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第7章 回复与再结晶

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金属学与热处理七章

金属学与热处理七章

第7章金属及其合金的回复与再结晶塑性变形后的金属与合金加热时，其组织结构发生转变的过程，主要包括回复，再结晶和晶粒长大存储能的降低是这一转变过程的驱动力回复阶段；在这段时间从显微组织上看不出任何变化，晶粒仍保持纤维状再结晶阶段；在变形的晶粒部开场出现小晶粒，随着时间的延长，新晶粒不断出现并长大，这个过程一直进展到塑性变形后的纤维状晶粒完全改组为新的等轴晶粒为止晶粒长大阶段；新的晶粒相互吞并而长大，直到晶粒长大到一个较稳定的尺寸在回复阶段，大局部甚至全部的第一类应力得以消除，第二类或第三类应力只能消除一局部，经再结晶后，因塑性变形而造成的应力可以全部消除力学性能的变化在回复阶段，硬度值稍有下降，但数值变化很小，而塑性有所提高。

强度一般是和硬度呈正比例的一个性能指标。

在再结晶阶段，硬度和强度均显著下降，塑性大大提高，金属与合金因塑性变形而引起的强度和硬度的增加与位错密度的增加有关，在回复阶段，位错密度的减小有限，只有在再结晶阶段，位错密度才会显著下降工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保存加工硬化，这种热处理方法称去应力退火再结晶开场前发生的过程叫回复，回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在再结晶晶粒形成前所产生的某些亚结构和性能的变化过程回复的程度是温度和时间的函数，温度越高，回复的程度越大，当温度一定时，回复的程度随着时间的延长而逐渐增加回复过程是原子的迁移扩散过程，原子迁移的结果，导致金属部的缺陷数量的减少，存储能下降杂质原子和合金元素能够显著推迟金属的再结晶过程回复过程具有热激活的特点，温度越高，过程进展的越快。

微观上看，回复阶段主要是空位的迁移和位错的重排，它们都是典型的热激活过程回复机制温度不同，回复过程中金属部结构变化也不同。

中、低温时主要是点缺陷的迁移和消失，点缺陷密度下降，导致电阻率下降。

位错密度变化不大。

力学性能对空位的变化不敏感，所以不出现变化高温时通过位错的攀移和反响〔异号位错相消〕，同号位错沿垂直于滑移面的方向排列成稳定的位错墙，将晶粒分割成一个个亚晶，这一过程称为多边化，这些位错墙就成为小角度的亚晶界多变化是冷变形金属加热时，原来处在滑移面上的位错，通过滑移和攀移，形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。

第七章回复再结晶

第七章回复再结晶


注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。
3.影响再结晶温度的因素
(1)金属冷加工变形度 变形度δ越大，驱动力越大，发生再结晶的温度越低，当变形度达 到一程度后， 趋于一个最低温度，称为最低再结晶温度，T再min。 经验表明：T再min≈0.4T熔点， (2)金属的纯度 金属中的杂质或合金元素，尤其是高熔点成分的存在，会阻碍原子 的扩散（位错的扩散），因此再结晶温度会提高。纯度越高，再结晶温 度越低。 如：纯铁T再min =450℃；碳钢T再min =500-650℃；合金钢T再min >650700℃ (3)加热速度和保温时间 a、提高加热速度，再结晶温度升高；加热速度太低，再结晶温度也会 升高。 b、延长保温时间，再结晶温度降低 综合上述因素，再结晶退火温度一般为： T再min +100-200℃
5.分散相粒子
当合金中溶质浓度超过其固溶度后，就会形成第二相，多数情 况下，这些第二相为硬脆的化合物，在冷变形过程中，一般不 考虑其变形，所以合金的再结晶也主要发生在基体上。 当第二相颗粒较粗时，变形时位错会绕过颗粒，并在颗粒周围 留下位错环，或塞积在颗粒附近，从而造成颗粒周围畸变严重， 促进再结晶，降低再结晶温度； 当第二相颗粒细小，分布均匀时，不会使位错发生明显聚集， 因此对再结晶形核作用不大，相反，其对再结晶晶核的长大过 程中的位错运动和晶界迁移起一种阻碍作用，因此使得再结晶 过程更加困难，提高再结晶温度。 间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心，促进 再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁移， 阻碍再结晶。
图 变形程度与再结晶温度的关系
3.微量溶质原子
阻碍位错和晶界的运动， 不利于再结晶。
图 合金元素对铁再结晶温度影响
金属学与热处理第七章 金属及合金的回复与再结晶

