第8章回复与再结晶

1、8.38.3再结晶再结晶8.3.18.3.1形核与长大形核与长大8.3.28.3.2再结晶动力学曲线再结晶动力学曲线8.3.38.3.3再结晶温度及其影响因素再结晶温度及其影响因素8.3.48.3.4再结晶晶粒大小的控制再结晶晶粒大小的控制8.3.58.3.5再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大8.48.4金属的热加工金属的热加工8.4.18.4.1动态回复和动态再结晶动态回复和动态再结晶8.4.28.4.2热加工后金属的组织与性能热加工后金属的组织与性能8.18.1冷变形金属在加热时的组织与性能变化冷变形金属在加热时的组织与性能变化8.1.18.1.1显微组织的变化显微组织的变化8.1.28

2、.1.2冷变形金属中的储存能的变化冷变形金属中的储存能的变化8.1.38.1.3性能的变化规律性能的变化规律8.28.2回复回复8.2.18.2.1回复过程中微观结构的变化机制回复过程中微观结构的变化机制8.2.28.2.2回复动力学回复动力学材料科学基础材料科学基础第八章第八章8.1.28.1.2冷形变金属中的储存能的变化冷形变金属中的储存能的变化 材料科学基础材料科学基础第八章第八章材料科学基础材料科学基础第八章第八章回复驱动力为形变储存能回复驱动力为形变储存能 1.1.低温回复低温回复: :点缺陷的迁移点缺陷的迁移 2. 2.中温回复中温回复: :位错滑移导致位错重新组合位错滑移导致位错

3、重新组合 3. 3.高温回复高温回复: :多边化多边化。多边化的驱动来自应变能的下降。多边化的驱动来自应变能的下降。 多边化产生的条件多边化产生的条件: : (1) (1) 塑性变形使晶体点阵发生弯曲。塑性变形使晶体点阵发生弯曲。 (2) (2) 在滑移面上有塞积的同号刃型位错。在滑移面上有塞积的同号刃型位错。 (3) (3) 需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动。需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动。l 多晶体亚晶形成过程：多系滑移多晶体亚晶形成过程：多系滑移位错缠结位错缠结位错胞位错胞位错位错网网亚晶界。亚晶界。材料科学基础材料科学基础第八章第八章( (二二) ) 回复机制回复机制

4、 ( (三三) ) 去应力退火去应力退火8.2.28.2.2回复动力学回复动力学 动力学曲线特点动力学曲线特点 （1 1）没有孕育期；）没有孕育期； （2 2）开始变化快，随后变慢；）开始变化快，随后变慢； （3 3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。）长时间处理后，性能趋于一平衡值。材料科学基础材料科学基础第八章第八章回复退火的应用回复退火的应用 1 1回复机制与性能的关系回复机制与性能的关系 内应力降低内应力降低: :弹性应变基本消除弹性应变基本消除; ; 硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较细；硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较细； 电阻率明显下降：空位减少，位错应变

5、能降低。电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低。 2 2去应力退火去应力退火 降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开裂，降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。提高耐蚀性。材料科学基础材料科学基础第八章第八章 再结晶是一个显微组织重新改组，变形储再结晶是一个显微组织重新改组，变形储存能充分释放存能充分释放, ,性能显著变化的过程，其驱动为性能显著变化的过程，其驱动为回复后未被释放的变形储存能。回复后未被释放的变形储存能。 再结晶过程包括新晶粒的形核与长大。应再结晶过程包括新晶粒的形核与长大。应指出，由于再结晶并未改变相的结构与成分，指出，由于再结晶并未改变相的结

6、构与成分，故再结晶虽然引起组织重构但并不属于固态相故再结晶虽然引起组织重构但并不属于固态相变。变。 材料科学基础材料科学基础第八章第八章 再结晶过程是形核和长大再结晶过程是形核和长大, ,但无晶格类型变化。但无晶格类型变化。 1. 1. 形核形核 再结晶晶核是现存于局部高能区域内的再结晶晶核是现存于局部高能区域内的, ,以多边化形成以多边化形成的亚晶为基础形核。其形核机制有：的亚晶为基础形核。其形核机制有： (1) (1) 晶界弓出形核晶界弓出形核( (凸出形核机制凸出形核机制) ) 对于变形度较对于变形度较小（小（20% rr rc c便会借助于便会借助于界面向高畸变区域长大。以亚晶迁移机制

7、形成界面向高畸变区域长大。以亚晶迁移机制形成的晶核，一旦形成大角度晶界就可迅速移动的晶核，一旦形成大角度晶界就可迅速移动, ,扫除其遇到的位错扫除其遇到的位错, ,留下无应变的晶体。晶界留下无应变的晶体。晶界迁移的驱动力为新、旧晶粒之间的自由能差。迁移的驱动力为新、旧晶粒之间的自由能差。迁移方向总是背向曲率中心，向着畸变区推进，迁移方向总是背向曲率中心，向着畸变区推进，直到完全形成无畸变晶粒。直到完全形成无畸变晶粒。材料科学基础材料科学基础第八章第八章 再结晶动力学：取决于形核率再结晶动力学：取决于形核率N N和长大速率和长大速率G G的大小。的大小。 再结晶动力学曲线表示再结晶动力学曲线表示

