青滨院金属学与热处理课件第7章 金属及合金的回复与再结晶

第7章金属及合金的回复与再结晶为什么探讨金属及合金的回复与再结晶?金属及合金塑性变形后---(强度也硬度提高,塑性和韧性下降)---加工硬化(轧制、拉拔、挤压等有利）---但对进一步的冷加工带来困难(深冲)常需要加热进行退火处理---向塑性变形前的状态转化.引言

目的:一方面可以揭示塑性变形后加热的组织结构转变过程—回复-再结晶和晶粒长大;

另一方面了解这些过程的发生和发展规律,对于控制和改善变形材料的组织和性能具有重要的意义.本章教学目的：

1揭示形变金属在加热过程中组织和性能变化的规律；2揭示再结晶的实质3说明热加工与冷加工的本质区别以及热加工的特点。重点：

（1）回复与再结晶的概念和应用；（2）临界变形度；（3）再结晶晶粒度的控制；（4）热加工与冷加工的区别。一、显微组织的变化

金属经冷塑性变形后，内部组织和各项性能均发生相应变化，而且由于位错等结构缺陷密度的增加以及畸变能的升高，使其处于热力学不稳定状态。当变形金属加热时，通过原子扩散能力的增加，有助于促进向低能量状态的转变§7.1形变金属与合金在退火过程中的变化第一阶段：显微组织基本上未发生变化，其晶粒仍保持纤维状或扁平状变形组织，称回复阶段。第二阶段：以新的无畸变等轴小晶粒逐渐取代变形组织，称为再结晶阶段。第三阶段：上述小晶粒通过互相吞并方式而长大，直至形成较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。当变形金属加热到足以引起应力松弛的温度时，其中的储存能将释放出来。回复阶段释放的储存能很小,第一类内应力可以得以消除。第二类、第三类内应力要经过再结晶之后才能消除。二、储存能及内应力的变化残余应力

塑性变形中外力所作的功除大部分转化成热之外，还有一小部分以畸变能的形式储存在形变材料内部。这部分能量叫做储存能。储存能的具体表现方式为：宏观残余应力、微观残余应力及点阵畸变。按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种：1、第一类内应力，又称宏观残余应力它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围包括整个工件。例如，将金属棒施以弯曲载荷，则上边受拉而伸长，下边受到压缩；变形超过弹性极限产生了塑性变形时，则外力去除后被伸长的一边就存在压应力，短边为张应力。这类残余应力所对应的畸变能不大，仅占总储存能的0.1％左右。2、第二类内应力，又称微观残余应力它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。其作用范围与晶粒尺寸相当，即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡。这种内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并导致工件破坏。3、第三类内应力，又称点阵畸变其作用范围是几十至几百纳米，它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。变形金属中储存能的绝大部分（80％~90％）用于形成点阵畸变。这部分能量提高了变形晶体的能量，使之处于热力学不稳定状态，故它有一种使变形金属重新恢复到自由焓最低的稳定结构状态的自发趋势，并导致塑性变形金属在加热时的回复及再结晶过程。

三类残余内应力之比约为1：10：100。总体说来，残余应力是有害的，将导致材料及工件的变形、开裂和产生应力腐蚀；三、力学性能的变化回复阶段硬度变化很小，约占总变化的1/5，再结晶阶段下降较多，强度与硬度有相似的变化规律。因为回复阶段仍保持很高的位错密度。在再结晶阶段，硬度与强度显著下降，塑性大大提高。1、电阻的变化电阻的回复阶段已表现出明显的下降趋势。点缺陷对电阻的贡献远大于位错，而回复阶段点缺陷的密度发生显著的减小。2、密度的变化再结晶阶段密度急剧增高。四、其它性能的变化

在回复阶段前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶温度时，晶粒尺寸显著增大。五、亚晶粒尺寸回复:是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变之前所产生的某些亚结构和性能的变化过程。一、退火温度和时间对回复过程的影响退火:形变金属的组织和性能在加热时逐渐向稳态发生转变的过程,称为退火§7.2回复温度越高,回复的程度越大当温度一定时,回复的程度随时间的延长而逐渐增加回复的极限值二、回复机制

回复过程主要是空位和位错在退火过程中发生运动,从而改变了它们的数量和组态的过程.低温回复主要涉及点缺陷的运动。空位或间隙原子移动到晶界或位错处消失，空位与间隙原子的相遇复合，空位集结形成空位对或空位片，使点缺陷密度大大下降。中温回复时．随温度升高．原子活动能力增强，位错可以在滑移面上滑移或交滑移，使异号位错相通相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化。高温回复，原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。主要机制是多边化。冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积，致使晶格弯曲，所增殖的位错杂乱分布。高温回复过程中，这些刃位错便通过攀移和滑移，由原来能量较高的水平塞积。在回复阶段，空位密度、位错密度有所下降。四、回复退火的应用主要用于去应力退火

降低内应力减轻工件的翘曲和变形,提高韧性和塑性,及工件的使用安全性.

例如,黄铜弹壳-----晶间开裂(季裂),----原因应力腐蚀开裂----260℃去应力退火就可以解决

冷拉钢丝卷制弹簧,要进行250-300℃去应力退火以降低内应力使之定形,而硬度和强度基本保持不变.

对于热加工:焊接和铸造要进行去应力退火精密零件,丝杠每次车削后都要进行去应力退火,以防止变形和翘曲,保持尺寸精度.