金属学与热处理第七章 金属及合金的回复与再结晶

度后的硬度HV、电阻变化率ΔR/R、密度变化率Δρ/ρ和功率差ΔP
五、亚晶粒尺寸
在回复阶段的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在 后期，尤其在接近再结晶温度时，亚晶粒尺寸显著增 大。
第二节 回 复
一、退火温度和时间对回复过程的影响
回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学 显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所 产生的某些亚结构和性能的变化过程。通常指冷塑 性变形金属在退火处理时，其组织和性能变化的早 期阶段。
回复机制
冷变形后，晶体中同号的刃型位错处在同一滑移 面时它们的应变能是相加的，可能导致晶格弯曲（见 图7-5a）；而多边化后，上下相邻的两个同号刃型位 错之间的区域内，上面位错的拉应变场正好与下面位 错的压应变场相叠加，互相部分地抵消，从而降低了 系统的应变能（见图7-5b）。
图7-5 多边化前、后刃型位错的排列情况 a）多边化前 b）多边化后
回复机制
图7-6 刃型位错的攀移和 滑移示意图 图7-7 刃型位错攀移示意图
三、亚结构的变化
金属材料经多滑移变形后形成胞状亚结构，胞内位 错密度较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密度很高。 在回复退火阶段，当用光学显微镜观察其显微组织时， 看不到有明显的变化。但当用电子显微镜观察时，则可 看到胞状亚结构发生了显著地变化。图7-8为纯铝多晶 体进行回复退火时亚结构变化的电镜照片。
第七章 金属及合金的回复与再结晶
第一节 形变金属与合金在退火过程 中的变化
第二节 回 复 第三节 再 结 晶 第四节 晶粒长大 第五节 金属的热加工
第一节 程
形变金属与合金在退火过
中的变化
一、显微组织的变化
将塑性变形后的金属材料加热到0.5Tm温度附近，
进行保温，随着时间的延长，金属的组织将发生一系 列的变化，这种变化可以分为三个阶段，如图7-1所示。
7.金属及合金的回复与再结晶

7.金属及合金的回复与再结晶


图 冷变形金属退火时某些性能的变化
第七 章金属及合金的回复与再结晶
硬度的变化 回复阶段的硬度变化很小，而再结晶阶段则 下降较多。
电阻率的变化 变形金属的电阻率在回复阶段巳表现明显 的下降趋势。
密度的变化 变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧增高 的原因主要是再结晶阶段中位错密度显著降低所致。
内应力的变化 金属经塑性变形所产生的第一类内应力在 回复阶段基本得到消除，而第二、三类内应力只有通过再 结晶方可全部消除。
R m r m 0
1 R r 0 m 0
m : 冷变形后的屈服强度
：冷变形后经不同规程回火后的屈服强度
r
：纯铁充分退火后的屈服强度
0
R：屈服应力回复率
1 R：剩余加工硬化分数
第七 章金属及合金的回复与再结晶
图 同一变形度的Fe在不同 温度等温退火后的性能变化曲线
①回复过程在加热后立刻 开始，没有孕育期；
t0
回复 t1
再结晶
t2 晶粒长大 t3
冷变形金属组织随加热温度及时间的变化示意图
第七 章金属及合金的回复与再结晶
t2～t3为第Ⅲ阶段，称为晶粒长大:晶粒通过晶界 移动，发生长大，直至达到一种相对稳定的尺寸。 回复和再结晶的驱动力
储存能是变形金属加热时发生回复和再结晶的驱 动力。 储存能: 冷塑变形时，外力所做的功尚有一部分 储存在变形金属的内部，这部分能量叫储存能。
第七 章金属及合金的回复与再结晶
（2）中温回复 变形金属在中等温度下加热时所发生的 回复过程称为中温回复。此时因温度升高，原子活动能力 也增强，除点缺陷运动外，位错也被激活，在内应力作用 下位错可以在滑移面上滑移或交滑移，使异号位错相遇相 消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使变形 亚晶规整化。
材料科学基础——回复再结晶

材料科学基础——回复再结晶


塑性变形对金属组织与性能的影响
4. 力学性能
强度、硬度↑ 塑性、韧性↓
加工硬化
利：提高材料强度 弊：增加变形抗力，不利于进一步加工
塑性变形对金属组织与性能的影响
5. 残余应力(remnant stress)
金属形变时，外力做功 的大部分以热的形式散 掉，只有一小部分 （10%-15%）以残余内 应力的方式储存在形变 金属中（储存能），它 随形变量加大而加大， 但占形变总功的分数却 随形变量加大而减小。
Tm（Tm为金属熔点），经过一定时间后， 就会有晶体缺陷密度大为降低的现象，新等 轴晶粒在冷变形的基体内形核长大，直到冷 变形晶粒完全耗尽为止。
0.6 mm
0.6 mm
33% cold worked brass
New crystals nucleate after 3 sec. at 580C.
a. 单个位错滑移、攀移，形成亚晶界。 b. 亚晶合并成Y结点。 c. Y结点移动，亚晶长大，完成多边形化。
多边形化
内容回顾
回复的不同阶段
形变形成位错缠结和胞状结构（如图a，b）→胞内位 错重排列和对消(如图c)→胞壁的峰锐化形成亚晶(如图 d)→亚晶长大(如图e)
低温回复（ 0.1Tm ＜ T＜0.3Tm）
晶界是有利的再结晶形核 位置，原始晶粒小，再结 晶形核位置多，有利于再 结晶；但原始晶粒小，变 形较均匀，减少形核位置， 不利于再结晶。 总体是前者影响大于后者。 原始晶粒尺寸还可能影响 形变织构，从而影响再结 晶动力学。
亚晶合并机制 亚晶蚕食机制 晶界弓出机制
再结晶核心的长大
再结晶晶核一经形成，就开始自发地长大。 晶核在畸变能的作用下，背离其曲率中心， 向畸变能较高的变形晶粒推移，直到全部形 成无畸变（或畸变很少）的等轴晶粒为止。
金属学与热处理第七章回复与再结晶

