再结晶细化理论

一文看懂回复和再结晶回复和再结晶一、冷变形金属在加热时的组织与性能变化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（晶体缺陷所储存的能量）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。

这一变化过程随加热温度的升高可表现为三个阶段：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：强度与硬度变化很小，内应力、电阻明显下降。

（回复是指冷塑性变形的金属在（较低温度下进行）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。

）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。

晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。

在此阶段，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。

显微组织的变化：回复阶段：显微组织仍为纤维状，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的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。

性能变化：回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度变化不大，电阻明显下降。

再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；密度急剧升高。

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。

二、回复1. 回复动力学上图同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈服强度的回复动力学曲线特点：（1）没有孕育期；（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直至趋近于零；（3）每一温度的恢复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此一极限值所需的时间则越短；（4）预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快。

小角度晶界完全再结晶1. 引言晶界是晶体中不同晶粒之间的界面，是由于晶格的不连续性而形成的。

晶界对材料的力学性能、热学性能等起着重要的影响。

其中，小角度晶界是指晶界的错配度较小，晶界夹角小于10度的晶界。

小角度晶界完全再结晶是指通过热处理等方式，使材料中的小角度晶界发生再结晶，即晶界的错配度消失，晶界夹角变为90度，实现晶界的完全再结晶。

本文将对小角度晶界完全再结晶的原理、方法、影响因素等进行详细介绍。

2. 原理小角度晶界完全再结晶的原理主要涉及晶界的动力学行为和能量降低原理。

晶界的运动是由晶界两侧晶粒的位错滑移和扩散引起的。

在小角度晶界处，晶界的位错密度较高，位错可以通过滑移和扩散的方式运动，使晶界发生位错滑移和扩散。

晶界的位错滑移和扩散会引起晶界的能量增加，而晶界能量的增加会阻碍晶界的运动。

当晶界的位错密度较高时，晶界能量的增加越大，晶界的运动越困难。

在小角度晶界完全再结晶过程中，通过热处理等方式，可以提高晶界的温度，降低晶界能量，促进晶界的运动。

当晶界的位错密度较高时，晶界的位错滑移和扩散会使晶界的位错密度减小，晶界的能量降低，从而使晶界发生再结晶。

3. 方法小角度晶界完全再结晶的方法主要包括热处理和力学处理两种。

3.1 热处理热处理是通过升高材料的温度，使晶界的位错滑移和扩散增加，从而促进晶界的再结晶。

热处理的主要参数包括温度、时间和冷却速率。

温度越高，晶界的位错滑移和扩散越活跃，再结晶的速度越快。

时间越长，晶界的位错滑移和扩散越充分，再结晶的程度越高。

冷却速率越慢，晶界的位错滑移和扩散越容易进行，再结晶的程度越高。

3.2 力学处理力学处理是通过施加外力，使晶界发生位错滑移和扩散，从而促进晶界的再结晶。

力学处理的主要方式包括拉伸、压缩和剪切等。

拉伸和压缩可以使晶界的位错滑移和扩散增加，促进晶界的再结晶。

剪切可以使晶界发生位错滑移，从而促进晶界的再结晶。

4. 影响因素小角度晶界完全再结晶的过程受到多种因素的影响，主要包括晶界角度、温度、时间、冷却速率和外力大小等。

FGH4096合金的动态再结晶与晶粒细化研究摘要：使用Gleeble-1500D热模拟试验机对热等静压态FGH4096合金进行变形温度1080~1140℃，应变速率0.02~1s–1，变形量15%，35%和50%的等温压缩实验。

通过观察微观组织，分析了粉末高温合金动态再结晶的组织演化规律，并通过透射电镜研究了再结晶的形核位置。

当变形量在35%及以下时，得到不完全再结晶组织，即“项链“组织；当变形量大于50%时，得到完全的动态再结晶组织。

动态再结晶晶粒尺寸随变形温度的升高和应变速率的降低而增大。

再结晶形核主要在以下三个位置，即原始颗粒边界，再结晶晶粒边界以及孪晶源。

最后利用多方向热变形对晶粒的破碎和细化，得到平均晶粒尺寸为4μm的细晶坯料。

关键词：FGH4096粉末高温合金；动态再结晶；形核；细晶化锻造粉末高温合金由于具有组织均匀、无宏观偏析、合金化程度高等优点,成为制造先进航空发动机涡轮盘的首选材料[1]。

