掌握再结晶退火后晶粒大小的控制42页PPT

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第七章 金属及合金的回复与再结晶
第五节 金属的热加工（自学）
1
金属的热加工与冷加工
2
动态回复与动态再结晶
3
热加工后的组织与性能
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
一、金属的热加工与冷加工：掌握
热加工：再结晶温度以上的加工过程。 冷加工：再结晶温度以下的加工过程。
动静态再结晶示意图
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
思考：为什么在冷拔钢丝时，如果总的变形量很大，中间要 穿插几次退火工序，为什么？退火温度应为多少？
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
2.再结晶退火：将冷变形的金属加热到再结晶温度以上，使 其发生再结晶的处理过程。
① 温度：经常定为最低再结晶温度以上100—200℃。 ② 目的： 降低硬度、提高塑性，是冷成型操作中不可缺少的工序； 对于某些没有同素异晶转变的金属（如铝、铜）采用冷变
第二节 回复
1
概述
2
回复退火的应用
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
一、概述
1.回复：在加热温度较低时，显微组织几乎看不出任何变化， 仅因金属中一些点缺陷迁移而引起的某些晶内的变化 。
2.特点：强度、硬度、塑性等变化不大（力学性能变化不大）， 内应力以及一些物理性能得到改善。
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
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再结晶晶粒大小的控制
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
一、概述
1.再结晶：冷塑性变形的金属加热到一定温度之后，在原来的 变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，性能也发 生了明显的变化，并恢复到完全软化的状态的过程。

RT
G RT
1 exp（ G ） G RT RT
u ns V exp( G )( 1 1 )
Nh
RT r1 r2
晶粒长大速率随温度升高呈指数规律增加且晶界 移动速率与晶界曲率有关。温度愈高，曲率半径 愈小，晶界向曲率中心移动的速率亦愈快。
图22 Ba0.8Sr0.2TiO3陶瓷的SEM 照片
P ( 1 1 )
r1 r2
温度不变时
G VP ST
G VP V ( 1 1 )
r1 r2
f AB
ns RT Nh
exp[
G RT
]
fBA
ns RT Nh
exp[
G G ]
RT
晶界移动速度u
u
f
( f AB
fBA )
ns RT Nh
G
G
exp( )[1 exp( )
RT
三、二次再结晶
概念
二次再结晶是坯体中少数大晶粒尺 寸的异常增加，其结果是个别晶粒 的尺寸增加，这是区别于正常的晶 粒长大的。
简言之，当坯体中有少数大晶粒存在时，这些 大晶粒往往成为二次再结晶的晶核，晶粒尺寸 以这些大晶粒为核心异常生长。
推动力
推动力仍然是晶界过剩 界面能。
二次再结晶发生后，气孔进人晶粒内部，成 为孤立闭气孔，不易排除，使烧结速率降低甚 至停止。因为小气孔中气体的压力大，它可能 迁移扩散到低气压的大气孔中去，使晶界上的 气孔随晶粒长大而变大。
第三节 再结晶和晶粒长大
在烧结中，坯体多数是晶态粉状材料压制而成，随 烧结进行，坯体颗粒间发生再结晶和晶粒长大，使坯体 强度提高。所以在烧结进程中，高温下还同时进行着两 个过程，再结晶和晶粒长大。尤其是在烧结后期，这两 个和烧结并行的高温动力学过程是绝不对不能忽视的， 它直接影响着烧结体的显微结构(如晶粒大小，气孔分 布)和强度等性质。

