第五章 回复及再结晶副本

1、材料的回复、材料的回复、再结晶与热加工再结晶与热加工变形金属在加热时组织性能变化的特点变形金属在加热时组织性能变化的特点回复回复再结晶再结晶晶粒的长大晶粒的长大金属的热加工金属的热加工超塑性超塑性 机械功(塑性变形) 热量(散失) 晶体内部缺陷金属处于不稳定的高能状态 有向低能转变的趋势 转变的三个阶段：回复回复(recovery) 、再结晶再结晶(recrystallization) 和晶粒长大晶粒长大(grain growth) 回复与再结晶的用途：再结晶退火、去应力退火、金属高温强度调整等。 本章重点：转变过程三个阶段中的组织、性能的变化规律及主要影响因素本节主要内容：本节主要内容：回复

2、与再结晶定义显微组织变化性能变化1.储存能变化 冷加工变形：冷加工变形：加工硬化加工硬化可使位错数量增加，金属的强度和硬度增加可使位错数量增加，金属的强度和硬度增加冷加工缺点：冷加工缺点：内应力内应力这种这种在金属零件进一步加工和使用过程中往往会在金属零件进一步加工和使用过程中往往会产生不应有的变形，使用中也会由于大气环境与内应力的产生不应有的变形，使用中也会由于大气环境与内应力的共同作用，造成零件的应力腐蚀；冷加工也可能使电阻率共同作用，造成零件的应力腐蚀；冷加工也可能使电阻率增加等。这时金属处于一种增加等。这时金属处于一种不稳定状态不稳定状态。发生应力腐蚀奥氏发生应力腐蚀奥氏体不锈钢管道内

3、壁体不锈钢管道内壁应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环境体系环境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐蚀易在含中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐蚀易在含Cl的介质中发生，裂纹为树枝状。的介质中发生，裂纹为树枝状。 消除的方法消除的方法 退火处理。退火处理。 退火可使原子扩散能力增加，金属将依次发退火可使原子扩散能力增加，金属将依次发生生回复、再结晶和晶粒长大回复、再结晶和晶粒长大过程。过程。回复：回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。再结晶再结晶：冷

4、变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。1、回复与再结晶定义对经塑性变形后的金属再进行加热，通常称为“退火”，其目的是为了恢复与提高金属的塑性。当退火温度达到一定时，金属的性能可以完全恢复到冷变形冷变形以前的状态。2、显微组织的变化冷变形金属组织加热温度及时间的变化示意图回复阶段：纤维组织仍为纤维状，无可见变化；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；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。退火过程的三个阶段退火过程的三个阶段例：形变铝合金形变、例：形变铝合金形变、再结晶形核和

5、再结晶再结晶形核和再结晶完毕后的组织完毕后的组织/350oC加热温度加热温度 黄铜黄铜(a)(b)(c)(d)(e)(f)（a）是黄铜冷加工变形量达到）是黄铜冷加工变形量达到CW38后的组织，可见粗大晶粒内后的组织，可见粗大晶粒内的滑移线。的滑移线。（b）经过）经过580 C保温保温3秒后，试样秒后，试样上开始出现白色小的颗粒，即再结上开始出现白色小的颗粒，即再结晶出的新的晶粒。晶出的新的晶粒。（c）是在）是在580 C保温保温4秒后，显示秒后，显示有更多新的晶粒出现。有更多新的晶粒出现。（d）在）在580 C保温保温8秒后，粗大的秒后，粗大的带有滑移线的晶粒已完全被细小的带有滑移线的晶粒已完

6、全被细小的新晶粒所取代，即完成了再结晶。新晶粒所取代，即完成了再结晶。（e）是保温）是保温15分后的金相组织。分后的金相组织。晶粒已有所长大。晶粒已有所长大。（f）则是在）则是在700 C保温保温10分后晶粒分后晶粒长大的情形。长大的情形。3、性能变化(1) 力学性能：力学性能： 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高； 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，塑性继续提高，晶粒粗化时严重下降。(2) 物理性能：物理性能： 密度：回复阶段变化不大，再结晶阶段急剧升高； 电阻：由于点缺陷密度下降，电阻在回复阶段明显下降。(3) 内应力变化内应力变化