金属学与热处理第七章回复与再结晶

位错的攀移是通过空位扩散到位错线处来实现的， 而空位的扩散又是一种热激活过程，因此多边化的速 度随温度升高而迅速增加。
回复退火（又称去应力退火）的应用：
回复退火主要是用作去应力退火，使冷加工的 金属件在基本保持加工硬化状态的条件下，降低 其内应力，以避免变形或开裂，并改善工件的耐 蚀性。如:经冷冲压的黄铜工件、冷拉钢丝卷制弹 簧。
恢复再结晶的驱动力：塑性变形后的储存能
7－1 冷变形金属在加热时的组织 和性能变化
随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再 结晶、晶粒长大。 回复（recovery）—在较低加热温度时，变形后金属 的光学显微组织发生改变前，所产生的某些亚结 构和性能的变化过程。 再结晶（recrystallization）—经回复后的变形金属， 在加热时，纤维状晶粒通过再结晶核心的形成及 长大，变成无畸变的等轴新晶粒的过程。 晶粒长大（grain growth）— 再结晶后的金属继续加 热时，将使晶粒进一步长大的过程。
(二) 再结晶温度
再结晶温度(recrystallization temperature)： 定义：经严重冷变形（大于 70% ）的金属，在约一小时 的保温时间内能够完成再结晶（大于 95% ）的温度。 用TR(或T再)表示。 一般 TR = δTm ；Tm为熔点 工业纯金属δ＝（0.35～0.40）； 高纯金属 δ＝（0.25～0.35） 下表给出了一些金属的TR 应该注意的是：实际生产时再结晶退火温度要比再结 晶温度高出100－200℃
(2) 亚晶形核
对于变形度较大的金属,再结晶形核往 往采用这种方式。亚晶核核方式有： 1. 亚晶合并机制：在变形度大且具有高层错 能的金属中。 2. 亚晶迁移（boundary migration）机制 （也叫吞并机制）：在变形度大,而层错能 低的金属中。
第7章 回复、再结晶-1

第7章 回复、再结晶-1


界面移动方向



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二、再结晶动力学
1、再结晶动力学曲线 看出： ¾ 有孕育期；与温度有关。 ¾ 再结晶速度先小，再快，再结晶体积分数约为50%时 速度最快，然后逐渐减慢。
纯铜（经98%冷轧）在不同温度下的再结晶动力学曲线
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2、影响再结晶形核率与长大速率的因素 （1）变形程度 变形程度越大，储存能越高，形核率和长大速率大， 且N/G的比值增大。变形量对铝恒温再结晶影响如下图。 （2）杂质与微量溶质原子 当杂质与微量溶质原子以第二相存在时，阻碍位错运 动，储存能增高，形核率增大；晶界处富集的溶质原子 和杂质原子，阻碍晶界迁移，使长大速度降低。

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2、中温回复（0.3<TH<0.5）

原子活动能力增大。 点缺陷继续运动消失。 位错通过滑移、交滑移运动使异号位错对消、位错重 新排列以及亚晶长大，进而使位错数量有所减少。 亚晶长大（亚晶规范化）： 高层错能金属形变时产生胞状组织，在回复时，胞内 位错滑移到胞壁发生异号位错对消，使胞内无位错； 胞壁位错滑移、交滑移重新组合，从而排列整齐，胞 壁厚度减小。亚晶界清晰、明确，亚晶尺寸相对增大。 低层错能金属通过位错滑移排列成位错网络。
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思考题：
1. 金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变 化？ 2. 用冷拔紫铜管通过冷弯的方法制造机器上的输 油管，为了避免开裂，弯前应进行什么热处 理？
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14
¾

亚晶合并：通过两相邻亚晶的转动，使取向趋于一 致，亚晶界消失。形成大角度亚晶界的一种方式。 这种区域性的、大量的位错调整和消失，只有在高温 下进行。
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二、回复动力学
回复动力学是研究某种性能回复的速度。
第7章 回复、再结晶-2

第7章 回复、再结晶-2

第四节
再结晶后晶粒的长大
再结晶完成后,得到细小等轴的晶粒，从 热力学角度看，晶粒长大，总的晶界面积减 少，能量降低是一个自发过程。 长大： ¾ 正常长大（连续均匀长大）：参与长大的晶粒 数量多，且分布均匀；所有晶界具有大致相同 的可动性；各晶粒尺寸差异不大，且平均尺寸 连续增大。 ¾ 异常长大（二次再结晶）：少数晶粒优先长 大，吞食周围晶粒而长成粗大晶粒。
式中：m 为比例常数，称为晶界的平均迁移率（即单位驱 动力作用下的晶界平均迁移速度）；r 为晶界的平均曲率 半径，正常长大时r≈D。 m和σ对各种金属在一定温度均可视为常数，则：