当变形金属高于回复温度加热时，在变形组织的基体上产生新的无畸变再结晶晶核，并通过逐渐长大成等轴晶粒，从而取代全部变形组织，该过程称为再结晶。§7.3再结晶

再结晶过程与回复不一样，是一个显微组织重新改组的过程，其性能发生了根本性的变化，但注意一点，再结晶过程不是相变过程。一、再结晶晶核的形成与长大1）形核：在变形金属中晶格畸变严重、能量较高的地区优先形核2）长大：形核后通过原子的扩散和晶界的迁移，逐渐向周围长大形成了新的等轴晶粒，直到金属内部全部由新的等轴晶粒取代了变形晶粒之后，再结晶过程结束。二、再结晶温度及其影响因素1、再结晶温度是指较大变形程度的金属（>70%）在1小时内能够完成再结晶（或再结晶体积分数>95%）的最低加热温度。它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度或以硬度下降50％所对应的温度，定为再结晶温度。实验表明有如下经验公式：2、影响因素影响再结晶温度的因素很多，如变形程度、金属纯度、晶粒大小等

变形程度越大,金属中储存能越多,再结晶的驱动力越大,金属的再结晶温度越低.金属纯度大,再结晶温度低晶粒越小,再结晶温度低三、再结晶晶粒大小的控制

由于晶粒大小对材料性能将产生重要影响，因此，调整再结晶退火参数，控制再结晶的晶粒尺寸，在生产中具有一定的实际意义若考虑再结晶晶粒为球状，则其平均直径d与形核率和长大速率的关系为：（一）变形程度当变形量较小时，再结晶后晶粒比较细小；当变形程度达到一定值（2~10%）时，再结晶后晶粒尺寸急剧增大，此时的变形量称为临界变形度；再增加变形量，再结晶后晶粒又变得比较细小生产中应尽量避免在临界变形度内进行塑性变形加工。※再结晶晶粒大小的控制因素（二）原始晶粒尺寸原始晶粒越细，再结晶后晶粒也越细小。（三）合金元素及杂质大多可细化晶粒。（四）再结晶退火工艺参数变形量与退火保温时间一定时，退火温度越高，再结晶后晶粒越粗大§7.4晶粒长大一、晶粒的正常长大1正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。2驱动力：界面能差。界面能越大，曲率半径越小，驱动力越大。

(晶粒长大方向是指向曲率中心,即晶界向着曲率中心的方向移动。而再结晶核心的长大方向相反。)二、晶粒的反常长大(二次再结晶）1反常长大:在一定条件下，某些金属会出现当温度升高到某一数值时，晶粒会突然反常地长大，温度再升高，晶粒又趋于减小，这种现象称为晶粒的反常长大或二次再结晶。二次再结晶不需重新形核。2原因:

在再结晶后晶粒长大过程中，只有少数晶粒能优先长大，而多数晶粒不易长大。出现这种现象的原因

①冷变形造成形变织构，再结晶退火至一定温度时又形成了再结晶织构，当形成织构后，各个晶粒的取向趋于一致，晶粒的位向差很小，晶界不易移动

②当加入少量杂质形成第二相能强烈钉扎住晶界，阻碍晶界的移动，晶粒也不会长大。当加热到高温，某些局部地区的夹杂会发生溶解，该处的晶粒优先长大，并吞并了周围的晶粒，形成了晶粒的反常长大。Fe-3%Si二次再结晶组织二次再结晶对组织和性能的影响1、对力学性能降低强度和塑韧性2、对组织的影响

产生再结晶织构，出现各向异性。而这对硅钢片来说却是有利的，可以利用再结晶织构优化磁导率。

钢材及许多其它金属在生产过程中大多是经热变形加工的，塑性变形所产生的加工硬化会被立即被产生的再结晶所抵消。这种在再结晶温度以上进行的加工称为热加工.§7.5金属的热加工

适当的热加工可以破碎铸锭中的树枝晶，减轻枝晶偏析，焊合疏松与气孔，改善夹杂物或脆性相的形貌、大小与分布，提高金属质量与性能。

冷、热加工的根本区别是看加工温度在再结晶温度以上或以下。故W在1000℃加工属于冷加工，而Pb在室温下加工也是热加工。一、金属的热加工与冷加工二、动态回复与动态再结晶1、动态回复动态回复主要发生在层错能高的金属材料的热变形过程中，动态回复是其主要或唯一的软化机制。2、动态再结晶随变形量增加位错密度不断增高，使动态再结晶加快，软化作用逐渐增强，当软化作用开始大于加工硬化作用时．曲线开始下降。当变形造成的硬化与再结晶造成的软化达到动态平衡时，曲线进入稳定阶段。三、热加工对金属室温力学性能的影响

热加工后随即冷却，可将当时的组织结构状态保留下来，避免因高温停留或缓冷所引起的静态回复、再结晶以及续动态再结晶软化。热加工可细化亚晶，从而提高材料强度。（一）改善铸锭组织金属高温塑性好，变形抗力低．可进行大量的塑变，使铸锭中的组织缺陷明显改善。如使气泡焊合提高了材料的致密度和机械性能，改善了组织。四、热加工后的组织与性能（二）纤维组织

热加工时钢中偏析、夹杂物、第二相与晶界等随着应变量的增大，逐渐沿变形方向延伸，所形成的热加工纤维组织称为流线。纤维组织的形成将使钢的力学性能呈现一定的异向性。沿着流线的