7、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：内应力可完全消除。4、储存能变化几种曲线的区别：几种曲线的区别：高纯金属回复阶段释放的储存能很少，曲线为高纯金属回复阶段释放的储存能很少，曲线为A A型；型；合金具有合金具有B B或或C C型曲线，在回复阶段就释放出较多的储存能，因型曲线，在回复阶段就释放出较多的储存能，因合金元素和杂质原子阻碍再结晶，使储存能在再结晶以前就通过合金元素和杂质原子阻碍再结晶，使储存能在再结晶以前就通过回复过程释放。回复过程释放。随着储存能的释放，金属的显微组织和性能也发生相应变化。随着储存能的释放，金属的显微组织和性能也发生相应变化

8、。发生的原因：金属形变后的变化；热力学不稳定性；储存能主要依附于点缺陷、位错和层错等形式的缺陷而储存能主要依附于点缺陷、位错和层错等形式的缺陷而存在于晶体中。储存能的数值并不大存在于晶体中。储存能的数值并不大(约几十到几百约几十到几百J/mol)，热力学不稳定向低能状态转变动力学条件控制温度、加热速度、材料本身性质等与相变的异同点：没有晶体结构变化；驱动力不是化学位差；组织示意图组织示意图纯铜棒纯铜棒硬度硬度冰水中冰水中900本节主要内容：本节主要内容：回复动力学回复动力学回复时的亚结构变化与回复机制回复时的亚结构变化与回复机制1.1.回复退火的应用回复退火的应用回复阶段不涉及大角度晶面的迁移

9、；回复阶段不涉及大角度晶面的迁移；通过点缺陷消除、位错的对消和重新排列来实现；通过点缺陷消除、位错的对消和重新排列来实现；此过程是均匀的。此过程是均匀的。1、回复动力学回复动力学是研究某种性能回复的速度。回复动力学是研究某种性能回复的速度。如图表示同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈服应力的回复动力学曲线。横坐标为时间，纵坐标为剩余应变硬化分数(1-R)。0mrmR式中 、 、 分别表示变形后、回复后及完全退火后的屈服应力。显然，R越大，表示回复阶段性能恢复程度越大。mr0(1) 回复的动力学曲线1.00.80.60.40.20100200300400500oC450oC400oC350

10、oC300oC时间时间/min./min.剩余应变硬化分数（剩余应变硬化分数（1-R1-R）同一变形度的同一变形度的Fe在不同温度下的回复在不同温度下的回复回复特征通常可用一级反应方程来表达(2) 回复动力学特点回复过程没有孕育期没有孕育期，随着退火的开始进行，发生软化；在一定温度下，开始变化快，随后变慢开始变化快，随后变慢，直到最后回复速率为零；每一温度的回复程度有一极限值有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此极限所需时间则越短。预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减小减小也有利于回复过程的加快，回复不能使金属性回复不能使金属

11、性能恢复到冷变形前的水平能恢复到冷变形前的水平。设P为冷变形后在回复阶段发生变化的某种性能，P0为变形前该性能的值，P为加工硬化造成的该性能的增量。这个增量P与晶体中晶体缺陷(空位、位错)的体积浓度Cp成正比，即0pPPKC缺陷的变化是一个热激活的过程，假设其激活能为Q，则0()pdCd PPKdtdt在某一温度进行等温回复过程中，晶体缺陷的体积浓度将发生变化，伴随着性能P也发生变化，其随时间的变化率为exp()ppdCQACdtRT 将(2)代入(3)中(1)(2)(3)0()exp()pd PPQKC AdtRT 将(1)代入(4)中(4)00()exp()d PPQAdtPPRT (5)

12、(6)积分得：0ln()exp()QPPAtCRT (3) 回复的动力学方程(6)积分得：0ln()exp()QPPAtCRT 若在不同温度下回复退火，让性能达到同一P值时，所需时间显然是不同的，对式(6)取对数，可得lnt 常数+QRT(7)从lnt-1/T关系可求出激活能，利用对激活能值的分析可以推断回复的机制。(3) 回复的动力学方程(1) 多边化多边化多边化过程示意图 若将一单晶体经弯曲变形后在不同温度下回火，这个单晶就会变成若干无畸变的亚晶粒。这个过程是如何实现的呢？(a)(b)2、回复时的亚结构变化与回复机制经弯曲变形的单晶体沿平行的滑移面散乱的分布着过剩的正刃位错，此时晶体中的弹