8、TRTR关系曲线关系曲线, ,其特点：其特点： (1) (1)恒温动力学曲线呈恒温动力学曲线呈“S”S”形形 (2) (2)有一孕育期有一孕育期 (3) (3)等温下等温下, ,再结晶速度呈现再结晶速度呈现“慢、快、慢慢、快、慢”的特点的特点 材料科学基础材料科学基础第八章第八章1 1 再结晶温度：经严重冷变形（变形量再结晶温度：经严重冷变形（变形量70%70%）的金）的金属或合金，在属或合金，在1 1h h内能够完成再结晶的（再结晶体内能够完成再结晶的（再结晶体积分数积分数95%95%）最低温度。）最低温度。 高纯金属：高纯金属：T T再再(0.250.35)(0.250.35)TmTm。2

9、 2 经验公式经验公式 工业纯金属：工业纯金属：T T再再(0.350.45)(0.350.45)TmTm。 合金：合金：T T再再(0.40.9)(0.40.9)TmTm。 注：再结晶退火温度一般比上述温度高注：再结晶退火温度一般比上述温度高100100200200。材料科学基础材料科学基础第八章第八章材料科学基础材料科学基础第八章第八章1. 1.变形程度：变形度增大、开始变形程度：变形度增大、开始T TR R下降，等温退火再结晶速度越快；下降，等温退火再结晶速度越快；而大到一定程度，而大到一定程度，T TR R趋于稳定。趋于稳定。2. 2.原始晶粒尺寸：其它条件相同时，金属原始晶粒细小，则

10、原始晶粒尺寸：其它条件相同时，金属原始晶粒细小，则T TR R越低，越低，同时形核率和长大速度均增加，有利于再结晶。同时形核率和长大速度均增加，有利于再结晶。3. 3. 微量溶质原子：其作用一方面以固溶状态存在于金属中，会产生微量溶质原子：其作用一方面以固溶状态存在于金属中，会产生固溶强化作用，有利于再结晶；另一方面溶质原子偏聚于位错固溶强化作用，有利于再结晶；另一方面溶质原子偏聚于位错和晶界处，起阻碍作用。总体上起阻碍作用，使和晶界处，起阻碍作用。总体上起阻碍作用，使T TR R提高。提高。4. 4.第二相粒子：其作用是两方面的第二相粒子：其作用是两方面的, ,这主要取决于分散相粒子大小与这

11、主要取决于分散相粒子大小与分布。第二相粒子尺寸较大分布。第二相粒子尺寸较大, ,间距较宽（间距较宽（11微米），促进再结晶。微米），促进再结晶。第二相粒子尺寸较小且又密集分布时阻碍再结晶形成。第二相粒子尺寸较小且又密集分布时阻碍再结晶形成。5. 5.退火工艺参数：加热速度过于缓慢或极快时，退火工艺参数：加热速度过于缓慢或极快时，TRTR上升；上升； 当变形程度和保温时间一定，退火温度越高，再结晶速度快；在当变形程度和保温时间一定，退火温度越高，再结晶速度快；在一定范围内延长保温时间，一定范围内延长保温时间，TRTR降低。降低。材料科学基础材料科学基础第八章第八章 8.3.48.3.4再结晶晶粒

12、大小的控制再结晶晶粒大小的控制 影响再结晶后晶粒大小的因素：影响再结晶后晶粒大小的因素： 1. 1.变形程度的影响变形程度的影响 变形度很小时，晶粒尺寸为原始晶粒尺变形度很小时，晶粒尺寸为原始晶粒尺寸；临界变形度（寸；临界变形度（critical deformation degreecritical deformation degree）c c时，晶粒特时，晶粒特别粗大，一般金属别粗大，一般金属c =2c =28% ;8% ;当变形度大于当变形度大于c c时，随变形时，随变形度增加，晶粒逐渐细化。度增加，晶粒逐渐细化。 2. 2. 退火温度退火温度 T T升高，再结晶速度快，升高，再结晶速度快

13、，c c值变小。值变小。 3. 3. 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸 当变形度一定时，原始晶粒越细，当变形度一定时，原始晶粒越细，D D越小。越小。 4. 4.微量溶质原子和杂质元素微量溶质原子和杂质元素 一般都能起细化再结晶晶粒的一般都能起细化再结晶晶粒的作用。作用。材料科学基础材料科学基础第八章第八章材料科学基础材料科学基础第八章第八章再结晶的应用再结晶的应用 恢复变形能力恢复变形能力 改善显微组织改善显微组织 再结晶退火再结晶退火 消除各向异性消除各向异性 提高组织稳定性提高组织稳定性 再结晶温度：再结晶温度：T T再再100100200200。 材料科学基础材料科学基础第八章第八章 再结晶结

