海南大材料科学基础课件Chapter 10 材料的变形机理和回复、再结晶

第十章回复、再结晶与热加工李长久Email：lichangjiu@目录§1变形金属加热时组织性能变化的特点§2回复§3再结晶§4晶粒长大§5金属的热加工§6超塑性金属塑性变形后，其组织性能发生了很大变化力学性能：强度、硬度增高，塑性、韧性下降；（应变硬化）物理性能：电阻率、磁矫顽力等升高，导磁率下降化学性能：耐蚀性下降经常需要将冷变形金属加热退火，以使其性能恢复到变形前加热时，不稳定状态的金属将发生一系列转变，逐步向平衡状态转变。外力使金属变形时，外力对金属作功。这些能量大部分转化为热量散失到环境中；有一部分能量（2~10%）保存到变形金属中-形变储存能，金属处于不稳定状态经范性形变的金属或合金在室温或不太高的温度下退火时，金属或合金的显微组织几乎没有变化，然而性能却有程度不同的改变，使之趋近于范性形变之前的数值，这一现象称为回复冷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，称为再结晶。冷变形金属在被加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。了解这些过程的发生和规律，对于控制和改善变形材料的晶粒组织（晶粒尺寸及其分布，晶粒形状，再结晶程度等）和性能具有重大意义。§1变形金属加热时组织性能变化的特点

储能是促使冷变形金属发生变化的驱动力。观察冷变形金属加热时的变化，从储能释放及组织结构和性能的变化来分析，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。随加热温度的提高冷变形金属组织发生变化为：回复(recovery)、再结晶(recrystallization)、晶粒长大(graingrowth)性能变化：力学性能、物理性能、内应力、储存能释放

右图为冷变形黄铜随温度升高组织与性能的变化情况。可以分为三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。其中，再结晶阶段性能变化最大：强度迅速下降，塑性迅速升高。一、变形金属加热时显微组织的变化t1～t2

回复阶段，仍保持原来形状(纤维状)t2～t3

再结晶阶段，变形晶粒转变为等轴晶粒t3～t4

晶粒长大阶段，晶粒尺寸发生变化黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段组织变化的照片退火时，由于温度升高原子的能动性增加，即原子的扩散能力提高，而回复阶段只是消除了由于冷加工应变能产生的残余内应力，大部分应变能仍然存在，变形的晶粒仍未恢复原状。所以，随着保温时间加长，新的晶粒核心便开始形成并长大成小的等轴晶粒，这就是再结晶的开始。随着保温时间的延长或温度的升高，再结晶部分愈来愈多，直到原来的晶粒全部被新的小晶粒所代替。进一步保温或升温，新晶粒尺寸开始增大，这就是晶粒长大现象二、变形金属加热时储能的释放A:纯金属;B:不纯的金属;C:合金能量存在形式:位错（80～90％）、弹性应变能（3～12％）和点缺陷储存能的释放：原子迁移至平衡位置，储存能得以释放。三、变形金属加热时性能的变化1.力学性能

(1)硬度（hardness）和强度（strenth）:回复阶段,变化不大,再结晶阶段下降。(2)塑性:回复阶段,变化不大;再结晶阶段上升；粗化后下降。2.物理性能(1)电阻（resistance）:温度升高，电阻率下降。

(2)密度（density）:回复阶段变化不大，再结晶阶段上升。3.内应力:回复阶段基本消除完毕宏观应力,而微观应力消除需再结晶后才能完成4.亚晶粒(sub-grain)尺寸5.储存能释放（releaseofstoredenergy）退火温度与黄铜强度、塑性和晶粒大小的关系黄铜的强度、塑性和晶粒大小与再结晶退火温度以及各个阶段的关系可见，退火温度愈高晶粒长得愈大，拉伸强度下降得愈多，塑性则增加得愈多§2回复一、回复动力学1．回复动力学曲线回复动力学特点：（1）回复过程没有孕育期，随着退火的开始进行,发生软化。（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，以后逐渐变慢，直到最后回复速率为零。（3）每一温度的回复程度有一极限值，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（4）回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。2．回复动力学方程设P为冷变形后在回复阶段发生变化的某种性能，如临界切应力，P0为变形前该性能的值，ΔP=P-P0为加工硬化造成的该性能的增量，与晶体中晶体缺陷的体积浓度CP成正比。

