回復(fù)與再結(jié)晶匯總

第八章回復(fù)與再結(jié)晶冷變形后材料經(jīng)重新加熱進(jìn)行退火之后，其組織和性能會(huì)發(fā)生變化。觀察在不同加熱溫度下變化的特點(diǎn)，可將冷變形金屬加熱退火過(guò)程分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段?；貜?fù)是指新的無(wú)畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和性能變化的階段；再結(jié)晶是指出現(xiàn)無(wú)畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過(guò)程；晶粒長(zhǎng)大是指再結(jié)晶結(jié)束之后晶粒的繼續(xù)長(zhǎng)大。了解這些過(guò)程的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，對(duì)于改善和控制金屬材料的組織和性能具有重要的意義。冷變形金屬在退火過(guò)程中顯微組織的變化。由圖可見(jiàn)，在回復(fù)階段，由于不發(fā)生大角度晶界的遷移，所以晶粒的形狀和大小與變形態(tài)的相同，仍保持著纖維狀或扁平狀，從光學(xué)顯微組織上幾乎看不出變化。在再結(jié)晶階段，首先是在畸變度大的區(qū)域產(chǎn)生新的無(wú)畸變晶粒的核心，然后逐漸消耗周圍的變形基體而長(zhǎng)大，直到形變組織完全改組為新的、無(wú)畸變的細(xì)等軸晶粒為止。最后，在晶界表面能的驅(qū)動(dòng)下，新晶粒互相吞食而長(zhǎng)大，從而得到一個(gè)在該條件下較為穩(wěn)定的尺寸，稱為晶粒長(zhǎng)大階

段。第一節(jié)

冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化一、回復(fù)與再結(jié)晶的概念回復(fù)：冷變形金屬在低溫加熱時(shí)，其光學(xué)顯微組織無(wú)可見(jiàn)變化，但其物理、力學(xué)性能卻部分恢復(fù)到冷變形以前的過(guò)程。再結(jié)晶：冷變形金屬被加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，在變形組織內(nèi)部新的無(wú)畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強(qiáng)化效應(yīng)完全消除的過(guò)程。

二、顯微組織變化（示意圖）回復(fù)階段：顯微組織仍為變形晶粒(纖維狀)，形態(tài)無(wú)可見(jiàn)變化；再結(jié)晶階段：變形晶粒通過(guò)形核長(zhǎng)大，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臒o(wú)畸變等軸晶粒。晶粒長(zhǎng)大階段：晶界移動(dòng)、晶粒粗化，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的形狀和尺寸。冷變形金屬在退火過(guò)程中的性能和能量變化。（1）強(qiáng)度與硬度：回復(fù)階段的硬度變化很小，約占總變化的1／5，而再結(jié)晶階段則下降較多?？梢酝茢啵瑥?qiáng)度具有與硬度相似的變化規(guī)律。上述情況主要與金屬中的位錯(cuò)機(jī)制有關(guān)，即回復(fù)階段時(shí)，變形金屬仍保持很高的位錯(cuò)密度，而發(fā)生再結(jié)晶后，則由于位錯(cuò)密度顯著降低，故強(qiáng)度與硬度明顯下降。（2）電阻：變形金屬的電阻在回復(fù)階段已表現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。因?yàn)殡娮杪逝c晶體點(diǎn)陣中的點(diǎn)缺陷（如空位、間隙原子等）密切相關(guān)。點(diǎn)缺陷所引起的點(diǎn)陣畸變會(huì)使傳導(dǎo)電子產(chǎn)生散射，提高電阻率。它的散射作用比位錯(cuò)所引起的更為強(qiáng)烈。因此，在回復(fù)階段電阻率的明顯下降就標(biāo)志著在此階段點(diǎn)缺陷濃度有明顯的減小。（3）內(nèi)應(yīng)力：在回復(fù)階段，大部或全部的宏觀內(nèi)應(yīng)力可以消除，而微觀內(nèi)應(yīng)力則只有通過(guò)再結(jié)晶方可全部消除。（4）亞晶粒尺寸：在回復(fù)的前期，亞晶粒尺寸變化不大，但在后期，尤其在接近再結(jié)晶時(shí)，亞晶粒尺寸就顯著增大。（5）密度：變形金屬的密度在再結(jié)晶階段發(fā)生急劇增高，顯然除與前期點(diǎn)缺陷數(shù)目減小有關(guān)外，主要是在再結(jié)晶階段中位錯(cuò)密度顯著降低所致。、（6）儲(chǔ)能的釋放：當(dāng)冷變形金屬加熱到足以引起應(yīng)力松弛的溫度時(shí)，儲(chǔ)能就被釋放出來(lái)?；貜?fù)階段時(shí)各材料釋放的儲(chǔ)存能量均較小，再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)的溫度對(duì)應(yīng)于儲(chǔ)能釋放曲線的高峰處。三、性能變化力學(xué)性能（示意圖）回復(fù)階段：強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高。再結(jié)晶階段：強(qiáng)度、硬度明顯下降，塑性明顯提高。晶粒長(zhǎng)大階段：強(qiáng)度、硬度繼續(xù)下降,塑性繼續(xù)提高，粗化嚴(yán)重時(shí)下降。物理性能密度:在回復(fù)階段變化不大，在再結(jié)晶階段急劇升高；電阻：電阻在回復(fù)階段可明顯下降(因點(diǎn)缺陷減少)。內(nèi)應(yīng)力第二節(jié)