近似有： 上式表明：在恒温下，晶粒发生正常长大时，平均直径与 保温时间的平方根成线性关系。 上述关系适用：高纯度金属在高温加热保温时。在一般情 况下，时间的指数小于1/2。
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一、正常长大 长大方式： 依靠界面移动“大吃小、凹吃 凸”，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。
2
1、晶粒长大时的晶界迁移方向和驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的迁移。 晶界迁移的驱动力：界面能的减少，与曲率有关。（界面
向曲率中心方向移动将引起晶界面积减小，降低界面能。但这 种驱动力与储存能相比是较小的，所以晶粒长大时晶界迁移速 度比再结晶时慢。）
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3、动态回复组织特点 在伸长的晶粒内部存在许多动态回复亚晶。 动态回复亚晶粒：胞壁位错密度小，胞内位错密度也 小。 当达到稳衡态时，动态回复亚晶有如下特征： 等轴状；胞状亚晶之间的取向差保持不变；胞壁之 间距离（亚晶尺寸）保持不变；胞壁之间的位错密度 保持不变。 注意：热加工过程中的动态回复不能看成是冷加工与 静态回复的叠加。应变与回复同时出现就避免了冷加 工效果的累积，所以，形变金属不能发展成高位错密 度，而且亚晶较细。 动态回复亚晶平均尺寸d与形变温度T和变形速率ε的 关系： d∝T/ε
回复与再结晶

回复与再结晶


晶粒的正常长大(normal grain growth)
正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长 大。 驱动力：界面能越大，曲率半径越小，驱 动力越大。(长大方向是指向曲率中心， 而再结晶晶核的长大方向相反。) 长大方式：大晶粒吞食小晶粒，大角度晶 界向曲率中心移动。
晶粒的正常长大
晶粒的稳定形状 晶界趋于平直； 二维晶粒：二维坐标中晶粒边数趋于6， 晶界夹角趋于120°； 三维晶粒：十四面体。
7.5 金属的热塑性变形
7.4.1 热、冷塑性变形的区别 (1) 热、冷塑性变形的区别 冷加工：在再结晶温度以下的变形加工。 加工硬化。 热加工：在再结晶温度以上的变形加工。 加工硬化、软化。 热加工温度：T再<T热加工<T固-100~200℃。
金属的冷加工
性能变化是单向的： 变形前 变形后
第7章 回复与再结晶
本章主要内容
冷塑性变形金属在加热时的转变 回复阶段 再结晶
金属的热塑性变形
回复与再结晶
7.1 冷塑性变形金属在加热时的转变
机械功(塑性变形) 热量(散失) 晶体内部缺陷储存能量→金属处于不稳 定的高能状态→有向低能转变的趋势
根据冷变形金属加热时组织和性能的变 化，可分为回复、再结晶和晶粒长大三 个阶段。
导致位错密度降低
7.2.2 回复机制
(3) 高温回复(>0.5Tm) 攀移：位错垂直于滑移面的移动。 机制：原子面下端原子的扩散，位错随半 原子面的上下移动而上下运动。 分类：正攀移(原子面上移、空位加入)、 负攀移(原子面下移、原子加入)。 攀移的作用：原滑移面上运动受阻—攀 移—新滑移面—滑移继续。
7.1.1 显微组织的变化
第七章 回复与再结晶用

第七章 回复与再结晶用

二 显微组织变化（示意图）
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
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第一节 冷变形金属在加热时的变化
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：电阻在回复阶段可 明显下降。
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第四节 晶粒长大
三 再结晶退火的组织
1 再结晶图。退火温度、变形量与晶粒大小的关系图。 2 再结晶织构:再结晶退火后形成的织构。退火可将形变织 构消除，也可形成新织构。 择优形核（沿袭形变织构） 择优生长（特殊位向的再结晶晶核快速长大） 3 退火孪晶:再结晶退火后出现的孪晶。是由于再结晶过程 中因晶界迁移出现层错形成的。
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第五节 金属的热变形
一 动态回复与动态再结晶
1 动态回复：在塑变过程中发生的回复。（静态…) 高层错能金属（铝及铝合金、纯铁、铁素体钢等）热 加工时，螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移均较易进行， 位错很容易从结点和位错网中解脱出来而与异号位错相互 抵消，因此，亚晶中的位错密度低，剩余的储存能不足以 引起动态再结晶，动态回复是这类金属热加工中起主导作 用的软化机制。
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第三节 再结晶
四 影响再结晶的因素
1 退火温度。温度越高，再结晶速 度越大。加热速度太低或太高，再 结晶温度提高。
2 变形量。变形量越大，再结晶温 度越低；随变形量增 大，再结晶 温度趋于稳定；在给定温度下发生 再结晶需要以一临界变形量，变形 量低于该值，再结晶不能进行。 3 原始晶粒尺寸。晶粒越小，变形 抗力越大，冷变形储存能越高，再 结晶驱动力越大；同时，晶界越多， 有利于形核。
金属学与热处理课后习题答案

金属学与热处理课后习题答案

金属学与热处理课后习题答案Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#第七章金属及合金的回复和再结晶7-1 用冷拔铜丝线制作导线，冷拔之后应如何如理，为什么答：应采取回复退火（去应力退火）处理：即将冷变形金属加热到再结晶温度以下某一温度，并保温足够时间，然后缓慢冷却到室温的热处理工艺。

