1、第八章 回复与再结晶,冷变形后材料经重新加热进行退火之后，其组织和性能会发生变化。观察在不同加热温度下变化的特点，可将冷变形金属加热退火过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段；再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程；晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。了解这些过程的发生和发展规律，对于改善和控制金属材料的组织和性能具有重要的意义。,第一节 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化,一、 回复与再结晶的概念 回复：冷变形金属在低温加热时，其光学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
2、晶：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。 二 、显微组织变化（示意图） 回复阶段：显微组织仍为变形晶粒(纤维状)，形态无可见变化； 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。,三、性能变化1.力学性能（示意图）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，粗化严重时下降。2.物理性能密度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回
3、复阶段可明显下降(因点缺陷减少)。3.内应力,第二节 回复,一、回复动力学（P195） 1.加工硬化残留率与退火温度和时间的关系回复是一种驰豫过程，金属在恒温下回复时，开始阶段性能恢复速度快，这种特征通常可用一级反应方程来表达： dx/dt=-cx式中:t为恒温下的加热时间；x为冷变形导致的性能增量经加热后的残留分数；c为与材料和温度有关的比例常数。c值与温度的关系具有典型的热激活过程的特点，可由著名的阿累尼乌斯（Arrhenius）方程来描述： c=c0exp(-Q/RT) 回复方程：ln(x0/x)=c0texp(-Q/RT)式中：x0 原始加工硬化残留率；x退火时加工硬化残留率；c0比例
4、常数；t加热时间；T加热温度。 2.动力学曲线特点a.没有孕育期；b.开始回复速率快，随后变慢；c.长时间回复后，性能趋于一平衡值。温度,极限值,达到时间d.预变形量 ，起始的 回复速率 ；晶粒尺寸 ，回复过程加快。,问题：激活能Q的确定方法？,二、 回复机制 1.低温回复（T=0.10.3Tm） 点缺陷运动：空位迁移至晶界、位错处而消失；空位与间隙原子结合而消失； 空位聚集（空位群），然后崩塌成位错环而消失。 2.中温回复 （T=0.30.35Tm） 位错滑移：异号位错相遇而抵销、缠结位错重新排列，位错密度降低。 3.高温回复（T0.35Tm） 位错攀移（滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（
5、亚晶粒）弹性畸变能降低。 多边化的条件：塑性变形使晶体点阵弯曲、滑移面上有塞积的同号刃型位错、较高的加热温度使刃型位错产生攀移运动。,三、 回复退火的应用 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，提高耐蚀性。,第三节 再结晶,一、再结晶驱动力冷变形金属经回复后未被释放的储存能。 二、再结晶过程 再结晶是一种形核和长大过程，即通过在变形组织的基体上产生新的无畸变再结晶晶核，并通过逐渐长大形成等轴晶粒，从而取代全部变形组织的过程。 1.形核 a.晶界弓出形核机制：对变形程度较小（20） 的金属，再结晶核心多以晶界弓出方式形成，即应变诱导晶界移动，晶核伸向小位错胞晶粒内(畸变能