回復(fù)c0－比例常數(shù)；t－加熱時(shí)間；b.開(kāi)始回復(fù)速率快，隨后變慢；c.長(zhǎng)時(shí)間回復(fù)后，性能趨于一平衡值。溫度↑,極限值↓,達(dá)到時(shí)間↓一、回復(fù)動(dòng)力學(xué)（P195）1.加工硬化殘留率與退火溫度和時(shí)間的關(guān)系回復(fù)是一種馳豫過(guò)程，金屬在恒溫下回復(fù)時(shí)，開(kāi)始階段性能恢復(fù)速度快，這種特征通常可用一級(jí)反應(yīng)方程來(lái)表達(dá)：dx/dt=-cx式中:t為恒溫下的加熱時(shí)間；x為冷變形導(dǎo)致的性能增量經(jīng)加熱后的殘留分?jǐn)?shù)；c為與材料和溫度有關(guān)的比例常數(shù)。c值與溫度的關(guān)系具有典型的熱激活過(guò)程的特點(diǎn)，可由著名的阿累尼烏斯（Arrhenius）方程來(lái)描述：c=c0exp(-Q/RT)回復(fù)方程：ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT)式中：x0

–原始加工硬化殘留率；x－退火時(shí)加工硬化殘留率；問(wèn)題：激活能Q的確定方法？T－加熱溫度。2.動(dòng)力學(xué)曲線特點(diǎn)a.沒(méi)有孕育期；回回復(fù)復(fù)溫溫度度不不對(duì)對(duì)？？？？？？高高溫溫（（～～0.3Tm））時(shí)時(shí)，，刃刃型型位位錯(cuò)錯(cuò)可可獲獲得得足足夠夠能能量量產(chǎn)產(chǎn)生生攀攀移移。。通通過(guò)過(guò)攀攀移移使使同同一一滑滑移移面面上上異異號(hào)號(hào)位位錯(cuò)錯(cuò)相相消消，，位位錯(cuò)錯(cuò)密密度度下下降降，，位位錯(cuò)錯(cuò)重重排排成成較較穩(wěn)穩(wěn)定定的的組組態(tài)態(tài)，，構(gòu)構(gòu)成成亞亞晶晶界界，，形形成成回回復(fù)復(fù)后后的的亞亞晶晶結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。。從從上上述述回回復(fù)復(fù)機(jī)機(jī)制制可可以以理理解解，，回回復(fù)復(fù)過(guò)過(guò)程程中中電電阻阻率率的的明明顯顯下下降降主主要要是是由由于于過(guò)過(guò)量量空空位位的的減減少少和和位位錯(cuò)錯(cuò)應(yīng)應(yīng)變變能能的的降降低低；；內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力的的降降低低主主要要是是由由于于晶晶體體內(nèi)內(nèi)彈彈性性應(yīng)應(yīng)變變的的基基本本消消除除；；硬硬度度及及強(qiáng)強(qiáng)度度下下降降不不多多則則是是由由于于位位錯(cuò)錯(cuò)密密度度下下降降不不多多，，亞亞晶晶還還較較細(xì)細(xì)小小之之故故。。二、 回復(fù)機(jī)制低溫回復(fù)（T=0.1－0.3Tm）點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)：空位遷移至晶界、位錯(cuò)處而消失；空位與間隙原子結(jié)合而消失；空位聚集（空位群），然后崩塌成位錯(cuò)環(huán)而消失。中溫回復(fù)