P-P0=ΔP=KCP

（1）将（1）式对时间t求导，得出CP与P随时间的变化率为：

(2)

缺陷的变化是一个热激活的过程，设激活能为Q，仿照化学动力学的方法，对一级反应，反应速度与浓度的一次方成比例则（2）式变为：将（1）式代入：

积分得：

（3）

（4）由（4）式得出：回复阶段性能随时间而衰减，服从指数规律。

如果采用两个不同的温度将同一冷变形金属的性能回复到同样的程度，则屈服强度的回复动力学与以上公式相符没有孕育期；开始变化快，随后变慢；长时间处理后，性能趋于一平衡值。实验证明，Q与空位的扩散激活能十分接近，说明回复过程主要是由空位扩散实现的。回复动力学方程例：已知锌单晶的回复激活能Q=20000cal/mol，在0℃回复到残留75%的加工硬化需5min，请问在27℃和-50℃回复到同样程度需多长时间？解：（min）

min≈13（天）测量出几个不同温度下回复到相同P值所需的时间，利用（4）式并取对数，得到：从关系可求出激活能，利用Q以推断可能的回复机制。二、回复机制

一般认为是点缺陷和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的组态和分布。

1.低温回复：回复的机制主要是过剩空位的消失，趋向于平衡空位浓度。

2.中温回复：其主要机制是位错滑移导致位错重新组合；异号位错会聚而互相抵消以及亚晶粒长大。

3.高温回复：回复机制是包括攀移在内的位错运动和多边化，以及亚晶粒合并。

其驱动力为冷变形时所产生的储能。多边化产生的条件:(1)塑性变形使晶体点阵发生弯曲(2)在滑移面上有塞积的同号刃型位错(3)需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动。多晶体亚晶形成过程：多系滑移—位错缠结—位错胞—位错网—多边化—亚晶界三、回复退火的应用主要用作去应力退火，使冷加工金属在基本上保持加工硬化的状态下降低其内应力，以稳定和改善性能，减少变形和开裂，提高耐蚀性。

例如，冷拉钢丝卷制弹簧，在卷成弹簧后要在250~300℃进行退火，以降低内应力并使其定型。对铸件、焊件的去应力退火，也是通过回复作用来实现的。§3再结晶冷变形后的金属加热到一定温度后，在原来的变形组织中产生无畸变的新晶粒，而且性能恢复到变形以前的完全软化状态，这个过程称为再结晶。其驱动力为回复后未被释放的变形储存能冷变形金属加热时组织与性能最显著的变化就是在再结晶阶段发生的特点：1、组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒；2、力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧下降，塑性迅速升高，应变硬化全部消除，恢复到变形前的状态；3、变形储能在再结晶过程中全部释放。三类应力（点阵畸变）消除，位错密度明显降低。加热时冷变形再结晶形核和长大示意图铁素体变形80%670℃加热650℃加热一、再结晶的形核与长大1．形核1).亚晶粒粗化的形核机制一般发生在冷变形度大时

A.亚晶合并形核，适于高层错能金属。再结晶过程是形核和长大,但无晶格类型变化

相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度，位错发生攀移和滑移并入到邻近的晶界中。这样两个亚晶粒就合并成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行再结晶的形核亚晶粒粗化的形核之

----B.亚晶粒长大形核(亚晶迁移机制)

当变形量很大时，较大的无应变亚晶（多边化时产生）为基础直接长大，吞食周围的亚晶，亚晶界向周围迁移。由于变形大，位错密度高，亚晶界曲率大，易于迁移。亚晶界迁移过程中清除并吸收其扫过亚晶的位错，使迁移亚晶界的位错增多，变成大角度晶界。当尺寸超过临界晶核时就成了再结晶的核心。再结晶的形核----（2）原有晶界弓出的形核机制