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回 复
再 结 晶
原
正
位 再
常 晶 粒
结
长
晶
大
晶粒长大
异常晶粒长大
非均匀、不连续长大
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原位再结晶与再结晶区别：
（1）小角度晶界（小于10~15º）与大角度晶界
（2）退火织构仍与原变形织构相同
原位再结晶实际上是指在一定的条件下，随着温度升高，时间延长，亚 晶长大到相当大（如大于10μm），晶体取向几乎保持不变，而并形成新 的再结晶晶核。 原位再结晶是多边化和胞状亚组织形成的亚晶通过亚晶界迁移和亚晶粒 合并的方式逐渐粗化后进一步长大粗化的过程。 而这种亚晶进一步粗化实际上仍处于亚晶粗大化范畴，不是真正意义上 的再结晶。
Explanation? AA8006(Al-Fe-Mn-Si), Discontinuous and continuous recrystallization.
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金属材料热处理原理
4. 2 冷变形金属在加热退火过程中组织性能变化
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金属材料热处理原理
4. 2 冷变形金属在加热退火过程中组织性能变化
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（4)回复退火的应用
①作为最终热处理： a 半硬制品生产 （软、硬、半硬） b 消除内应力 工厂中称之为低温退火，去应力退火 ②利用低温退火硬化效应，提高弹性极限
（Cu基弹簧） ③中间退火，冷变形之间的中间退火
（W、Mo等及其合金）
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4. 4 再结晶退火
再结晶从广义上讲包括回复（点缺陷，位错重布），再结晶（形核 长大），晶粒长大三个阶段。主要指再结晶形核到再结晶完了（初始再
Working-hardening mechanism in Ti aluminide alloys:

二、动态回复和动态再结晶
热加工的真应力—真应变曲线-2
高应变速率 低应变速率
真 应 力
真应变
图7-28 在热加工温度发生动态 再结晶时的真应力—真应变曲线特征
应力-应变的变化规律
Ⅰ：应力随应变不断增大 Ⅱ：应力达到峰值后下降 Ⅲ： 应力最后稳定状态
一、晶粒的正常长大 二、晶粒的反常长大 三、再结晶退火后的组织
晶粒长大 再结晶结束后，若继续升温或延长保温时间， 晶粒之间互相吞并而长大过程。
长大特征
晶粒的正常长大 ：晶粒均匀连续地长大 晶粒的反常长大 ：晶粒不均匀不连续地长大
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§7-4 晶粒长大 一 、晶粒的正常长大
（一）驱动力：总的界面能的降低 晶粒长大前后总的界面能差
（一）形核
2.晶界凸（弓）出形核机制（变形度较小（<40%） ）
晶界中的某一段向亚晶粒细小、位错密度高的一侧凸出
被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体
晶界凸（弓）出形核机制
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一、再结晶晶核的形成与长大
(二）长大
亚晶合并形核机制 亚晶界移动形核机制
晶界凸形核机制
长大规律： 界面总是向畸变区域推进。 界面移动的方向总是背离其曲率中心。
一、再结晶晶核的形成与长大
（一）形核
1.亚晶长大形核机制（变形度较大时） (2) 亚晶界移动形核（图7-10b）
位错密度很高的亚晶界的移动 吞并相邻变形基体和亚晶 再结晶晶核
亚晶界移动形核机制
亚晶长大形核机制的特点：消耗周围的高能区
变形度 高能区 再结晶晶核
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一、再结晶晶核的形成与长大

金属在冷和热塑性加工过程中组织和性能变化规律之回复 和再结晶
观察在不同加热温度下变化的特点，可将 退火过程分为回复、再结晶和晶粒长大三 个阶段。
（1）回复：是指新的无畸变晶粒出现前所产生的 亚结构和性能变化的阶段；
（2）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；
（3）晶粒长大：是指再结晶结束之后晶粒的继续 长大。
时间/min 经98%冷轧的纯铜（质量分数为ωCu=99.999%）在不同温度下的等温再结晶曲线
/%
（3）动力学方程表达式
12.3RlgA2.3Rlgt