14、束后，材料的晶粒一般比较细小再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小( (等轴晶等轴晶) )，若继续升温或延长保温时间，晶粒会继续长大。晶粒长大若继续升温或延长保温时间，晶粒会继续长大。晶粒长大是一个自发过程。晶粒长大的驱动力来自总的界面能的降是一个自发过程。晶粒长大的驱动力来自总的界面能的降低。低。 根据再结晶后晶粒长大特点，分为根据再结晶后晶粒长大特点，分为: : （1 1）正常晶粒长大）正常晶粒长大: :均匀长大均匀长大 （2 2）异常晶粒长大）异常晶粒长大: :不均匀长大，又称二次再结晶不均匀长大，又称二次再结晶；把通把通常说的再结晶称为一次再结晶常说的再结晶称为一次再结晶。材料科学基础材

15、料科学基础第八章第八章影响因素影响因素 (1) (1) 温度温度 T T 升高，晶粒长大速度也越快，越易粗化。平均升高，晶粒长大速度也越快，越易粗化。平均晶粒直径与温度关系如式晶粒直径与温度关系如式5. 5. (2) (2) 分散相微粒分散相微粒 当合金中存在第二相微粒时当合金中存在第二相微粒时, ,粒子对晶界的粒子对晶界的阻碍作用使晶粒长大速度降低。阻碍作用使晶粒长大速度降低。 正常长大停止时晶粒平均尺寸称为极限平均晶粒尺寸，其正常长大停止时晶粒平均尺寸称为极限平均晶粒尺寸，其值为式值为式5.375.37，极限平均晶粒尺寸决定于分散相粒子的尺寸及，极限平均晶粒尺寸决定于分散相粒子的尺寸及所占

16、的体积分数。当所占的体积分数。当 一定、一定、r r越小时越小时, , 极限平均晶粒尺寸越极限平均晶粒尺寸越小。小。 利用分散微粒阻碍高温下晶粒的长大，已广泛应用于金属利用分散微粒阻碍高温下晶粒的长大，已广泛应用于金属材料和非金属材料中，如：钢中加入材料和非金属材料中，如：钢中加入V V、TiTi、NbNb等等, ,可形可形成成TiNTiN、TiCTiC、VCVC、NbCNbC、VNVN、NbNNbN等粒子有效阻碍高温等粒子有效阻碍高温下钢的晶粒长大；在陶瓷烧结中也常利用分散相微粒防下钢的晶粒长大；在陶瓷烧结中也常利用分散相微粒防止晶粒粗化。止晶粒粗化。 （3 3）晶粒间位向差）晶粒间位向差

17、一般小角度晶界或具有孪晶结构的晶一般小角度晶界或具有孪晶结构的晶界迁移速度很小；大角度晶界迁移速度一般较快。界迁移速度很小；大角度晶界迁移速度一般较快。 （4 4）杂质与微量元素）杂质与微量元素 阻碍晶界的迁移。阻碍晶界的迁移。材料科学基础材料科学基础第八章第八章晶粒异常长大晶粒异常长大( (二次再结晶、不连续晶粒长大二次再结晶、不连续晶粒长大) ) ：1. 1. 驱动力：来自总界面的降低。驱动力：来自总界面的降低。2. 2. 长大方式：少数晶粒突发性地迅速地粗化，使晶粒间的尺寸差长大方式：少数晶粒突发性地迅速地粗化，使晶粒间的尺寸差别显著增大。不需重新形核。别显著增大。不需重新形核。3. 3

18、.条件：组织中存在使大多数晶粒边界比较稳定或被钉扎而只有条件：组织中存在使大多数晶粒边界比较稳定或被钉扎而只有少数晶粒边界易迁移的因素。这些因素为：少数晶粒边界易迁移的因素。这些因素为： （1 1）再结晶后组织中有细小弥散的第二相粒子，起钉扎作用。）再结晶后组织中有细小弥散的第二相粒子，起钉扎作用。 （2 2）再结后形成再结晶织构，晶粒位向差小，晶界迁移率小。）再结后形成再结晶织构，晶粒位向差小，晶界迁移率小。 （3 3）若金属为薄板，则在一定的加热条件下有热蚀沟出现钉）若金属为薄板，则在一定的加热条件下有热蚀沟出现钉扎位错。扎位错。 （4 4）再结晶后产生了组织不均匀现象，存在个别尺寸很大的

