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1、第六章 金属及合金的回复与再结晶 Chapter 6 Recovery and Recrystallization of Metals and Alloys,主要内容： 冷变形金属在加热时的组织和性能变化 回复 再结晶 晶粒长大 金属的热加工,冷变形金属在不同加热温度时 组织和性能的变化,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化,第一节 冷变形金属在加热时的组织和性能变化,金属经冷变形后，组织处于亚稳定状态，有自发恢复到变形前状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，亚稳定状态可以维持相当长时间。加热可以增加原子扩散能力,金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。与
2、此同时，变形金属的组织与性能也发生相应的变化。 回复和再结晶的驱动力： 冷变形后保留在金属内部的畸变能，或称储存能。,一、显微组织的变化,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化,轴小晶粒，并随时间的延长不断长大，直至伸长的晶粒完全转变为新的等轴晶粒为止。 3.晶粒长大阶段 再结晶过程中形成的等轴晶粒逐步相互吞并而长大，直至达到一个稳定的尺寸。,1.回复阶段 显微组织几乎没有发生变化，晶粒仍保持冷变形后的伸长状态。 2.再结晶阶段 在变形的晶粒内部开始出现新的等,二、储存能及内应力的变化,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变
3、化,1.储存能的变化 冷变形造成的偏离平衡位置大、能量较高的原子，在加热过程中向能量较低的平衡位置迁移，使内应力得以松弛，储存能随之逐渐释放出来。 2.残余内应力的变化 在回复阶段，第一类内应力得到较为充分的消除，第二类,或第三类内应力部分得到消除。 在再结晶阶段，因冷变形造成的残余内应力得以完全消除。,三、性能的变化,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化,1.回复阶段的变化 硬度和强度略有下降，塑性和韧性略有提高，电阻率较显著地降低，应力腐蚀倾向显著减小。 回复阶段位错密度减少有限，但点缺陷数量明显降低，导致上述性能的变化。 2.再结晶阶段的变化 硬度和
4、强度显著下降，塑性和韧性显著提高，电阻率显著地降低。 再结晶阶段位错密度下降明显，点缺陷继续减少，导致上述性能变化。,第二节 回复（Recovery） 回复是冷变形金属在较低温度加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能变化的过程。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 回复,式中，t加热时间；x冷变形导,式中，Q回复激活能；R气体常数；c0比例常数；T绝对温度。,一、回复动力学 冷变形金属在恒温下回复时，开始阶段的性能回复速度最快，然后随回复量的增加而逐渐减慢。回复的特征可用下式表达：,致的性能增量经加热后的残留分数；c与材料和温度有关的比例常数，由下式决定：,将后式代入前式
5、并积分，以x0表示开始时性能增量的残留分数，则得：,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 回复,回复的速度随温度升高和加热时间的延长而增大。,举例：,采用不同的温度加热冷变形金属使之回复到同样的程度（即残留分数相同），则所需时间不同。,或,从前图和上式可求得锌单晶的回复激活能Q =20000cal/gmol，锌单晶在0回复到残留75的加工硬化需要分钟，则锌单晶在27回复到残留75的加工硬化需要的时间为：,或,同样可以计算出在50C时回复到残留75的加工硬化需要约13天。,分。,（R =2cal/gmolK）,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 回复,二、回复机制 1.低温回复 低温回复是
6、冷变形产生的过量空位消失，点缺陷密度明显下降的过程。 回复机制：,空位与间隙原子的合并,空位迁移到金属的自由表面或晶界处而消失； 空位与间隙原子合并，空位与间隙原子同时消失； 空位与位错发生交互作用而消失； 空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环而消失。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 回复,2.中温回复 中温回复是位错主要以滑移方式运动，以及位错发生重新排列，位错密度略有下降的过程。 回复机制： 位错滑移，导致位错重新组合排列； 位于同一滑移面上的异号位错相互吸引，会聚后而互相抵消。 在中温下，处于同一滑移面上的异号位错要实现会聚所需的激活能较小，可以发生。 不在同一滑移面上的异号位错要
7、会聚而互相抵消，则必须先通过攀移或交滑移至同一滑移面上才能得以实现。显然这一过程需要更大的激活能，即需要更高的温度，这在中温下难以发生。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 回复,3.高温回复 高温回复是位错攀移和滑移，发生多边化，使不规则的位错重新分布，形成稳定的位错网络，构成亚结构，位错密度下降，畸变能显著降低的过程。 回复机制： 多边化（Polygonization）。,多边化过程是一种热激活过程。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 回复,三、回复过程中亚结构的变化,经冷变形的金属，显微组织中形成了胞状亚结构，在胞壁处位错密度很高。 回复过程中，胞状亚结构发生显著变化： 胞壁内
8、位错密度有所下降； 弯曲的位错逐渐伸直； 位错缠结逐渐转变成能量较低的稳定的位错网络； 胞壁变得较清晰，成为亚晶界； 位错网络发生分解，并入更稳定的位错网络中，使亚晶粒聚合而长大。,四、回复的应用 去应力退火（Stress-relief Annealing）： 将已经加工硬化的金属在较低的温度下加热，使其内应力基本消除，耐应力腐蚀性提高，同时又保持加工硬化的工艺方法。 举例： 深冲成形的黄铜弹壳，经260C的去应力退火，充分消除残余内应力，避免发生应力腐蚀开裂。 如果不进行去应力退火，弹壳在放置一段时间后，由于内应力的作用，加上外界气氛对晶界的腐蚀，导致发生晶间开裂（称为“季裂”）。 冷卷弹簧