TQ
Q
作1/T~lgt图，直线的斜率为
（ ）
1/T /×10-3K-1
t(φR为50%所需的时间)/min 经98%冷轧的纯铜（质量分数为ωCu=99.999%）在不同
d.杂质与合金元素：降低界面能，不利于晶界移动。
晶 界 迁 移 速 度
ω(Sn)/% 300℃时，微量锡对区域提纯的高纯铅的晶界迁移速度的影响
（a）多变化前刃型位错散乱分布 （b）多变化后刃型位错排列成位错壁
因此，回复退火主要是用作去应力退火，使冷加 工的金属在基本上保持加工硬化状态的条件下降低其 内应力，以避免变形并改善工件的耐蚀性。
二、再结晶
与回复不同，再结晶是一个显微组织重新改组 的过程，驱动力是变形金属经回复后未被释放的储 存能。
1.再结晶过程：形核和长大
晶界弓出形核
形核
亚晶合并机制
亚晶形核
亚晶迁移机
长大：再结晶晶核形制成后，借助界面的移动向周围畸
变区域长大，直到全部形成无畸变的等轴晶为止。
（1）晶界弓出形核
具有亚晶粒组织晶粒间的凸出形核示意图

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3.影响晶粒长大的因素 晶粒长大，是通过晶界处的原子扩散 迁移实现。
（1）温度 温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。 （2）杂质与合金元素
异类原子吸附晶界处，降低晶界能，减少驱动力， 阻碍晶粒长大。
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（3）第二相质点
第二相粒子越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大能力越强。
章
组织与性能变化
三 性能变化
第 一 节
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，
加
粗化严重时下降。
热 2 物理性能
时
密度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；
的
电阻：电阻在回复阶段可明显下降。
位错缠结重新排列
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第 八
第二节 回复
章
二 回复机理
第
二
节 3 高温回复（>0.5Tm）
回 复
位错攀移（＋滑移） 位错垂直排列（亚晶界）
多边化（亚晶粒） 弹性畸变能降低。
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第 八 章
二 回复机理
第 二 节 回 复
第二节 回复
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
晶界能随R的变化导致的变化是
作用于晶界上的力，此力指向曲率
中心，
。所以晶界
移动的单位面积上的驱动力为
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1．晶粒长大的驱动力
R
考虑到空间任一曲面情况下， 2来描述任意曲面晶界的驱动力

分析：
晶粒大小取决于N和G；其 比值N/G越大，晶粒越小。
三、晶粒度的控制
可用以下方法予以控制：
1．控制过冷度 铸造浇铸时降低浇铸温度，用金属型、石墨型代替砂型等
增加ΔT。
2．变质处理 在金属浇铸前向液态金属内加变质剂（形核剂）促进大量
非自发形核，细化晶粒。
3．振动、搅拌 对即将凝固的金属进行振动或搅拌，一方面输入能量促使
振动搅拌对即将凝固的金属进行振动或搅拌一方面输入能量促使形核另一方面使成长中的枝晶破碎使晶核数目增加细化晶影响
1．晶粒度 ① 晶粒度表示晶粒大小，由平面截面单位面积内所包含晶粒
个数来表示； ② 晶粒度级别越高，晶粒越细； ③ 也可用晶粒平均直径来表示晶粒的大小。 ④ YB27-64中对结构钢规定了八级晶粒度标准。 ⑤ 其它金属也有各自的晶粒度标准。
2．晶粒度对金属性能的影响 晶粒度对力学性能的影响如图所示。
分析：
① 晶粒越细，常温强度越高，塑性 韧性有所改善。
② 并非任何情况下都希望得到细晶 粒，例如硅钢片、高温加热电阻 材料等。
二、影响晶粒度的因素 1．形核率N： 指单位时间单位体积内形成晶核的数目。 2．长大速度G： 指单位时间内生长的长度。 3．N、G与ΔT的关系
形核，另一方面使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，细化 晶粒。
“晶粒大小的控制”部分结束！ 请转入：
“金属的同素异构转变”