（T=0.3－0.35Tm）位錯(cuò)滑移：異號(hào)位錯(cuò)相遇而抵銷、纏結(jié)位錯(cuò)重新排列，位錯(cuò)密度降低。高溫回復(fù)（T>0.35Tm）位錯(cuò)攀移（＋滑移）→位錯(cuò)垂直排列（亞晶界）→多邊化（亞晶粒）→彈性畸變能降低。多邊化的條件：塑性變形使晶體點(diǎn)陣彎曲、滑移面上有塞積的同號(hào)刃型位錯(cuò)、較高的加熱溫度使刃型位錯(cuò)產(chǎn)生攀移運(yùn)動(dòng)。三、回復(fù)退火的應(yīng)用去應(yīng)力退火：降低應(yīng)力（保持加工硬化效果），防止工件變形、開(kāi)裂，提高耐蝕性。亞亞晶晶形形核核機(jī)機(jī)制制是是依依靠靠亞亞晶晶粒粒的的粗粗化化而而發(fā)發(fā)展展為為再再結(jié)結(jié)晶晶的的晶晶核核。。亞亞晶晶粒粒本本身身是是在在劇劇烈烈應(yīng)應(yīng)變變的的基基體體通通過(guò)過(guò)多多邊邊化化形形成成的的，，它它可可通通過(guò)過(guò)消消耗耗周周圍圍的的高高能能量量區(qū)區(qū)長(zhǎng)長(zhǎng)大大成成為為再再結(jié)結(jié)晶晶的的有有效效核核心心。。因因此此，，隨隨著著形形變變度度的的增增大大會(huì)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生生更更多多的的亞亞晶晶而而有有利利于于再再結(jié)結(jié)晶晶形形核核。。這這就就可可解解釋釋再再結(jié)結(jié)晶晶后后的的晶晶粒粒為為什什么么會(huì)會(huì)隨隨著著變變形形度度的的增增大大而而變變細(xì)細(xì)的的問(wèn)問(wèn)題題。。第三節(jié) 再結(jié)晶一、再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力冷變形金屬經(jīng)回復(fù)后未被釋放的儲(chǔ)存能。二、再結(jié)晶過(guò)程再結(jié)晶是一種形核和長(zhǎng)大過(guò)程，即通過(guò)在變形組織的基體上產(chǎn)生新的無(wú)畸變?cè)俳Y(jié)晶晶核，并通過(guò)逐漸長(zhǎng)大形成等軸晶粒，從而取代全部變形組織的過(guò)程。1.形核晶界弓出形核機(jī)制：對(duì)變形程度較小（＜20％）的金屬，再結(jié)晶核心多以晶界弓出方式形成，即應(yīng)變誘導(dǎo)晶界移動(dòng)，晶核伸向小位錯(cuò)胞晶粒內(nèi)(畸變能較高區(qū)域、亞晶粒小的方向)。亞晶形核機(jī)制：一般在大變形度下發(fā)生。以亞晶為再結(jié)晶核心，形核機(jī)制可分為以下兩種：①亞晶合并機(jī)制：亞晶間亞晶界消失，亞晶粗化。②亞晶界遷移機(jī)制：亞晶界移動(dòng)吞并相鄰形變基體。2.長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力：畸變能差。方式：晶核借界面的移動(dòng)向周圍畸變晶粒擴(kuò)展,至新晶粒相互接觸。三種再結(jié)晶形核方式的示意圖注：再結(jié)晶不是相變過(guò)程?。∪?、再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)再結(jié)晶是一種熱激活過(guò)程，再結(jié)晶速度v與溫度T的關(guān)系：式中：QR為再結(jié)晶激活能，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，A為比例系數(shù)因再結(jié)晶速度v與產(chǎn)生一定量再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)所需的時(shí)間t成反比，則：而邊取對(duì)數(shù)，得：因此，lnt與1/T之間呈線性關(guān)系。特點(diǎn)及規(guī)律：

圖5.53有孕育期;溫度越高,變形量越大，孕育期越短;在體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)速率達(dá)最大，然后減慢。四、再結(jié)晶溫度及其影響因素1.再結(jié)晶溫度：經(jīng)嚴(yán)重冷變形（變形量>70%）的金屬或合金，在1h內(nèi)能夠完成再結(jié)晶的（再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)>95%）最低溫度。(一般，它與金屬產(chǎn)生再結(jié)晶的實(shí)際溫度是不一樣的！)理論上再結(jié)晶溫度為冷變形金屬開(kāi)始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度?？梢杂媒鹣喾ɑ蛴捕确y(cè)定（實(shí)際上再結(jié)晶溫度不是個(gè)物理常數(shù)）。2.經(jīng)驗(yàn)公式：高純金屬：T再＝(0.25-0.35)Tm工業(yè)純金屬：T再＝(0.35-0.45)Tm合金：T再＝(0.4-0.9)Tm注：再結(jié)晶退火溫度一般比上述溫度高100～200℃。