13、性畸变较大，如图(a)所示。若将此晶体加热，则滑移面的刃型位错通过滑移和攀移，沿竖直方向排成有规律的位错壁，即成为小角度倾斜晶界，如(b)所示。此时，单晶体被位错壁分割成几个位向差不大的亚晶粒，亚晶粒内的弹性畸变能大大减少，显然这是一个能量降低的过程。由于这个连续弯曲的单晶经回复退火后变为多边形，故称此过程为“多边化”。多边化过程示意图(a)(b)以冷变形5%的纯铝多晶体在200回复退火时亚组织变化为例，分析其回复时亚结构的变化及回复机制(a)(b)(c)(d)(2) 胞状组织的规整化胞状组织的规整化1) 金属经过塑性变形后存在胞状组织，其胞壁位错密度很高，位错缠结相当宽(如图(a)所示)。在

14、回复过程中，这种变形后的胞状组织将发生变化。2) 在回复初期，首先是过剩空位消失，胞状组织内的位错被吸引到胞壁，并于胞壁中的异号位错相互抵消，使位错密度降低，而且位错变得较直，较规整，如图(b)所示。3) 回复继续进行时，胞内变得几乎无位错，胞壁中的位错缠结逐渐形成能量较低的位错网，胞壁变薄，且更清晰，单胞有所长大，如图(c)所示。此时，胞状组织实际上就是亚晶粒。4) 随着回复的继续进行，亚晶粒继续长大，亚晶界上有更多的位错按低能态的位错网络排列，如图(d)所示。总结：材料冷变形程度越大，回复退火温度越低，最后获得亚晶粒的尺寸越小。(3) 亚晶粒的合并亚晶粒的合并在回复阶段，很多金属(Cu、A

15、l、Zr)中相邻的两亚晶粒会相互合并而长大，如下图所示。它可能是通过位错的攀移和位错壁的消失，从而导致亚晶转动来完成的，合并之后，原来的亚晶界消失，两个亚晶的取向趋于一致。(a)(b)(c)(d)Dillamore-Katoh模型1974过渡带中亚晶是伸长的，在垂直于过渡带方向的位向梯度大，平行于过渡带方向的位向梯度小，这样，平行于过渡带的亚晶界界面能t比垂直于形变带的亚晶界的界面能r大。三叉点处有以下关系：导致向外弓出相邻的亚晶界中所含的是反号位错），通过位错的运动，这些亚晶很易和很快聚合，形成一个大的亚晶。总结：回复机制是空位和位错通过热激活改变了它们的组态分布和数量的过程。低温回复：经冷

16、加工变形的金属通常在较低的温度范围就开始回复，表现在因变形而增高的电阻率发生不同程度的下降，但这时其机械性能不出现变化。由于金属的电阻率对点缺陷很敏感，而机械性能对点缺陷不敏感，所以这种低温下发生的回复与金属中点缺陷的变化有关。 一般认为低温回复主要是由于塑性变形所产生的过量空位消失的结果，其消失至少存在四种可能的机制：（1）空位迁移到金属的自由表面或晶界自由表面或晶界而消失；（2）空位与塑性变形所产生的间隙原子间隙原子重新结合而消失；（3）空位与位错位错发生交互作用而消失；（4）空位聚集成空位片空位片，然后崩塌崩塌成位错环而消失。中温回复中温回复：主要机制是位错滑移位错滑移，导致位错重新组合

17、位错重新组合，异号位错会聚而互相抵消以及亚晶粒长大，位错密度降低位错密度降低；高温回复高温回复：回复是机制包括攀移攀移在内的位错运动位错运动和多边化多边化，以及亚晶粒合并，弹性畸变能降低亚晶粒合并，弹性畸变能降低。 异号位错相遇而抵销异号位错相遇而抵销位错滑移位错滑移 位错密度降低位错密度降低 位错缠结重新排列位错缠结重新排列位错攀移（滑移）位错攀移（滑移） 位错垂直排列（亚晶界）位错垂直排列（亚晶界） 多边化（亚晶粒）多边化（亚晶粒） 弹性畸变能降低。弹性畸变能降低。条件塑性变形使晶体点阵弯曲同号刃形位错在滑移面上塞积需要高温加热，使刃形位错能够产生攀移运动多边化一般在单晶体中产生，对于多晶