• 变形在几乎恒定的流变
• 应力作用下继续进展，
• 此阶段称为稳定阶段
• 当变形温度一定时，应变速率ε越大，到达 稳定的应力和应变也越大；当ε一定时，变 形温度越高，到达稳定态的应力和应变越 小。
• 动态回复引起软化是经过刃形位错攀移、 螺形位错交滑移使异号位错对消、位错密 度下降的结果。
• 动态回复时也发生多边化而构成亚晶。亚 晶尺寸受变形速率与温度影响，变形速率 越小，变形温度越高，亚晶尺寸也越大。 在稳定阶段，亚晶坚持等轴和恒定尺寸。
• (3)假设金属为薄板，那么加热时会出现热 蚀沟，假设大部分晶界被热蚀沟钉扎，仅 有少数晶界可迁移，便容易发生二次再结 晶。
• (4) 一次再结晶后的组织，由于某些缘由产 生了部分区域不均匀景象而存在个别尺寸 很大的初始晶粒，其晶界迁移率高于其他 晶界，就会迅速长大。
• 二次再结晶并没有再形核过程，只是某些 要素导致少数晶粒异常长大而已。
• 并随大角度晶界的挪动
• 而长大。当{111}面再
• 次错排而恢复原有堆垛
• 顺序，那么又出现一个孪
• 晶界，两个孪晶界之间
• 构成一个孪晶。
• (3) 再结晶织构：冷变形金属在再结晶过程中构成 择优取向的晶粒称为再结晶织构。再结晶织构与 变形织构没有必然联络，构成机理有择优形核和 择优生长两种实际。
• 择优形核实际以为：再结晶晶核坚持变形织构的 一样取向，长大后构成与变形织构一致的再结晶 织构。
• 择优生长实际以为：再结晶形核的取向与变形织 构无关。晶核长大时，晶界迁移率与晶界两侧的 位相差相关。只需某些取向有利的再结晶晶核可 以迅速长大，其他取向的晶核那么被抑制，最终 构成再结晶织构。
• 7.5 金属的热变形
• Fmax=3φσ/2r

1. 温 度 温度越高，晶粒长大速度越快。通常在一定温度下晶
粒长大到一定尺寸后就不再长大，但升高温度后晶粒又 会继续长大。
2. 杂质及合金元素
一般认为被吸附在晶界的溶质会降低晶界的界面能，
从而降低界面移动的驱动力，使晶界不易移动，降低晶
粒长大速度。
精品课件
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3. 第二相质点 弥散分布的第二相质点阻碍晶界的移动，使晶粒长大受到
金属和合金经塑性变形后，内部组织结构与各项性 能均发生相应变化，并产生大量晶体缺陷（位错、空 位等），变形金属中还储存了相当数量的弹性畸变能， 使其处于热力学不稳定的高自由能状态。因此，经塑 性变形的材料具有自发恢复到变形前低自由能状态的 趋势。当冷变形金属加热时会发生回复、再结晶和晶 粒长大等过程。
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精品课件
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精品课件
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再结晶的特点
变形金属发生再结晶时，力学性能发生显著变 化，金属恢复到软化状态；变形储存能得到充分 释放；新的无畸变等轴晶完全取代了原畸变晶粒， 但是再结晶前后晶格类型不变，因此再结晶不是 相变。
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一、再结晶晶核的形成与长大
（一）形 核
1. 亚晶长大形核机制
弥散的第二相能提高再结晶温度。弥散度愈大，效
果愈好。如果第二相数量不多而且弥散度不大时，有可
能使再结晶温度降低。
5. 加热速度与保温时间
加热速度过于缓慢时，再结晶温度上升。但是，极 快的加热速度也会因在各温度下停留时间过短而来不及 形核与长大，也会致使再结晶温度升高。
在一定范围内延长保温时间会降低再结晶温度。
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2. 晶界凸出形核机制
对于变形程度较小（约小于40%）的金属，其再结晶 晶核常以晶界凸出方式形成，即应变诱导晶界移动或称 为晶界弓出形核机制。