30多年中，粉末高温合金发展已经历了三代。

FGH4096粉末高温合金属于我国第二代粉末高温合金材料，以其优秀的高温强度和抗裂纹扩展能力受到航空发动机研究人员的极大重视[3]。

但由粉末冶金工艺所带来的原始颗粒边界(PPB)、热诱导孔洞(TIP)等组织缺陷极大的损害了高温合金的力学性能和热加工性能。

美国普惠公司使用以大挤压比的热挤压来粉碎PPB、焊合TIP，并诱导高温合金发生充分的动态再结晶以得到组织均匀细小、热加工性能优秀的高温合金坯料的制坯工艺[3]。

国内受多方面条件限制，尚无法实施该类工艺，但可通过塑性变形诱发动态再结晶得到细晶、无缺陷坯料[3]。

本文研究了FGH4096高温合金热变形中的动态再结晶的形核、发展规律和组织演化过程，并研究了合金的细晶化锻造工艺。

1 实验材料与方法FGH4096合金名义化学成分(Wt%)为：Cr 15.5, Co 12.5, Mo 3.8, W 3.8, Nb 0.6, Ti 3.9, Al 2.0, B 0.006, Zr 0.025, Ni Bal。

工业生产中细化晶粒的方法
1.静态再结晶法：通过热处理使晶体重新排列，达到细化晶粒的目的。

这种方法适用于各种金属和合金。

2. 动态再结晶法：在金属加工过程中，利用变形热处理和加工热处理使晶界发生再结晶，从而细化晶粒。

3. 热机械处理法：通过机械加工和热处理相结合，使原材料发生塑性变形和再结晶，细化晶粒。

4. 晶界工程法：通过控制金属内部晶界的结构和组成，改善其性能，从而细化晶粒。

5. 热处理法：利用热处理时的相变和再结晶作用，调整材料的组织结构，从而细化晶粒。

6. 化学方法：通过改变材料的成分或添加特定的元素，控制晶体生长过程，从而细化晶粒。

这些方法在不同的工业生产领域中得到广泛应用，如金属材料、半导体材料、陶瓷材料、塑料材料等。

细化晶粒可以改善材料的物理化学性质和力学性能，增强其强度和韧性，提高其稳定性和耐磨性，有利于提高产品质量和降低生产成本。

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结晶和再结晶的名词解释结晶和再结晶是物质在固态下发生的两个重要过程，它们在化学、地质和材料科学等领域中具有广泛的应用。