18、体，多系滑移往往导致位错缠结，从而易形成胞状结构。回 复 机 制3、回复退火的应用主要作用是去应力退火，使冷加工硬化后的金属一方面基本上保持加工硬化状态的硬度和强度，同时，使内应力消除，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高耐蚀性。回复机制与性能的关系回复机制与性能的关系 a. a. 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; ; b. b. 硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较细；细； c. c. 电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低。电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低。回复退火产生的结果：回复退火产生的结果

19、： 电阻率下降电阻率下降 硬度、强度下降不多硬度、强度下降不多 降低内应力降低内应力 回复阶段退火的作用：回复阶段退火的作用： 提高扩散提高扩散 促进位错运动促进位错运动 释放内应变能释放内应变能本节主要内容：本节主要内容：再结晶形核长大机制再结晶形核长大机制再结晶动力学再结晶动力学再结晶温度再结晶温度再结晶后的晶粒大小及再结晶全图再结晶后的晶粒大小及再结晶全图再结晶织构再结晶织构1.1.退火孪晶退火孪晶再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度后，无畸变的新晶粒取代变形晶粒的过程。 经过再结晶，性能可恢复到变形以前的完全软化状态再结晶过程示意图1、再结晶形核长大机制再结晶过程是通过形核和长大来进行

20、的，但再结晶的晶核不是结构不同的新相，而是无畸变的新晶粒核心，它们是由大角度界面所包围的。其形核机制主要有两种：一是亚晶粒粗化的形核机制；二是原有晶界弓出的形核机制。驱动力：变形金属经回复后未被释放的储存能（相当于变形总驱动力：变形金属经回复后未被释放的储存能（相当于变形总储能的储能的90%90%）。）。(1)、亚晶粒粗化的形核机制一般是发生在冷变形度大的金属。亚晶合并形核，适于高层错能的金属。 过程：位错多边化回复亚晶形核亚晶合并形核示意图(a)(b)(c)上述过程的具体描述是相邻亚晶粒某些边界上的位错，通过攀移和滑移，转移到这两个亚晶外边的亚晶界上去，而使这两个亚晶之间的亚晶界消失，合成为

21、一个大的亚晶。同时，通过原子扩散和位置的调整，使两个亚晶的取向变为一致，如图(a)所示。合并后的较大亚晶的晶界上吸收了更多的位错，它逐渐转化为移动性大的大角度晶界，这种亚晶就成为再结晶晶核。亚晶合并形核示意图(a)(b)(c)亚晶迁移形核，适于低层错能的金属。 亚晶长大形核示意图(a)(b)(c)具体过程：变形后的亚晶组织中，有些位错密度很高，同号位错过剩量大的亚晶界与它相邻的亚晶取向差就比较大。退火时，这种亚晶界很容易转变成为易动性大的大角度亚晶界，它就可能向变形区弓出“吞食”周围亚晶而成为再结晶核。(2)、原有晶界弓出的形核机制对于变形程度较小的金属(一般小于20%)，再结晶晶核往往采用弓

22、出形核机制生成。一般是发生在形变较小的金属中，由应变诱导晶界移动。Strain induced grain boundary migration (SIBM)Figure. (a) SIBM of a boundary separating a grain of low stored energy (E1) from one of higher energy (E2), (b) dragging of the dislocation structure behind the migrating boundary, (c) the migrating boundary is free from

23、the dislocation structure, (d) SIBM originating at a single large subgrain.Figure. TEM micrograph of SIBM in copper deformed 14% in tension and annealed 5 min at 234C, (Bailey and Hirsch 1962).变形不均匀，位错密度不同。能量条件：Es：单位体积变形畸变能的增量b：晶面能L：球冠半径变形程度较小时，金属的变形不均匀，各晶粒的位错密度不同，原有晶界两侧的胞状组织粗细各异。退火时在原来的大角度晶界中可能有一小段

24、突然向位错密度大、胞状组织细的一侧弓出，并形成一小块无位错区，此区域成为再结晶晶核。(3)、再结晶长大长大驱动力：无畸变的新晶粒本身与周围畸变的母体之间的畸变能差(整体)方式：晶核向畸变晶粒扩展，直至新 晶粒相互接触注：再结晶不是相变过程2、再结晶动力学N331 exp()3NG N1 exp()nkt 长大速率。形核率；再结晶体积分数；)3exp(143GNtGNRR常数。常数；再结晶体积分数；)exp(1KBBtRKR约翰逊约翰逊-梅厄梅厄（Johnson-Mehl）方程：）方程：阿弗拉密阿弗拉密（Avrami）方程：）方程：假定条件：假定条件：均匀成核、球形晶核，均匀成核、球形晶核，N、