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 • 储存能(P194)、退火（P194） • 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，如下图。
二、储存能及内应力的变化
• 特点（P206），右图为示 意图。
下图为Fe－Si箔材于1200℃退火后 的组织。
℃
三、再结晶退火后的组织
• （一）再结晶图 • 变形程度越大，则晶
粒越细；而退火温度 越高，则晶粒越粗大。 通常将晶粒大小、变 形程度和退火温度之 间的关系，绘制成立 体图形，称为“再结 晶图”。
• 右图为工业纯铝、工 业纯铁的再结晶图。
• 从图中的各条曲线不难看出，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 的程度随时间的延长而逐渐增加。
二、回复机制
• 回复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。
• 在低温回复时，主要涉及到空位的运动，结果使空位的密 度大大减少。
• 在较高温度回复时，主要涉及到位错的运动（下图）。
• （一）变形度 • 变形度对金属再结晶
晶粒大小的影响如右 图。 • 临界变形度（P202）
• （二）再结晶退火温度 • （三）原始晶粒尺寸
• 当变形度一定时，材料的原始晶粒度越细，则再 结晶后的晶粒也越细。（下图）
• （四）合金元素及杂质
第四节 晶粒长大
• 再结晶阶段刚刚结束时，得到的是无畸变的等轴 的再结晶初始晶粒。随着加热温度的升高或保温 时间的延长，晶粒之间就会互相吞并而长大，这 一现象称之为晶粒长大，或聚合再结晶。

• 动态回复 是金属在热变形中发生的一种软化过程。通过
位错的攀移、交滑移和位错从结点脱钉来实现的。 • 若把变形金属从稳定变形阶段迅速冷却后，取样
做电镜观察，发现拉长的晶粒内部出现了许多等 轴的亚晶粒。亚晶的出现，标志动态回复产生了。
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Lesson Four
• 动态再结晶 也是金属在热变形中发生的一种软化过程。
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13.11.2020
Lesson Four
• 由图中的曲线可以看出，当温 度一定时，变形程度越大，再 结晶后晶粒越小；当变形程度 一定时，温度越高，再结晶退 火以后的晶粒越大。在低变形 程度时出现一个晶粒尺寸非常 大的区，即是由于临界变形量 所造成的；当强烈冷变形且在 高温下退火时也会产生特别粗 大的晶粒。这是由于发生了二 次再结晶的缘故。为获得强度 高的细晶组织，在制定塑性加 工工艺时，就要避开临界变形 区和二次再结晶区。
其软化作用远大于动态回复。
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Lesson Four
• 该曲线在高应变速 度下，曲线迅速升 到一峰值，然后由 于动态再结晶的发 生而引起软化最后 接近于平稳态。在 低应变速度情况下， 应力应变曲线呈波 浪形。
发生动态再结晶的应力应变曲线
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Lesson Four
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Lesson Four
• 密度 变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧
增高，显然除与前期点缺陷数目减小有关 外，主要是在再结晶阶段中位错密度显著 降低所致。
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Lesson Four
• 储能的释放 当冷变形金属加热到足以引起应力松弛

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第七章 金属及合金的回复与再结晶
影响晶粒长大的因素
① 温度
② 杂质及合金元素 ③ 第二相质点
④ 相邻晶粒的位向差
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
二、晶粒的反常长大
晶粒的反常长大：经严重冷变形的金属，在较高温度退火时， 由少数晶粒优先长大，逐渐吞食周围的大 量小晶粒而形成的粗大晶粒的过程。
二次再结晶过程示意图
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
三、再结晶全图
再结晶全图：再结晶后的晶粒大小与变形程度及退火温 度之间的关系的空间图形。
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
3.影响再结晶温度的因素
① 金属的预变形度：金属的预变形度越大，再结晶温度就越低。 ② 金属的纯度： ③ 加热速度和保温时间： ④ 原始晶粒大小：
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
案例：铝板弹孔照片，其晶粒大小为何呈现如图所示样貌？
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
长大。
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
案例解释：
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第七章 金属及合金的回复与再结晶
② 原始晶粒尺寸：形变量一定时，原始晶粒尺寸越细小， 再结晶后晶粒越细小； ③ 合金元素及杂质：细化晶粒； ④ 变形温度：变形温度越高，再结晶后晶粒尺寸越大； ⑤ 退火温度：再结晶退火温度越高，再结晶后晶粒尺寸越大；
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。 高纯金属：T再＝(0.25~0.35)Tm。