原因：铜丝冷拔属于再结晶温度以下的冷变形加工，冷塑性变形会使铜丝产生加工硬化和残留内应力，该残留内应力的存在容易导致铜丝在使用过程中断裂。

因此，应当采用去应力退火使冷拔铜丝在基本上保持加工硬化的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力），改善其塑性和韧性，提高其在使用过程的安全性。

7-2 一块厚纯金属板经冷弯并再结晶退火后，试画出截面上的显微组织示意图。

答：解答此题就是画出金属冷变形后晶粒回复、再结晶和晶粒长大过程示意图（可参考教材P195，图7-1）7-3 已知W、Fe、Cu的熔点分别为3399℃、1538℃和1083℃，试估算其再结晶温度。

答：再结晶温度：通常把经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成超过95%再结晶转变量的温度作为再结晶温度。

≈δTm，对于工业纯1、金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在一经验关系式：T再金属来说：δ值为，取计算。

2、应当指出，为了消除冷塑性变形加工硬化现象，再结晶退火温度通常要比其最低再结晶温度高出100-200℃。

=，可得：如上所述取T再W=3399×=℃再=1538×=℃Fe再Cu=1083×=℃再7-4 说明以下概念的本质区别：1、一次再结晶和二次在结晶。

2、再结晶时晶核长大和再结晶后的晶粒长大。

答：1、一次再结晶和二次在结晶。

定义一次再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度，保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新的等轴晶粒，位错密度显着下降，性能发生显着变化恢复到冷变形前的水平，称为（一次）再结晶。

第七章回复与再结晶

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：电阻在回复阶段可明显下降。
回复、再结晶及晶粒长大阶段中性能的变 化情况
7.2 回复
回复过程3阶段（储存能在回复阶段三个峰值所对应的） 约化温度：表征加热温度的高低，用绝对温标表示的加热温度与其熔点温度之比， TH =T/Tm。
错相遇相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化。
（3）高温回复（ TH >0.5Tm） 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。冷变形后由
于同号刃型位错在滑移面上塞积而导致点阵弯曲，在退火过程中通过刃型位错的攀移和滑移，使同号 刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角的亚晶界，这个过程称为多边化。其驱动力来自应变能的 下降。
位错及晶界处，对位错的运动及晶界的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶的形核与长大，阻碍再结 晶，使再结晶温度升高。 4.原始晶粒尺寸
其他条件相同情况下，晶粒越细，变形抗力越大，冷变形后存储能越多，再结晶温度越低。相同变 形度，晶粒越细，晶界总面积越大，可供形核场所较多，生核率也增大，再结晶速度加快。
5.分散相粒子 分散相粒子直径较大，离子间距较大的情况下，再结晶被促进；而小的粒子尺寸和小的粒子间距，
储存能的释放与性能变化
1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％）变形功。
弹性应变能（3～12％） 2 存在形式 位错（80～90％）
点缺陷
3 储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。
（1）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,粗

第7章 《材料科学》回复与再结晶.

（7.1）
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：
c c0eQ RT
（ 7.2）
式中Q为激活能，R为气体常数(8.31×10-3J/mol·K)，c0为比例常数，T为绝对温度。 将式7.2代入方程7.1中并积分，以x0表示开始时性能增量的残留分数，则得： （ 7.3）
特点： ①无孕育期； ②开始变化快，随后变慢； ③长时间处理后，性能趋于一平衡值； ④加热温度越高，回复程度也越高； ⑤变形量越大，初始晶粒尺寸越小， 有助于加快回复速率。
图 同一变形度的Fe在不同温度等温退火后的性能变化曲线
§7.2 回复
§7.2.2 回复动力学
回复特征通常可用一级反应方程来表达，即：
再结晶：经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒 的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。
（再结晶是一个显微组织彻底改组、变形储能充分释放、性能显著变化的过程。）
形核的两种方式：晶界凸出形核、亚晶形核。
（1）晶界凸出形核----晶核伸向小位错胞晶粒(畸变能较高域)内
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凸出形核机制生 成，如图所示。
※ 注：实际再结晶退火温度一般比上述温度高 100～200℃。 19
§7.3
再结晶
§7.3.4 影响再结晶的因素
（1）退火温度 ----温度越高，再结晶速度越大。 （2） 变形量 ----变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶 温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。 （3） 原始晶粒尺寸 ----晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。 （4） 微量溶质元素 -----阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 （5）第二分散相 ----间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心， 促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶 界迁移，阻碍再结晶。