25、G不随时间改变、恒温不随时间改变、恒温假定条件：假定条件：均匀成核、球形晶核，均匀成核、球形晶核，N随时间指数衰减、恒温随时间指数衰减、恒温211121TTRQett 实验计算数分积体晶结再时间/sNNNNS型曲线型曲线转变率转变率 时间时间孕育期孕育期长大期长大期开始开始终了终了转变率转变率时间（对数形式）时间（对数形式） 再结晶再结晶的晶核不是的晶核不是新相，晶体结构未变，新相，晶体结构未变，而而固态相变固态相变出现新相；出现新相； 固态相变固态相变倾向于晶倾向于晶界成核，而界成核，而再结晶再结晶以亚以亚晶为基础；晶为基础； 两者动力学过程相两者动力学过程相似。似。固态相变固态相变再结晶再

26、结晶3、再结晶温度影响再结晶温度的因素N即：增大形核率或减小长大速率可得细小再结晶晶粒。所有能够使G/ 值发生变化的因素都可能引起再结晶晶粒的变化，那么如何控制再结晶晶粒的尺寸呢？4、再结晶后的晶粒大小及再结晶全图常数14GNd N再结晶晶粒大小的控制晶粒尺寸变形量临近变形量材料：工业纯铝状态：不同冷变形度后，经550再结晶退火30min说明：变形度很小(1%)时，因不发生再结晶，晶粒保持原来大小，临界变形度(2.5%)时，再结晶后晶粒特别粗大。随着变形量的增加，再结晶晶粒减小再结晶后的晶粒尺寸,mm原始晶粒尺寸,mm两方面影响：两方面影响：晶界是有利的再结晶形核晶界是有利的再结晶形核位置，原

27、始晶粒小，再结位置，原始晶粒小，再结晶形核位置多，有利于再晶形核位置多，有利于再结晶；结晶；但原始晶粒小，变形较均但原始晶粒小，变形较均匀，减少形核位置，不利匀，减少形核位置，不利于再结晶。于再结晶。放大100倍时每0.45cm2中的晶粒数晶粒度应变/%5、再结晶织构(2) 再结晶织构对性能的影响(2) 再结晶织构形成的机制定向生长理论定向形核理论6、退火孪晶ACB本节主要内容：本节主要内容：正常晶粒长大正常晶粒长大1.1.反常晶粒长大反常晶粒长大晶粒长大过程正常长大(均匀长大)反常长大(非均匀长大或二次再结晶)1、正常晶粒长大制约因素驱动力晶界迁移率长大方式：长大方式：依靠界面移动依靠界面移

28、动“大吃小、凹吃凸大吃小、凹吃凸”，长大中界面向曲率中心方向，长大中界面向曲率中心方向移动，大晶粒吞食了小晶粒，直到晶界平直化。移动，大晶粒吞食了小晶粒，直到晶界平直化。dEdR晶粒A晶粒B晶界稳态形貌R楔形双晶体界面的迁移dEFdRFPRRR1211()()PRR2PR2PRsinsinsinCABTTTABC界面张力不平衡界面弯曲5边晶粒消失恒温下，正常晶粒长大时，平均晶粒直径与保温时间关系推导：恒温下，正常晶粒长大时，平均晶粒直径与保温时间关系推导：正常晶粒长大时晶界的平均移动速度 dtDdRmpmb2晶界的平均迁移率晶界的平均驱动力晶界的平均曲率半径晶粒平均直径的增大速度 mpRdtDddtDdDK1对于大致上均匀的晶粒组织来说， ， 、 为常数，所以（8-21）可写成 RDmbtKDDt202两边积分得 恒定温度下的起始平均晶粒直径t时间的平均晶粒直径0DtD如果 远大于 ，则 tD0D上式表明在恒温下发生正常晶粒长大时，平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大。tKDt221CtDt 但是，有不少的恒温晶粒长大实验数据符合： ntKtD（ ）2