3.影響因素：變形量越大，驅(qū)動(dòng)力越大，再結(jié)晶溫度越低（圖5.54）；純度越高，再結(jié)晶溫度越低，可能是溶質(zhì)易于在位錯(cuò)和晶界處偏聚對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界遷移起阻礙作用而阻礙再結(jié)晶（表5.9）；加熱速度太低（回復(fù)充分、儲(chǔ)能減小、再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力減小）或太高（各溫度下停留時(shí)間過(guò)短、擴(kuò)散受抑制而難以再結(jié)晶形核與長(zhǎng)大），再結(jié)晶溫度提高。五、影響再結(jié)晶的因素退火溫度：加熱溫度越高，再結(jié)晶速度越快。變形量:冷變形量越大，儲(chǔ)存能量越高，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大，故

再結(jié)晶溫度越低，再結(jié)晶速度越快；但隨變形量增大到一定程度，再結(jié)晶溫度則趨于穩(wěn)定，而變形量低于一定值，再結(jié)晶不能進(jìn)行。

3.原始晶粒尺寸:晶粒越細(xì)小，變形抗力越高，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大；晶粒越細(xì)小，晶界越多，有利于形核，這都會(huì)降低再結(jié)晶溫度，從而加快再結(jié)晶。微量溶質(zhì)元素：阻礙位錯(cuò)和晶界的運(yùn)動(dòng)，提高再結(jié)晶溫度，不利于再結(jié)晶。分散相粒子:取決于第二相粒子的大小和分布。間距和直徑都較大（一般＞1μm）時(shí)，使位錯(cuò)在粒子附近塞積，提高畸變能和變形抗力，并可作為形核核心，促進(jìn)再結(jié)晶,如：鋼中的MnO夾雜物可作為再結(jié)晶形核核心；直徑和間距很小時(shí)，雖也提高畸變能和變形抗力，但阻礙晶界遷移，從而阻礙再結(jié)晶（形核和長(zhǎng)大），如：鋼中加入Nb、V形成尺寸很?。ǎ?00nm）的化合物NbC、VC等，會(huì)抑制再結(jié)晶形核。六、再結(jié)晶后晶粒大小及其控制晶粒大?。冃瘟筷P(guān)系圖1.變形量：存在臨界變形量(一般約為2%-10%);在臨界變形量以下，不發(fā)生再結(jié)晶，晶粒尺寸不變；在臨界變形量處，再結(jié)晶后晶粒特別粗大（峰值），生產(chǎn)中應(yīng)避免臨界變形量；在臨界變形量以上，隨變形量增大，再結(jié)晶后晶粒逐漸細(xì)化。(d∝（G/N）1/2)2.退火溫度：退火溫度提高，晶粒粗化；退火溫度越高，臨界變形度越小，晶粒粗大。3.原始晶粒尺寸：原始晶粒越細(xì)小，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大，再結(jié)晶溫度越低，且形核位置越多，使再結(jié)晶后晶粒細(xì)化。七、再結(jié)晶的應(yīng)用-再結(jié)晶退火恢復(fù)變形能力、改善顯微組織、消除各向異性、提高組織穩(wěn)定性。第四節(jié)晶粒長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力：界面能差（不是重新形核）。長(zhǎng)大方式：正常長(zhǎng)大；異常長(zhǎng)大（二次再結(jié)晶）.一、晶粒的正常長(zhǎng)大正常長(zhǎng)大：再結(jié)晶后的晶粒均勻連續(xù)的長(zhǎng)大。驅(qū)動(dòng)力：界面能差。晶粒曲率半徑越小，界面能越高，驅(qū)動(dòng)力越大。