第七章回复与再结晶


§6-2 回复
回复的定义及特点
1 定义：冷变形后的金属在加热温度不高时，其光学显微组织
未发生明显改变时所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 2 特点：
① 加热T低：T回 = (0.25~0.3)T熔； ② 显微组织无明显变化：仍保留拉长、畸变的晶粒。 ③ 晶粒内部亚结构发生变化（电子显微镜）： a 低温回复，点缺陷↓↓；主要指空位 b 高温回复，位错密度↓ (异号位错的合并；同号位错的规整
拉应力场和压应力场重叠而抵消一部分应变能。P197+9
滑移
攀 移 多边形化前 多边形化后
回复亚晶的形成 ——“多边形化” 过程
缠结 位错
位错 伸直
冷加工态
位错 网络
回复0.1h 大的稳 定网格
回复50h
回复300h
④ 性能变化： HB、ζ 略 ↓ ，δ 、ψ 略↑；
R↓↓；耐腐蚀性提高 原因：晶格畸变↓
热加工实质：是否有再结晶软化过程
衡量依据：T再
例：W 在1000℃非热加工； Sn、Pb 在室温为热加工； 动态回复和 动态再结晶
原晶粒
变形晶粒
所形成的小晶粒
全部新晶粒
残留的变形晶粒
金属在热轧时变形和再结晶的示意图
热加工对组织、性能的影响
热加工：钢材的热锻与热轧 1 消除铸态组织缺陷
⑴ 压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和机械
再结晶应用——再结晶退火
再结晶退火的目的：
① 中间退火：消除加工硬化，有利于进一步冷变形；
如：冷拔铁铬铝电阻丝生产中： 氢气保护再结晶退火 ② 无相变金属的细晶强化(如Al、Cu等)： 冷塑变 + 再结晶退火→细化的再结晶晶粒
再结晶图的应用

材料科学基础 第七章 形变金属材料的回复与再结晶

18
三、再结晶温度及其影响因素： 影响再结晶温度高低的因素： （1）冷变形量 （2）纯度 （3）第二相颗粒 （4）晶粒大小 （5）加热速度和保温时间
19
四、控制再结晶晶粒尺寸——预先变形度、再结晶退火温度、原始 晶粒尺寸、合金元素及杂质。
预先变形度对再结晶晶粒尺寸的影响
20
工业纯铝的再结晶晶粒大小与变形量的关系 （再结晶退火温度550℃，保温时间30min） 变形量自左至右依次为：1%、2.5%、4%、6%、8%、10%、12%、15%
晶粒逐渐被吞并到相邻的较大晶粒中。
23
晶粒长大过程的特点：晶界本身趋于平直化，三个晶粒的晶界交角
趋于120º；晶界迁移总是指向其曲率中心方向；随着晶界迁移，小
晶粒逐渐被吞并到相邻的较大晶粒中。
24
25
晶 粒 的 反 常 长 大 （ 二 次 再 结 晶 ）
26
四、再结晶退火/中间退火的应用
1. 冷变形金属材料消除加工硬化——又称中间退 火，以利进一步冷加工； 2.对于无固态相变的金属材料，通过冷塑性变形 并再结晶退火，可获得细小均匀的晶粒； 3. 磁性材料获得高密度的再结晶织构。
31
热加工对金属材料组织和性能的影响——改善铸态组织、 产生纤维组织或带状组织、控制晶粒大小。
32
热加工流线
33
模锻拖钩
切削加工拖钩
34
35
一、显微组织的变化
3
二、形变储存能的降低是形变金属材料回复和再 结晶的驱动力。
4
三、残余应力和性能的变化
5
§7.2 回复
回复——冷变形金属材料加热时，在光 学显微组织发生改变前（即在再结晶晶 粒形成前）所产生的某些亚结构和性能 的变化过程。

08第七章 回复与再结晶


| 时散的第二相粒子一钉扎晶界一晶界迁移阻力↑ | |;
| 冷变形一变形织构一再结晶织构一位向差小一晶界迁移能力↓ 1 1 ~
热蚀沟一钉扎晶界一晶界迁移阻力↑
1~
多 .A Ii~太*-阻
.
-è ，~;I .7 装在营
,---------------------------------------------
温度高、速度快一一属于热激活过程
.1 00 <:
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200
2.
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_
_
时向 (mìn)
Fe在不同温度退失 后 的性能变化曲线
') ~ Jl J 也
1. .;，二 哮
三、去应力主l!火
‘ 消除内应力: ‘ 稳定尺寸:
高温长时间加热 表面与晶界张力平衡
面、晶界交界处原子扩散离去 ~→| 热蚀沟
形成
晶界移动一一晶界面积增大一一界面能↑一一长大速度↓
一一因为再结晶己完全消除了 上述影响
|思考是 l
与回 复、再结 晶相 比 ， 品粒长大的驱动力有什 么 变化 ?为什么?
\ 晶粒长大的动力 学有什么特点?
义 再结晶晶粒总是均匀的生长吗?
会和品 : 理论2 第一个新晶粒形成，或出现凸出形核锯齿状边缘的温度
工业z 完全再结晶
硬』良品:
测硬度一退火曲线，
硬度开始明显下降，或软化50% 的退火温度
会和品 : 理论2 第一个新晶粒形成，或出现凸出形核锯齿状边缘的温度

7 回复与再结晶

(4) 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，导致性能不均；晶粒粗大
降低强度和塑性、韧性；
提高表面粗糙度。

大多数情况下应当避免。

7.2.2 回复机制
)
高温回复(>0.5T
m
位错攀移(+滑移)→位错垂直排列
→多边化(亚晶粒)→弹性畸变能降低。

：回复过程中由位错重新分布而形成确定的亚晶结构的过程。

7.3.2 再结晶晶核的形成与长大
再结晶晶核的形成(非均匀形核)
亚晶形核机制
一般发生在冷变形度较大的金属中。

亚晶合并机制
适于高层错能金属。

过程：位错多边化→回复亚晶→形核。

7.3.2 再结晶晶核的形成与长大
7.3.4 再结晶晶粒大小的控制
(2) 原始晶粒尺寸
当变形度一定时，材料的原始晶粒尺寸越细，则再结晶后的晶粒也越细。

(3) 合金元素及杂质
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。

金属的热加工
性能变化是双向的：
变形前变形后
再结晶
软软
加工硬化
2)组织结构的变化
特点：反复形核、有限长大。

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影响晶粒大小的因素：应变速率低、变形温度高时，晶粒尺寸大。