一般发生在形变较小（<20%）的金属中，变形不均匀，位错密度不同

当冷变形量较小时，再结晶在原晶界处形核。

对于多晶体，不同晶粒的变形程度不同，变形大的位错密度高，畸变能高；变形小的位错密度低，畸变能低。低畸变区向高畸变区伸展，以降低总的畸变能。2．再结晶的长大再结晶晶核是依靠晶界的迁移而长大的。以弓出方式形成的晶核，当r>rc便会借助于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,扫除其遇到的位错,留下无应变的晶体。晶界迁移的驱动力为无畸变核心与周围畸变的旧晶粒之间的应变能差。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，原来变形的旧晶粒全部消失时，再结晶过程即告完成二、再结晶动力学1．恒温动力学曲线

冷轧60%的含Si3.25钢的等温再结晶曲线再结晶恒温动力学曲线特点（1）具有S形特征，存在孕育期（2）再结晶速率开始时很小，然后逐渐加快，再结晶体积分数约为0.5时，速度达到最大值，随后逐渐减慢（3）温度越高，转变速度越快。再结晶恒温动力学方程2．Johnson-Mehl（约翰逊—梅厄）方程ΦR：已再结晶体积分数；N：形核速度；G：长大速度；t:退火保温时间3．Avrami（阿弗瑞米）方程：ΦR=1-exp（-ktn）

ΦR

：已再结晶体积分数；k,n：系数t：退火保温时间

阿弗瑞米方程较约翰逊—梅厄方程更为适用。

三、影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素

通常把再结晶温度定义为经过严重冷变形的金属（ε>70%），加热1小时，再结晶体积占到总体积的95%的温度。另外，有的文献把保温30-60min，开始发生再结晶或完成50%再结晶的温度定义为再结晶温度因此，引用再结晶温度时，必须注意它的具体条件。

对于工业纯金属，其起始再结晶温度与熔点之间存在下列关系：

T再=（0.3-0.4）T熔1．退火温度影响形核和长大N=N0exp（-QN/RT），G=G0exp（-QG/RT）N0、G0：常数QN、QG：形核激活能和长大激活能升高退火温度，将显著提高形核率和G，再结晶速度加快影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之2．变形程度：变形程度越大，储能越多，再结晶驱动力越大，因此变形程度越大，再结晶速度越快，再结晶温度降低，并逐步趋于一稳定值。例1：纯Zr当面积缩减13%时，557℃完成等温再结晶需40h

当面积缩减51%时，557℃完成等温再结晶需16h例2影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之3．微量溶质原子或杂质：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和晶界处，起阻碍作用。总体上起阻碍作用，提高金属的再结晶温度，降低再结晶速度材料50%再结晶的温度（℃）备注光谱纯铜140Cu的原子半径为1.28Å光谱纯铜加入0.01%Ag205Ag的原子半径为1.44Å光谱纯铜加入0.01%Cd305Cd的原子半径为1.52Å影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之4．第二相：第二相可能促进，也可能阻碍再结晶，主要取决于基体上第二相粒子的大小及其分布。

设粒子间距为λ，粒子直径为di：

λ≥1μm，di≥0.3μm第二相粒子降低再结晶温度，提高再结晶速度

λ<1μm，di≤0.3μm第二相粒子提高再结晶温度，降低再结晶速度合金λ（μm）di对再结晶的影响Cu+B4C52μm促进Cu+Al2O32.5300Å阻碍Cu+Co+SiO20.5-1.0μm800Å阻碍影响再结晶速率与再结晶温度的主要因素之5．原始晶粒