6、较高区域、亚晶粒小的方向)。 b.亚晶形核机制：一般在大变形度下发生。 以亚晶为再结晶核心，形核机制可分为以下两种： 亚晶合并机制：亚晶间亚晶界消失，亚晶粗化。 亚晶界迁移机制：亚晶界移动吞并相邻形变基体。 2.长大 驱动力：畸变能差。 方式：晶核借界面的移动向周围畸变晶粒扩展,至新晶粒相互接触。,三种再结晶形核方式的示意图,注：再结晶不是相变过程！,三、再结晶动力学再结晶是一种热激活过程，再结晶速度v与温度T的关系：式中：QR为再结晶激活能，R为气体常数，T为绝对温度，A为比例系数。 因再结晶速度v与产生一定量再结晶体积分数所需的时间t成反 比，则：而边取对数，得：因此，lnt与1/T之间呈
7、线性关系。 特点及规律： 图5.53 有孕育期; 温度越高,变形量越大，孕育期 越短; 在体积分数为50%时速率达最大， 然后减慢。,四、再结晶温度及其影响因素 1.再结晶温度：经严重冷变形（变形量70%）的金属或合金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数95%）最低温度。 (一般，它与金属产生再结晶的实际温度是不一样的！)理论上再结晶温度为冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。可以用金相法或硬度法测定（实际上再结晶温度不是个物理常数）。 2.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)Tm注：再结晶退火温度一般比上
8、述温度高100200。 3.影响因素：变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低（图5.54）； 纯度越高，再结晶温度越低，可能是溶质易于在位错和晶界处偏聚、对位错运动和晶界迁移起阻碍作用而阻碍再结晶（表5.9）；加热速度太低（回复充分、储能减小、再结晶驱动力减小）或太高（各温度下停留时间过短、扩散受抑制而难以再结晶形核与长大），再结晶温度提高。,五、影响再结晶的因素 1.退火温度：加热温度越高，再结晶速度越快。 2.变形量:冷变形量越大，储存能量越高，再结晶驱动力越大，故再结晶温度越低，再结晶速度越快；但随变形量增大到一定程度，再结晶温度则趋于稳定，而变形量低于一定值，再结晶不能进行。 3.原始
9、晶粒尺寸:晶粒越细小，变形抗力越高，再结晶驱动力越大；晶粒越细小，晶界越多，有利于形核，这都会降低再结晶温度，从而加快再结晶。 4.微量溶质元素：阻碍位错和晶界的运动，提高再结晶温度，不利于再结晶。 5.分散相粒子:取决于第二相粒子的大小和分布。间距和直径都较大（一般1m）时，使位错在粒子附近塞积，提高畸变能和变形抗力，并可作为形核核心，促进再结晶,如：钢中的MnO夹杂物可作为再结晶形核核心；直径和间距很小时，虽也提高畸变能和变形抗力，但阻碍晶界迁移，从而阻碍再结晶（形核和长大），如：钢中加入Nb、V形成尺寸很小（100nm）的化合物NbC、VC等，会抑制再结晶形核。,六、再结晶后晶粒大小及其
10、控制,1.变形量：存在临界变形量(一般约为2%-10%);在临界变形量以下，不发生再结晶，晶粒尺寸不变；在临界变形量处，再结晶后晶粒特别粗大（峰值），生产中应避免临界变形量；在临界变形量以上，随变形量增大，再结晶后晶粒逐渐细化。(d（G/N）1/2) 2.退火温度：退火温度提高，晶粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大。 3.原始晶粒尺寸：原始晶粒越细小，再结晶驱动力越大，再结晶温度越低，且形核位置越多，使再结晶后晶粒细化。,七、再结晶的应用-再结晶退火 恢复变形能力、改善显微组织、消除各向异性、提高组织稳定性。,晶粒大小变形量关系图,第四节 晶粒长大,驱 动 力：界面能差（不是重新形
11、核）。 长大方式：正常长大；异常长大（二次再结晶）.,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。晶粒曲率半径越小，界面能越高，驱动力越大。(长大方向是指向曲折晶界的曲率中心。) 3.晶粒的稳定形状: 晶界趋于平直; 晶界夹角趋于120; 二维坐标中晶粒边数 趋于6。,4.影响晶粒长大的因素 (1)温度:温度越高，晶界易迁移，晶粒长大速度加快，晶粒易粗化(图5.58)。 (2)分散相粒子:第二相粒子阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。一般，晶粒稳定尺寸d和第二相质点半径r、体积分数f的关系：d=4r/3f (3)微量杂质的存在:“气团”钉扎晶界,不利于晶
