的： 中间退火：消除加工硬化效果；冷拔铁铬铝电阻丝生产中在氢气保护下再结晶退火 。 细晶强化（如Al、Cu等）：冷塑性变形 + 再结晶退火细小的再结晶晶粒。生产中把消除加工硬化现象、恢复金属塑性变 形能力的热处理工艺称为再结晶退火。为缩短热处理时间，实际再结晶退火温度比最 低再结晶温度通常高出100-200。再结晶阶段刚刚完成时，得到的是无畸变细小的等轴晶粒。若继续提高退火温度或延长保温时间，就会发生晶粒的长大现象。晶粒长大分为两种类型：晶粒均匀连续的正常长大和晶粒不均匀不连续的异常长大（又称为二次再结晶）。7.4 晶粒长大 再结晶完成后的晶
15、粒是细小的，随加热 温度，保温时间t，晶粒发生长大现象 。界面减少：细晶粗晶；界面能，与界面形态有关 平直晶界最稳定一、晶粒的正常长大晶粒的长大是一种自发过程，其驱动力是晶粒 长大前后总的界面能差。细晶粒晶界多，界面能高。长大过程中，晶粒变大，则晶界的总面 积减小，总界面能降低。所以细晶长大是一个 自由能降低的自发过程 晶界的驱动力与界面能和晶界的曲率有关。在长大 过程中，驱动力与界面能成正比，与曲率半径成反 比。即界面能越大，曲率半径越小，晶界移动的驱 动力越大。 在足够高的温度下，原子具有较高的扩散能力，原 子不断的由一个晶粒向另一个晶粒扩散，原子运动 的结果，界面朝着原子运动的反方向运动
16、，晶界趋 于平直化。影响晶粒长大的因素（1）加热温度T，晶粒长大速度越快。原因：晶界迁移过程就是原子扩散过程。原子 扩散能力强，晶界迁移容易进行。（2）合金元素、杂质 杂质及合金元素均阻碍晶界运动细化晶粒 。晶粒长大是通过晶界迁移来实现的。如：灯泡钨丝中加钍形成弥散分布的ThO2);阻止钨丝高温下晶粒长大，提高灯丝寿命。如：钢中加少量的Al、Ti、V、Nb，形成第二相质点，保持本质细晶粒度钢，。弥散的第二相质点阻碍晶界运动细化晶粒 。 第二相愈弥散、愈细小、数量愈多，细化效果愈明显。 （3）第二相质点小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而界面移动的驱动力与界面能成正比，因此前者的迁移速度要小于后者。