原始晶粒细小使再结晶速度增加，再结晶温度降低6．加热速度

极快的加热或加热速度过于缓慢时，再结晶速度降低，再结晶温度上升7．加热时间

在一定范围内延长加热时间会降低再结晶温度例：纯Al的加热时间与再结晶温度的关系：加热时间14天40小时6小时1分钟5秒T再（℃）254060100150四、再结晶后晶粒大小的控制1．变形程度对应于再结晶后得到特别粗大晶粒的变形程度称为“临界变形度”，一般为2-10%，当变形量超过临界变形度以后，随变形度增加，再结晶晶粒变细。再结晶后晶粒尺寸d与G和之间存在下列关系：d=常数×(G/N)1/4上式表明：增大形核率或减小长大速率G可以得到细的再结晶晶粒

四、再结晶后晶粒大小的控制之2．原始晶粒大小原始晶粒越细，再结晶后晶粒越细。

四、再结晶后晶粒大小的控制之---3．退火温度

当变形程度和保温时间一定时，退火温度越高，所得到的晶粒越粗大。

温度高原子扩散能力强晶界迁移快晶粒度越大60%变形后450℃退火60%变形后500℃退火60%变形后700℃退火60%变形后600℃退火60%变形后800℃退火再结晶退火温度对晶粒度的影响H68合金随终轧温度由a至d的的提高，再结晶晶粒越大

四、再结晶后晶粒大小的控制之4.加热速度

加热速度很慢将使晶粒粗化5.合金元素及第二相

在其他条件相同的情况下，凡延缓再结晶及阻碍晶粒长大的合金元素或杂质均使金属再结晶后得到细晶粒组织。§4晶粒长大

晶粒长大的驱动力是晶界能的下降,即长大前后的界面能差值。一、晶粒的正常长大

1.定义：再结晶刚完成时得到的是细小的、无畸变和内应力的等轴晶粒。温度继续升高或延长保温时间，晶粒仍可以继续长大，若是均匀地连续生长，就称为正常长大。2.晶粒长大的方式

（1）弯曲的晶界总是趋向于平直化，即向曲率中心移动以减少界面积，同时，大角度晶界的迁移率总是大于小角度晶界的迁移率

晶粒长大---晶粒长大的方式（2）晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动，力图使三个夹角都等于120o

当3个晶粒相交于一点，两两相交于一直线时，其二维形状如图所示。由作用于O点的张力平衡可得到：

σ1-2+σ2-3cos

2+σ3-1cos

1=0或σ1-2/sin

3=σ2-3/sin

1=σ3-1/sin

2

由于比界面能σ通常为常数，所以

1=

2=

3=120º。

晶粒长大---晶粒长大的方式（3）在二维坐标中，晶界边数少于6的晶粒，其晶界向外凸出，必然逐渐缩小，甚至消失，而边数大于6的晶粒，晶界向内凹进，逐渐长大，当晶粒的边数为6时，处于稳定状态。在三维坐标中，晶粒长大最后稳定的形状是正十四面体。晶粒长大---3．影响晶粒长大（即晶界迁移率）的因素（1）温度温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大

G=G0exp（-QG/RT）G：晶界迁移速度G0：常数QG：晶界迁移的激活能（2）第二相晶粒长大的极限半径R=kr/fK：常数r：第二相质点半径f：第二相的体积分数∴第二相质点的数量越多，颗粒越小，则阻碍晶粒长大的能力越强。（3）可溶解的杂质或合金元素阻碍晶界迁移，特别是晶界偏聚现象显著的元素，其阻碍作用更大。但当温度很高时，晶界偏聚可能消失，其阻碍作用减弱甚至消失。(4)晶粒间位向差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

二、晶粒的异常长大（二次再结晶）

1.定义：将再结晶完成后的金属继续加热至某一温度以上，或更长时间的保温，会有少数晶粒优先长大，成为特别粗大的晶粒，而其周围较细的晶粒则逐渐被吞食掉，整个金属由少数比再结晶后晶粒要大几十倍甚至几百倍的特大晶粒组成。