动态再结晶组织包含亚晶粒，并且位错密度较高，比静态再结晶组织强度、硬度高。

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围的大量小晶粒，最后形成非常粗大的组织，使力学性能大 大降低，称为二次再结晶。其驱动力来自界面能的降低。
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7.5 金属的热变形
1. 冷热加工的划分 小于再结晶温度的加工称为冷加工；大于再结 晶温度的加工称为热加工。 例如：
（1）钨（W）在1100℃加工，锡（Sn）在室温下加
工变形，各为何种加工？（钨的熔点为3410℃，锡 的熔点为232℃） 经计算：T钨再＝1200℃，T锡再＝－71℃ 所以，钨为冷加工，锡为热加工。
2.动态再结晶
动态再结晶也是形核和核长大过程。动态再结晶后得 到等轴晶粒组织，晶粒内部由于继续承受变形，有较高的 位错密度和位错缠结存在，这种组织比静态再结晶组织有 较高的强度和硬度。如低层错能金属：Cu、Ni、γ -Fe、 不锈钢等。 1）应力-应变曲线：见图7.24，加工硬化→再结晶软化→ 硬化=软化→动态平衡 。 2）动态再结晶机制 动态再结晶也是通过形核和核长大过程来完成的。 3）动态再结晶的组织结构 稳态期间，等轴晶粒，晶界呈锯齿状，晶内包含亚晶。
原始晶粒 尺寸 临界变形量
变形量
①当变形程度很小时，晶粒大小没 有变化，因为变形量过小，造成的 储存能不足以驱动再结晶。②当变 形量达到一定值时，再结晶后的晶 粒特别粗大，把这个变形量称为 “临界变形量”，一般金属的临界 变形量为2～10％。因为金属在临界 变形量下，只部分晶粒破碎，大部 分晶粒未破碎，此时，晶粒不均匀 程度很大，最易大晶粒吞并小晶粒， 故晶粒很容易粗化。③当变形量大 于临界变形量之后，再结晶后晶粒 细化，且变形量越大，晶粒越细化。 因为变形量越大，驱动形核和长大 的储存能不断增加大，且形核率增 大较快，使G/N变小，因此细化。
小
结
1.概念 再结晶，冷加工，热加工。 2.冷变形金属在加热时组织和性能的变化: 再结晶温度：T再＝0.4T熔（K） 再结晶退火温度： T再＋(100－200)℃ 影响再结晶后晶粒大小的因素：5点。
3.金属的热加工： 判断冷热加工；热加工对金属组织和性能的 影响；动态回复和动态再结晶。
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2014-2-17 9
再结晶形核机制有三种：
晶界弓出形核机制：对变形度较小的金属，多 以这种方式形核。见图7.7 亚晶合并机制：在变形程度较大且具有高层错 能的金属中，多以这种机制形核。见图7.8 亚晶蚕食机制：在变形度很大的低层错能金属 中，多以这种机制形核。见图7.9 总之，三种形核机制都是大角度晶界的突 然迁移。不同的是获得大角度晶界的途径不同
1) 形成“流线”，出现各向异性 夹杂物一般沿晶界分布，热加工时，晶粒变形， 夹杂物也变形，晶粒发生再结晶形成等轴晶粒，而
夹杂仍沿变形方向呈纤维状分布，这种夹杂的分布
叫“流线”。出现流线使性能出现明显的各向异性，
因此热加工时应力求使工件具有合理的流线分布。
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2) 形成“带状组织”
1）应力-应变曲线：见图7.23，应力随应变增大→加工硬化 → 稳定态。 2）动态回复机制 变形量↑→位错增殖→变形温度↑→位错攀移交滑移脱钉抵 消→位错密度↓→位错增殖速率和消亡速率达到平衡。 3）动态回复时的组织结构 晶粒沿变形方向伸长呈纤维状，但内部为等轴亚晶无应变 2014-2-17 23 结构。
5
R
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7.1 变形金属在加热时组织和性能的变化
晶粒长大：指再结晶结束 之后晶粒的继续长大。在
R
此阶段，在晶界表面能的
驱动下，新晶粒相互吞食
而长大，最后得到较稳定
尺寸的晶粒。
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7.2 回复机制
1.低温回复：主要与点缺陷的迁移有关。点缺陷密度下降 2.中温回复：主要与位错的滑移有关。异号相消排列规整 3.高温回复：刃型位错产生攀移。攀移：①使滑移面上不 规则的位错重新分布，垂直排列成墙，降低了位错的弹性 畸变能；②形成沿垂直滑移面方向排列并具有一定取向差 的位错墙，产生亚晶，即多边化结构。见图7-4 多边化的产生条件：①塑性变形使晶体点阵发生弯曲；②
材料科学基础
主讲教师：王亚男
第7章 回复与再结晶
7.1 变形金属在加热时组织和性能的变化 7.2 回复 7.3 再结晶 7.4 晶粒长大 7.5 金属的热变形 小结 思考题
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回复和再结晶
金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等
结构缺陷密度的增加，以及畸变能的升高将使其
处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢
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3. 热加工对金属组织及性能的影响
(1) 热加工对室温力学性能的影响 ①热加工可使气孔、疏松焊合，提高致密度；
②热加工可消除或减轻铸锭组织、成分不均匀性；
③热加工可使粗大组织破碎并均匀分布，细化晶 粒。 所以,热加工可提高力学性能。
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(2) 热加工材料的组织特征
4
R
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7.1 变形金属在加热时组织和性能的变化
再结晶：指出现无畸变的等轴新 晶粒逐步取代变形晶粒的过程。 在此阶段，组织：首先在畸变度 大的区域产生新的无畸变晶粒的 核心，然后逐渐消耗周围的变形 基体而长大，直到变形组织完全 改组为新的、无畸变的细等轴晶 粒为止。性能：强度与硬度明显 下降，塑性提高，消除了加工硬 化，使性能恢复到变形前的程度