本文将从理论和实践的角度解释结晶和再结晶的概念、过程和意义。

一、结晶的概念和过程解释结晶是指从溶液、气体或高温状态等其他形式的物态中，通过凝固形成具有有序排列的周期性晶体的过程。

结晶是新相的形成，其中晶体中的原子、离子或分子按照一定的顺序排列，形成了具有规则外形和内部结构的固体。

结晶过程通常是由于物质的过饱和度增加或温度降低而发生的。

在结晶过程中，液相物质逐渐从无序状态向有序状态转变，各个分子、离子或原子按照一定的排列方式重新组合，形成晶体。

结晶过程包括核形成、晶体生长和结晶固体的形成三个阶段。

首先，由于物质的过饱和度增加，形成原始团簇或核，其为各向异性的、小颗粒的无定形物体。

然后，核与液相中的溶质进行结合，逐渐生长并形成晶体。

最后，在合适的环境条件下，成长的晶体之间能够聚合并形成整体结晶固体。

二、再结晶的概念和过程解释再结晶是指已存在的晶体在固态下由于外界条件发生变化而引起的晶体内部重新排列，形成新的晶体结构的过程。

与结晶不同，再结晶过程不需要物质从无序到有序的转变，而是现有晶体内各个原子或晶粒的重新排列。

再结晶通常在比较高的温度下进行，以利于原子或晶粒的迁移。

再结晶的过程主要分为几个阶段。

首先是胚胎形成，此阶段包括界面扩散、固溶体溶解和扩散等过程，以形成能够提供再结晶原子或晶粒的胚胎。

然后是胚胎长大，这个过程中，原有晶体内的晶粒或晶界之间的原子逐渐重排，形成更大的晶粒。

最后是成长与全消失，新晶粒逐渐长大并完全替代原有晶体，实现再结晶的全消失。

三、结晶和再结晶的意义和应用结晶和再结晶过程在科学研究和工业应用中有着重要的意义和丰富的应用。

首先，通过结晶和再结晶可以获得高纯度的物质。

在实际应用中，许多杂质随着结晶的进行被排除，从而得到高纯度的晶体材料。

例如，电子元件中的半导体材料、药物中的纯化过程等都依赖于结晶技术。

金属材料的再结晶与再结晶退火探索材料晶粒细化的途径金属材料的再结晶和再结晶退火是金属加工中常用的工艺，通过调整材料的结构来改变其力学性能和微观组织。

本文将探讨金属材料再结晶与再结晶退火的原理以及几种常用的晶粒细化方法。

一、再结晶的原理再结晶是指在金属材料的冷变形过程中，通过升温和应力消除来改变材料的晶体结构和性能。

再结晶过程可以分为三个阶段，即原始晶体的奥氏体再结晶核心的产生、再结晶晶粒的长大和最终的后晶粒修饰。

再结晶退火则是指通过升温处理，使冷变形后的材料得以恢复和细化晶粒结构，增强材料的延展性和韧性。

再结晶退火是一种重要的热处理工艺，可以明显改善金属材料的力学性能。

二、晶粒细化的途径1. 冷变形与再结晶退火冷变形是指将金属材料在室温下通过压力或拉伸等形式进行加工，使其产生塑性变形。

冷变形能够引起材料中的位错密度增加，晶界能量的积累，从而促使晶界迁移与再结晶发生。

再结晶退火可以通过降低位错密度，细化晶粒结构，提高材料的延展性和韧性。

2. 粒度控制和晶界工程通过控制材料的晶粒大小，可以间接控制材料的性能。

通常情况下，晶粒尺寸越小，材料的塑性和强度越高。

晶界工程是一种通过控制晶界的类型和分布来调整材料性能的方法。

例如，在金属材料中加入适量的微合金元素，能够改变晶界的能量和迁移速度，从而实现细化晶粒的效果。

3. 弹塑性变形与细化弹塑性变形是指材料在应力作用下发生的弹性和塑性变形。

在变形过程中，应力会引起材料的位错运动和晶界迁移，从而促使晶粒的细化。

通过合理设计工艺参数，如应力应变状态和变形速率等，可以实现晶粒细化的效果。

同时，不同的金属材料具有不同的再结晶温度，通过合理选择合适的变形温度和退火温度，也可以实现晶粒细化。

总结：金属材料的再结晶和再结晶退火是调控材料晶粒细化的重要手段。

通过冷变形与再结晶退火、粒度控制和晶界工程、弹塑性变形与细化等途径，可以改变材料的晶体结构和性能。

在实际应用中，根据金属材料的具体情况和加工要求，选择合适的再结晶方法和工艺参数，能够获得理想的材料性能和微观结构。

再结晶机理
再结晶是指将冷变形后的金属加热到一定温度后，在原变形组织中重新生成新的无畸变的等轴晶粒的过程。

再结晶的机理包括以下几个步骤：
1. 形核：在变形晶粒的晶界或晶内的某些区域，原子排列变得不规则，形成了一些高能量的晶核。

2. 晶核长大：晶核在一定的温度和时间下逐渐长大，直到它们相遇并合并成新的晶粒。

3. 晶粒长大：新的晶粒继续长大，直到它们的尺寸达到平衡状态。

在再结晶过程中，晶粒的形核和长大是一个随机的过程，因此最终形成的晶粒尺寸和形状是不均匀的。