二、晶粒的异常长大（二次再结晶）2.驱动力：同正常晶粒长大一样，是长大前后的界面能差3.产生条件：正常晶粒长大过程被弥散的第二相质点或杂质、织构等所强烈阻碍。4.对性能的影响：得到粗大组织，降低材料的室温机械性能，大多数情况下应当避免。二次再结晶示意图§5金属的热加工将金属或合金加热至再结晶温度以上进行的压力加工称为热加工。在加热过程中，冷变形金属发生的回复、再结晶也称为静态回复、静态再结晶。如果变形温度较高，回复、再结晶可在变形后马上发生，称为动态回复、动态再结晶。加工硬化与动态回复、动态再结晶软化几乎同时进行。热加工时，硬化过程与软化过程是同时进行的，按其特征不同，可分为下述五种形式：

(1)动态回复：在塑变过程中发生的回复

(2)动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶

（1）、（2）是在温度和负荷联合作用下发生的。

(3)亚动态再结晶

(4)静态再结晶

(5)静态回复

（3）、（4）、（5）是在变形停止之后，即在无负荷作用下发生的。一、动态回复和动态再结晶1．动态回复（1）真应力——真应变曲线

I．微应变阶段

II．动态回复的初始阶段

III．稳态变形阶段动态回复---2）组织结构的变化热加工后的晶粒沿变形方向伸长，同时，晶粒内部出现动态回复所形成的等轴亚晶粒。亚晶尺寸与稳态流变应力成反比，并随变形温度升高和变形速度降低而增大。动态回复---(3）动态回复的机制是位错的攀移和交滑移，攀移在动态回复中起主要的作用。层错能的高低是决定动态回复进行充分与否的关键因素。动态回复易在层错能高的金属，如铝及铝合金中发生。2．动态再结晶

热变形过程中发生再结晶的应力-应变曲线形状取决于应变速率。

在高应变速率下，曲线上有一个峰值，可分为三个阶段：

I为应变硬化加工阶段，此时变形低于临界变形度，所以不发生再结晶。II为开始发生动态再结晶阶段，当应力大到σmax之前，硬化效应大于软化效应，应力大到σmax之后，再结晶加快，软化效应为主，曲线开始下降。III为稳定流变阶段，应变硬化和再结晶软化达到平衡，出现稳态流变，应力-应变曲线呈水平状。

在低应变速率时，应力-应变曲线上出现较多的峰值。

I为应变硬化加工阶段，曲线斜率（即应变硬化率）随应变速率降低而减小。

II为开始发生动态再结晶阶段，但由于应变速率低，应变硬化与动态再结晶软化达不到平衡，因而不出现稳定流变阶段。在第一个峰值之后，重新出现以硬化为主的和以软化为主的第二个峰值。以至重复到热变形结束。

动态再结晶---（2）组织结构的变化:

晶粒是等轴的，大小不均匀，晶界呈锯齿状，等轴晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒。

动态再结晶---（3）层错能较低的金属，如铜及铜合金，热加工过程中发生的软化过程主要来自动态再结晶。现存的晶界往往是动态再结晶的主要形核之处。形变温度越高，应变速率越小，应变量越大，越有利于动态再结晶。动态再结晶的晶粒大小d主要决定于热变形时的流变应力σ。

σ∝d-nn：常数0.1~0.5动态再结晶---影响因素二、热加工对金属组织和性能的影响1．消除了某些铸造缺陷，较铸态具有较佳的机械性能。

铸造组织成为变形组织二、热加工对金属组织和性能的影响形成纤维组织（流线）。枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。各向异性。沿流线方向塑性和韧性提高明显拖钩的纤维组织锻模钩b)加工钩曲轴流线分布二、热加工对金属组织和性能的影响-----形成原因：两相合金变形或带状偏析被拉长。影响：各向异性。消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高温扩散（退火或正火）。

热变形后亚共析钢中的铁素体和珠光体成带状分布，称为带状组织3．带状组织二、热加工对金属组织和性能的影响-----3．带状组织二、热加工对金属组织和性能的影响-----3．带状组织二、热加工对金属组织和性能的影响-----3．带状组织H62带状组织二、热加工对金属组织和性能的影响-----4．显微组织的细化通