材料科学基础-第六章-金属及合金的回复与再结晶

第六章金属及合金的回复与再结晶Chapter6RecoveryandRecrystallizationofMetalsandAlloys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冷变形金属显微组织随加热温度和时间的变化

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。冷变形金属在加热过程中能量的释放1－纯金属；2－不纯金属；3－合金。

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。冷拉伸变形后的工业纯铜在加热时性能的变化第二节回复（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。在－50C进行约8%剪切变形的锌单晶，在不同温度加热后的性能变化一、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0Ｃ回复到残留75％的加工硬化需要５分钟，则锌单晶在27Ｃ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－50

C时回复到残留75％的加工硬化需要约13天。分。（R=2cal/gmol·K）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：空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环位错环空位与间隙原子的合并

①空位迁移到金属的自由表面或晶界处而消失；②空位与间隙原子合并，空位与间隙原子同时消失；③空位与位错发生交互作用而消失；④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：①位错滑移，导致位错重新组合排列；

②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）。多边化前多边化后位错墙多边化过程刃位错通过攀移和滑移排列成位错墙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：

①胞壁内位错密度有所下降；②弯曲的位错逐渐伸直；③位错缠结逐渐转变成能量较低的稳定的位错网络；④胞壁变得较清晰，成为亚晶界；⑤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。回复前的冷变形状态回复0.1小时回复50小时回复300小时经5%冷变形的纯铝在200C回复的亚结构变化缠结位错伸直了的位错位错网络大的稳定网络四、回复的应用去应力退火（Stress-reliefAnnealing）：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：①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”）。②冷卷弹簧制品，在成型后进行一次250～300C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。

加热前625℃加热（不完全再结晶）

670℃加热（完全再结晶）

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再结晶回复和再结晶对冷变形金属性能的影响经过再结晶，冷变形所导致的各种性能改变基本消失，加工硬化被消除，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。经98%冷轧的纯铜（99.999%Cu）在不同温度下的等温再结晶动力学曲线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：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①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。亚晶粒合并形核机制亚晶直接长大形核机制第六章金属及合金的回复与再结晶－§6.3再结晶②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。晶界凸出形核机制具有亚晶粒组织晶粒间的凸出形核机制在晶界处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。①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。②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（

V≥95%）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＝(0.25～0.35)Tm工业纯金属：T再＝(0.35～0.45)Tm合金：T再＝(0.4～0.9)Tm2.影响再结晶温度的因素①变形度冷变形度越大，T再越低。②原始晶粒度变形金属的晶粒越小，T再越低。③金属的纯度纯度越高，T再越低。④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。冷变形度与开始再结晶温度的关系FeAl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①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2～10%再结晶后的晶粒异常粗大。

2～10%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。冷变形度对再结晶后晶粒大小的影响第六章金属及合金的回复与再结晶－§6.3再结晶②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。Cu-35Zn退火温度与晶粒尺寸的关系含碳0.06%的低碳钢变形度及退火温度对再结晶后晶粒大小的影响③原始晶粒尺寸当变形度一定时