9、制品，在成型后进行一次250300C的低温加热，充分消除残余内应力，稳定尺寸，同时保持其强度和硬度基本不变。 如果不进行去应力退火，弹簧尺寸会发生变化。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 回复,第三节 再结晶（Recrystallization） 再结晶是冷变形金属在加热到一定温度后，在已变形组织中重新产生无畸变的新晶粒，性能发生明显的变化，并恢复到完全软化状态的过程。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 再结晶,无畸变的再结晶晶粒在变形组织中形核，然后长大，最后完全取代变形的晶粒。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 再结晶,经过再结晶，冷变形所导致的各种性能改变基本消失，加工
10、硬化被消除，内应力得到充分释放，电阻率降低到变形前的水平。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 再结晶,一、再结晶动力学 再结晶具有典型的形核长大过程的动力学特征：,等温下，再结晶速度开始时很小，随再结晶百分数的增加而增大，并在50%处达到最大，然后又逐渐减小。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 再结晶,式中，V在t时间已经再结晶的体积分数；B、K常数，由实验决定。,等温再结晶动力学方程：,或,结论： 冷变形金属在加热发生再结晶时，温度越高，再结晶进行得越快，产生一定体积分数再结晶所需的时间也越短。,（温度恒定）,等温下，时间越长，再结晶进行得越充分。 再结晶速度与温度的关系：,式中
11、：v再再结晶的速度；QR再结晶的激活能； R气体常数；T绝对温度；A比例常数。,再结晶是一种热激活过程，温度越高，再结晶进行得越快。,举例：,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 再结晶,采用不同的温度加热冷变形金属使之再结晶到同样的程度（即再结晶的体积分数相同），温度越高，所需时间越短。 再结晶的速度与产生一定再结晶体积分数所需的时间t 成反比。,则：,H70黄铜(含30%Zn)分别在400C和390C下完成再结晶所需要的时间： 400C下需要1小时，390C下需要1.97小时。 H70黄铜的再结晶激活能为251kJ/gmol。,或,（2.3lgx=lnx）,第六章 金属及合金的回复与再结
12、晶6.3 再结晶,二、再结晶的形核与长大 再结晶的核心(晶核)在变形造成的最大畸变处形成，随后进一步长大。,1.形核 亚晶形核机制 亚晶形核主要发生在经较大冷变形金属的再结晶过程中。 亚晶合并形核 通过亚晶粒之间的亚晶界消失，使亚晶合并而长大成再结晶的核心。 亚晶直接长大形核 通过亚晶界的移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而长大成再结晶的核心。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 再结晶,晶界凸出形核机制（晶界弓出形核机制） 晶界凸出形核主要发生在经较小冷变形金属的再结晶过程中。 变形程度小，变形很不均匀，各晶粒中的位错密度不同，则亚晶粒的大小也有所不同，因此，晶界中的某一段就会向亚晶细小、位
13、错密度高的一侧弓出，被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体，即再结晶的核心。,在晶界处A 晶粒中的某些亚晶粒能通过晶界迁移而凸入B 晶粒中，借消耗B 中的亚晶而生长，从而形成再结晶的核心。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 再结晶,2.长大 再结晶晶核形成之后，即借界面的移动向周围畸变区域长大。 再结晶晶核长大（晶界迁移）的驱动力 无畸变的新晶粒与周围畸变的旧晶粒之间的畸变能差。 晶界的迁移方向 晶界总是背离其曲率中心，向着畸变区域推进，直至全部形成无畸变的等轴晶粒为止，再结晶即告完成。,三、再结晶温度及其影响因素,1.再结晶温度 冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结
14、晶温度。 再结晶不是一个恒温过程，没有恒定的转变温度。 再结晶温度可定义为：经过大变形量（变形度70%以上）冷变形的金属，保温1h能够完成再结晶（V95%）的温度。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 再结晶,再结晶温度的经验公式： 高纯金属：T再(0.250.35)Tm 工业纯金属：T再(0.350.45)Tm 合金：T再(0.40.9)Tm,2.影响再结晶温度的因素 变形度 冷变形度越大，T再越低。 原始晶粒度 变形金属的晶粒越小，T再越低。 金属的纯度 纯度越高，T再越低。 加热速度和保温时间 加热速度缓慢和极快，均使T再升高。 保温时间越长，T再越低。,T再再结晶温度；Tm熔点。,
15、第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 再结晶,四、再结晶后的晶粒大小,式中：d再结晶晶粒的平均直径； 形核率； G长大线速度；K比例常数。,1.再结晶后的晶粒尺寸,2.影响再结晶后晶粒大小的因素 变形度 变形度较小 不发生再结晶，晶粒保持原状、大小。 变形度达到210% 再结晶后的晶粒异常粗大。 210%的变形度称为临界变形度。 变形度超过临界变形度 变形度越大，晶粒越细小。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 再结晶,加热（退火）温度和保温时间 退火温度越高、保温时间越长，晶粒越粗大。,原始晶粒尺寸 当变形度一定时，冷变形金属的晶粒越细小，再结晶后的晶粒越细小。,提高退火温度，临界变形
16、度数值变小。,五、再结晶的应用 再结晶退火（Recrystallization Annealing）： 将已经加工硬化的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶，以消除加工硬化的工艺方法。 再结晶退火温度：T再100200。 再结晶退火的主要作用： 恢复变形能力；消除各向异性；改善显微组织；提高组织稳定性。 举例： 冷拔钢丝时，每拉拔一次，中间均进行再结晶退火，消除加工硬化，以便于下一次拉拔。,第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 再结晶,第四节 晶粒长大（Grain Growth） 冷变形金属在再结晶结束后，继续升高温度或延长保温时间，晶粒就会不断长大，这一过程称为晶粒长大。 一、晶粒的正常长大 随温度的升高或保温时间的延长，晶粒均匀连续地长大。 1.晶