19、）再结晶后产生了组织不均匀现象，存在个别尺寸很大的晶粒。晶粒。材料科学基础材料科学基础第八章第八章l冷加工冷加工-在再结晶温度以下的变形加工在再结晶温度以下的变形加工. .l热加工热加工在再结晶温度以上的变形加工在再结晶温度以上的变形加工. .材料科学基础材料科学基础第八章第八章 若提高金属变形的温度若提高金属变形的温度, ,使金属在热使金属在热变形的同时也发生回复和再结晶，这种变形的同时也发生回复和再结晶，这种与金属变形同时发生的回复与再结晶称与金属变形同时发生的回复与再结晶称为为动态回复和动态再结晶动态回复和动态再结晶。 材料科学基础材料科学基础第八章第八章1.1. 动态回复时的真实应力真

20、实应变曲线动态回复时的真实应力真实应变曲线l 第第阶段阶段微应变阶段微应变阶段: :应力增加很快应力增加很快, ,但应变量不但应变量不大大( (小于小于1%),1%),加工硬化开始出现。加工硬化开始出现。l 第第阶段阶段均匀变形阶段均匀变形阶段: :金属材料开始均匀塑性金属材料开始均匀塑性变形变形. .。伴随加工硬化作用的加强。伴随加工硬化作用的加强, ,开始出现动态回复开始出现动态回复并逐渐加强并逐渐加强, ,其造成的软化逐渐抵消加工硬化作用其造成的软化逐渐抵消加工硬化作用, ,使使曲线的斜率下降并趋于水平。曲线的斜率下降并趋于水平。l 第第阶段阶段稳态流变阶段稳态流变阶段: :由变形产生的

21、加工硬化由变形产生的加工硬化与动态回复产生的软化达到动态平衡与动态回复产生的软化达到动态平衡, ,流变应力不再随流变应力不再随应变的增加而增大应变的增加而增大, ,曲线保持水平状态。达到稳态流变曲线保持水平状态。达到稳态流变时应力值与变形温度和应变速率有关时应力值与变形温度和应变速率有关, ,增高变形温度或增高变形温度或降低应变速率降低应变速率, ,都将使稳态流变应力降低。都将使稳态流变应力降低。 材料科学基础材料科学基础第八章第八章材料科学基础材料科学基础第八章第八章 （1 1）位错密度）位错密度: :第第阶段阶段, ,位错密度由退火态的位错密度由退火态的10101010增至增至101010

22、10。 第第阶段位错密度升高阶段位错密度升高, ,但因动态回复的但因动态回复的出现出现, ,位错消失率也增大。第位错消失率也增大。第阶段，位错的增殖率和消失阶段，位错的增殖率和消失率达到平衡，位错密度维持在率达到平衡，位错密度维持在10101010。 （2 2）组织变化：动态回复过程随变形的进行金属中的晶）组织变化：动态回复过程随变形的进行金属中的晶粒延伸成纤维状，而通过多边化或位错胞规整化形成大量的粒延伸成纤维状，而通过多边化或位错胞规整化形成大量的亚晶组织始终保持等轴状。亚晶的尺寸及相互间位向差取决亚晶组织始终保持等轴状。亚晶的尺寸及相互间位向差取决于金属类型、形变温度和应变速率。于金属类

23、型、形变温度和应变速率。 亚晶平均直径亚晶平均直径d d与与T T、的关系如下：的关系如下： 1/ 1/d = a + blogexpd = a + blogexp（Q/RTQ/RT） a a、b b为常数为常数l 动态回复所获得的亚稳组织可通过热变形后的迅速冷却动态回复所获得的亚稳组织可通过热变形后的迅速冷却而保留下来，其强度远远高于再结晶组织的强度。但若从高而保留下来，其强度远远高于再结晶组织的强度。但若从高温缓冷下来，则将发生静态再结晶。温缓冷下来，则将发生静态再结晶。l 动态回复组织已成功地应用于提高建筑合金挤压型材的动态回复组织已成功地应用于提高建筑合金挤压型材的强度方面。强度方面。

24、材料科学基础材料科学基础第八章第八章材料科学基础材料科学基础第八章第八章1.1. 动态再结晶的应力应变曲线动态再结晶的应力应变曲线 如图为金属在一定温度下以不同应变速率变形并发生如图为金属在一定温度下以不同应变速率变形并发生动态再结晶时的动态再结晶时的sese曲线，曲线分成三个阶段：曲线，曲线分成三个阶段：l 第一阶段第一阶段加工硬化阶段：应力随应变上升很快，加工硬化阶段：应力随应变上升很快，金属出现加工硬化（金属出现加工硬化（00cmaxmax时，动态再结晶的软化作用超时，动态再结晶的软化作用超过加工硬化，应力随应变增加而下降（过加工硬化，应力随应变增加而下降（c sc s）。）。l 第三阶段第三阶段稳定流变阶段：随真应变的增加，加工稳定流变阶段：随