为了获得均匀的晶粒尺寸和形状，可以采用控制加热温度、保温时间和变形量等方法。

再结晶过程中，晶粒的形核和长大需要消耗能量，因此再结晶需要在一定的温度范围内进行。

一般来说，再结晶温度与金属的熔点之间存在一定的关系，再结晶温度约为熔点的0.3-0.5 倍。

再结晶过程可以改善金属的力学性能和加工性能，因此在金属材料的加工和制造过程中得到了广泛的应用。

晶粒细化的方法及原理1. 通过快速冷却来实现晶粒细化，原理是在快速冷却的条件下，晶界迅速形成并织构，促进晶粒细化。

2. 添加晶核剂来实现晶粒细化，原理是通过引入微小颗粒，促使晶粒在其表面形成，从而实现晶粒的细化。

3. 利用外加振动来促进晶粒细化，原理是通过机械振动，使晶粒结构发生微观改变，从而实现晶粒细化。

4. 采用多次退火来实现晶粒细化，原理是在多次退火的过程中，晶粒结构逐渐细化，提高晶界密度。

5. 添加微合金元素来促进晶粒细化，原理是微合金元素的溶解度低，可以在晶界区域形成位错源，实现晶粒的细化。

6. 利用拉伸和压缩力来实现晶粒细化，原理是通过外界拉伸和压缩力的作用，促进晶粒形变和再结晶，实现晶粒的细化。

7. 采用超声波处理来促进晶粒细化，原理是超声波的作用下，晶粒结构产生微小变化，促进晶粒的细化。

8. 利用化学处理来实现晶粒细化，原理是在特定化学条件下，通过溶解和析出作用，促进晶粒的细化。

9. 采用表面强化处理来促进晶粒细化，原理是在表面形成高密度位错，从而促进晶粒的再结晶和细化。

10. 通过热处理来实现晶粒细化，原理是在特定温度条件下，通过固溶和析出作用来促进晶粒的细化。

11. 利用电磁场处理来促进晶粒细化，原理是通过电磁场的作用，引导晶界扩散，从而实现晶粒的细化。

12. 采用喷丸处理来实现晶粒细化，原理是通过高速喷射颗粒，在表面形成压痕和位错源，促进晶粒的细化。

13. 通过压力调控来促进晶粒细化，原理是在特定压力下，促进金属结构的再排列，实现晶粒的细化。

14. 利用激光处理来实现晶粒细化，原理是通过激光的作用，局部加热和冷却，促进晶粒的再结晶和细化。

15. 采用磁场处理来促进晶粒细化，原理是通过磁场的作用，调控金属晶粒的排列，实现晶粒的细化。

16. 通过轧制和拉拔来实现晶粒细化，原理是通过变形加工，促使晶粒结构发生改变，从而实现晶粒的细化。

17. 利用化学溶液处理来促进晶粒细化，原理是在特定的化学溶液中，晶粒结构发生溶解和再结晶，实现晶粒的细化。

回复与再结晶1.冷变形金属在加热时的组织和性能的变化2.回复过程3.再结晶过程4.晶粒长大过程5.热加工对金属组织和性能的影响1组织和性能的变化回复与再结晶显微组织变化力学性能变化储存能变化内应力变化回复退火再结晶再结晶形核地点有什么特点或特征？哪些地点可能是优先的形核地点？再结晶形核现存于局部高能区域，以多边化形成亚晶为基础形核，有两种形核机制优先形核地点：1.原始晶粒处2.亚晶形核时，在形变形成的大角晶界处或通过亚晶长大而逐步形成的大角晶界处3.第二相粒子附近再结晶温度及其影响因素再结晶温度的影响因素5.再结晶晶粒大小的控制通过增大N，减小G，来细化晶粒。

6.再结晶全图看着书上讲解。

变形程度，退火温度，再结晶后晶粒大小关系曲线图图为铝的再结晶全图，晶粒度有两个极大值，临界变形度和二次再结晶变形度超过临界变形度后，变形越大，再结晶晶粒越细；某些金属，变形很大时也会出现反常长大，如铝。

退火温度越高，晶粒越粗大。

这两条都是根据减小比值来细化晶粒。

控制退火保温时间和提高加热速度，可防止晶粒长大。

以上即为细化再结晶晶粒的方法。

讲到这里，结合材料科学基础及热处理知识讲一下，细化晶粒方法。

1.从液固相变的角度分析。

*控制过冷度。

*变质处理，促进形成大量非均匀晶核来细化晶粒。

*振动搅拌，使枝晶破裂，形核数目增多。

2.固态相变角度分析。

*热处理。

降低加热温度，使晶粒长大速率降低，或者采用球化退火、正火等工艺。

*热加工。

锻造或轧制方法。

室温多向锻造和高温退火，利用变形孪晶和退火孪晶细化晶粒。

大塑性变形来细化晶粒。

3.再结晶角度分析。

即以上讲到部分。

例题：为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5%后于650℃退火1h，组织反而粗化，增大冷变形量至80%，再于650℃退火1h，仍然得到粗大晶粒。

试分析其原因，指出上述工艺的不合理处，并制定一种合理的晶粒细化工艺。

再结晶退火后晶粒大小主要取决于预先变形度和退火温度。

变形度太小，N小，G大，即d大，同时看图上。