12、界移动（图5.61）。 (4)晶粒位向差:小角度晶界的界面能和扩散系数小于大角度晶界，因而前者的移动速率低于后者。,二、晶粒的异常长大 1.异常长大:少数再结晶晶粒的急剧长大现象(不连续长大或二次再结晶）。 2.基本条件:正常晶粒长大过程被(第二分散相微粒、织构等）强烈阻碍。 3.驱动力：界面能变化（不重新形核）。 4.机制：钉扎晶界的第二相溶于基体；再结晶织构中位向一致的晶粒的合并；大晶粒吞并小晶粒。 5.对组织和性能的影响 织构明显：各向异性，优化磁导率; 晶粒大小不均:性能不均; 晶粒粗大：降低强度和塑性、韧性，提高表面粗糙度。,一、退火孪晶 退火孪晶：再结晶退火后出现的孪晶。（参见P2
13、09图5.64） （通常，某些面心立方金属和合金如铜及铜合金、镍及镍合金和奥氏体不锈钢等，经冷变形和再结晶退火后，晶粒中会出现退火孪晶。） 典型形态：晶界交角处的退火孪晶；贯穿晶粒的完整退火孪晶；一端终止于晶内的不完整退火李晶。 形成机制：再结晶过程中，当晶粒通过晶界移动而生长时因晶界迁移出现层错而形成。 二、再结晶织构 再结晶织构：具有变形织构的金属，经再结晶后形成的新晶粒若仍具有择优取向，称为再结晶织构（再结晶退火后形成的织构）。 织构类型：与原有的织构相一致；原有织构消失而代之以新的织构；原有织构消失不再形成新的织构。 形成机制：择优形核（晶界弓出、亚晶界迁移再结晶形核而沿袭形变织构）；
14、择优生长（特殊位向的再结晶晶核快速长大形成新织构）。,再结晶退火后的组织,第五节 金属的热变形,一、金属的热加工 1.加工的分类 冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。 （加工硬化） 热加工：在再结晶温度以上的加工过程。（加工硬化、回复、再结晶） 2.热加工温度范围：T再T热加工T固100200。 二 、动态回复与动态再结晶（P211）温度、外力 1.动态回复：在塑性变形过程中发生的回复。（静态回复) 2.动态再结晶：在塑变过程中发生的再结晶。（静态再结晶)条件：在一定温度和应变率（加载速度）下变形。特点：反复形核，有限长大，晶粒较细；包含亚晶粒，位错密度较高,强度、硬度较高。应用：采用低的变形
15、终止温度、大的最终变形量、快的冷却速度可获得细小的晶粒、优良的综合性能。,温度,第五节 金属的热变形,三、金属热加工时的应力-应变曲线 特点： （1）曲线起始部分的加工硬化率随变形温度的提高和应变率的降低而减小； （2）大于一定应变后，加工 硬化效应消失，出现不随应变 而增高的稳定状态的流变应力； （3）在某些情况下(低应变率)，稳定态会被应力随应变而周期性变化的波动曲线所代替。 解释：动态回复+动态再结晶 （P211图5.67、P212图5.59）,金属热加工时的应力-应变曲线,第五节 金属的热变形,四、热加工后的组织与性能 a.改善铸锭组织,焊合气孔、破碎碳化物、细化晶粒（铸态树枝晶-均匀
16、细小等轴晶）、降低偏析;提高强度、塑性、韧性。 b.形成纤维组织（加工流线）P214图5.72组织特征：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。性能：各向异性，沿流线方向塑性和韧性明显提高。 c.形成带状组织 P214图5.73形成：热加工时两相合金沿变形方向交替地呈带状分布，或带状偏析被拉长而冷却时因偏析区成分不同转变成不同组织。影响：各向异性,类似于流线组织。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处理。 五、热加工的优点 a.可持续大变形量加工; b.动力消耗小; c.提高材料质量和性能（例：吊钩的锻造加工）。,第五节 金属的热变形,六、超塑性 1.超塑性：某些材料在特定变形条件下呈现的特别大的延伸率（延伸率大于100%）。 2.条件：晶粒细小（10m）、温度范围（0.5-0.65Tm）、应变速率低（一般0.010.0001/s）。 3.本质：晶界的滑动和晶粒的转动(多数观点认为)。P218图5.78 4 应用：复杂零件的精密成形；难于热变形材料的加工。如：Al基、Ti基、Cu基、Mg基、Ni基及钢。缺点：加热成形、成形速度慢、模具易氧化、工艺复杂（有时要求多次形变、多次热处理）等。 七、蠕变（略）,