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7.4 晶粒长大
再结晶后，再继续保温或升温，会使晶粒进一步长大。
1.晶粒的正常长大：表现为大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大。 是靠晶界迁移，相互吞食而进行的，它使界面能减小，是一 个自发过程。 2.晶粒的异常长大：表现为少数晶粒突发性的不均匀长大。见图
7.21。是出现少数较大的晶粒优先快速成长，逐步吞食掉其周
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（2）在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍 隔一段时间再行弯折，铅板又向最初一样柔软， 这是什么原因？（铅的熔点为327.5℃） 经计算：T铅再＝－33℃ 所以，室温下弯折属于热加工，消除了加工硬化。 热加工过程中，在金属内部同时进行着加工 硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。
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影响再结晶温度的因素有：
(1)变形程度：随冷变形程度增加，储能增多， 再结晶的驱动力增大，再结晶容易发生，再结晶 温度低。当变形量达到一定程度，T再趋于一定 值，见图7-13。
T再
变形度％
2014-2-17 13
(2)原始晶粒尺寸：原始晶粒越细小，晶界越多， 有利于形核；另外，晶粒越细小，变形抗力越大， 变形储能高，再结晶驱动力越大，容易发生再结 晶，使T再降低。
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2. 动态回复与动态再结晶 热加工中回复与再结晶分为两类：一 类在变形终止或中断后，保温或冷却过程 中进行，称为静态回复和静态再结晶（前 面讨论的属于此类）。另一类是与变形同 时发生的回复与再结晶过程，称为动态回 复与动态再结晶。
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1.动态回复
动态回复引起的软化过程是通过刃位错的攀移、螺位 错的交滑移、异号位错对消，使位错密度降低的结果。动 态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶，仍保持沿变形方 向伸长，呈纤维状。如高层错能金属：Al、α-Fe、Zr、Mo、 W等。
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3. 再结晶后的晶粒大小 再结晶后的晶粒大小d取决于形核率N 和长大速率G，它们之间有下列关系： d=C(G/N)1/4 C为系数 可见：N↑，G↓，d↓。即凡影响N、G的因 素，均影响再结晶后的晶粒大小。 影响再结晶后晶粒大小的因素:
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（1）变形度：
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长大 晶核形成之后，借界面的移动而向周围畸变 区域长大，直到全部形成无畸变的等轴晶粒为止， 再结晶即告完成。 界面迁移的推动力是无畸变的新晶粒与周围 畸变的母体之间的应变能差。
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2. 再结晶温度及其影响因素
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。 对纯金属：T再熔＝1538℃ T再＝0.4(1538＋273)－273＝451.4℃ 一般再结晶退火温度比T再要高出100～ 200℃，目的：消除加工硬化现象。
思考题
1.冷变形金属在加热时组织和性能有何变 化？ 2.计算纯铁的最低再结晶温度，指出纯铁 在400℃加工时，属于何种加工？并估计 其再结晶退火温度。
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复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，
因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受 热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性 能会发生一系列变化。
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7.1 变形金属在加热时组织和性能的变化
分为三个阶段:
回复：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。在此阶段，组织：由于不 发生大角度晶界的迁移，晶粒的 形状和大小与变形态相同，仍为 纤维状或扁平状。性能：强度与 塑性变化很小，内应力、电阻明 显下降。
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晶粒尺寸
（2）退火温度：提高退火温度，使再结晶速 度加快，晶粒长大。 （3）原始晶粒：越小，越均匀，则变形后晶 粒破碎程度越均匀，再结晶后的晶粒越细。 （4）合金元素和不熔杂质：越多，会阻碍 再结晶晶粒长大，则再结晶晶粒越细小。 （5）加热速度：越快，再结晶温度越高，推迟 再结晶形核和长大过程，所以再结晶晶粒细小。
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7.3 再结晶
1. 再结晶过程 冷变形后的金属加热到一定温度后，在 原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒， 而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前 的状况，这个过程称为再结晶。见图7-6 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。