(長(zhǎng)大方向是指向曲折晶界的曲率中心。)晶粒的穩(wěn)定形狀:晶界趨于平直;晶界夾角趨于120℃;二維坐標(biāo)中晶粒邊數(shù)趨于6。4.影響晶粒長(zhǎng)大的因素溫度:溫度越高，晶界易遷移，晶粒長(zhǎng)大速度加快，晶粒易粗化(圖5.58)。分散相粒子:第二相粒子阻礙晶界遷移，降低晶粒長(zhǎng)大速率。一般，晶粒穩(wěn)定尺寸d和第二相質(zhì)點(diǎn)半徑r、體積分?jǐn)?shù)f的關(guān)系：d=4r/3f微量雜質(zhì)的存在:“氣團(tuán)”釘扎晶界,不利于晶界移動(dòng)（圖5.61）。晶粒位向差:小角度晶界的界面能和擴(kuò)散系數(shù)小于大角度晶界，因而前者的移動(dòng)速率低于后者。二、晶粒的異常長(zhǎng)大異常長(zhǎng)大:少數(shù)再結(jié)晶晶粒的急劇長(zhǎng)大現(xiàn)象(不連續(xù)長(zhǎng)大或二次再結(jié)晶）?；緱l件:正常晶粒長(zhǎng)大過(guò)程被(第二分散相微粒、織構(gòu)等）強(qiáng)烈阻礙。驅(qū)動(dòng)力：界面能變化（不重新形核）。機(jī)制：釘扎晶界的第二相溶于 基體；再結(jié)晶織構(gòu)中位 向一致的晶粒的合并； 大晶粒吞并小晶粒。對(duì)組織和性能的影響織構(gòu)明顯：各向異性，優(yōu)化磁導(dǎo)率;晶粒大小不均:性能不均;晶粒粗大：降低強(qiáng)度和塑性、韌性，提高表面粗糙度。一、退火孿晶退火孿晶：再結(jié)晶退火后出現(xiàn)的孿晶。（參見(jiàn)P209圖5.64）（通常，某些面心立方金屬和合金如銅及銅合金、鎳及鎳合金和奧氏體不銹鋼等，經(jīng)冷變形和再結(jié)晶退火后，晶粒中會(huì)出現(xiàn)退火孿晶。）典型形態(tài)：晶界交角處的退火孿晶；貫穿晶粒的完整退火孿晶；一端終止于晶內(nèi)的不完整退火李晶。形成機(jī)制：再結(jié)晶過(guò)程中，當(dāng)晶粒通過(guò)晶界移動(dòng)而生長(zhǎng)時(shí)因晶界遷移出現(xiàn)層錯(cuò)而形成。二、再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)：具有變形織構(gòu)的金屬，經(jīng)再結(jié)晶后形成的新晶粒若仍具有擇優(yōu)取向，稱為再結(jié)晶織構(gòu)（再結(jié)晶退火后形成的織構(gòu)）?？棙?gòu)類型：與原有的織構(gòu)相一致；原有織構(gòu)消失而代之以新的織構(gòu)；原有織構(gòu)消失不再形成新的織構(gòu)。形成機(jī)制：擇優(yōu)形核（晶界弓出、亞晶界遷移再結(jié)晶形核而沿襲形變織構(gòu)）；擇優(yōu)生長(zhǎng)（特殊位向的再結(jié)晶晶核快速長(zhǎng)大形成新織構(gòu)）。再結(jié)晶退火后的組織第五節(jié)金屬的熱變形一、金屬的熱加工1.加工的分類冷加工：在再結(jié)晶溫度以下的加工過(guò)程。

（加工硬化）熱加工：在再結(jié)晶溫度以上的加工過(guò)程。（加工硬化、回復(fù)再結(jié)晶）2.熱加工溫度范圍：T再<T熱加工<T固－100～200℃。二

、動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（P211）↙溫度、外力動(dòng)態(tài)回復(fù)：在塑性變形過(guò)程中發(fā)生的回復(fù)。（靜態(tài)回復(fù))動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：在塑變過(guò)程中發(fā)生的再結(jié)晶。（靜態(tài)再結(jié)晶 條件：在一定溫度和應(yīng)變率（加載速度）下變形。特點(diǎn)：反復(fù)形核，有限長(zhǎng)大，晶粒較細(xì)；包含亞晶粒，位錯(cuò)密度較高,強(qiáng)度、硬度較高。應(yīng)用：采用低的變形終止溫度、大的最終變形量、快的冷卻速度可獲得細(xì)小的晶粒、優(yōu)良的綜合性能。溫度↓第五節(jié)

金屬的熱變形；)，，穩(wěn)穩(wěn)定定態(tài)態(tài)會(huì)會(huì)三、金屬熱加工時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特點(diǎn)：曲線起始部分的加工硬化率隨變形溫度的提高和應(yīng)變率的降低而減小；大于一定應(yīng)變后，加工硬化效應(yīng)消失，出現(xiàn)不隨應(yīng)變而增高的穩(wěn)定狀態(tài)的流變應(yīng)力在某些情況下(低應(yīng)變率)被應(yīng)力隨應(yīng)變而周期性變化的波動(dòng)曲線所代替。解釋：動(dòng)態(tài)回復(fù)+動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（P211圖5.67