ppt7 第七章回复和再结晶

A
C
B
AB C
ABC
（3）亚晶长大形核
对于层错能低的金属，扩展位错宽而不易于束集，因 而不能通过攀移和交滑移转移。某些取向差较大的亚晶界 具有较高的移动性，在加热过程中发生迁移并吸收更多的 位错，并转渐变为大角度晶界，而晶界扫过区域为无畸变 区域，成为再结晶核心。
7.3.2 再结晶动力学
再结晶动力学特点
若D >> D0，则
D2 =α⋅t
a.退火温度的影响
dD dt
=
m0 exp(−Q /
RT ) ⋅
2γ b
D
72
晶粒平均长大速
60
D 2 = k exp(−Q / RT )t
700℃
48
率与 exp(−Q / RT ) 36
成正比，所以温
24
2
Dt
/108cm
650℃ 600℃
度越高，晶粒长
12
550℃
假定再结晶形核率N和长大速率G与时间无关，并均匀形 核，晶核为球形，则再结晶体积分数与时间的关系为
ϕR
=
1−
− exp(
πNG 3t 4
3
)
—
— Johnson
-
Mehl方程
上述的假设不易满足，为此采用下式进行描述
ϕ R = 1 − exp(−Bt k ) — —Avrmi方程
或
lgln 1 = lnB + klgt
加热速度过快，因来不及形核和长大，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。
7.3.4 再结晶后的晶粒大小
再结晶后晶粒直径d与形核率和长大速率的关系 d = 常数 ⋅ ( G )1/4 N
所以，影响（N/G）值的因素均影响再结晶后的晶粒大小。
a. 变形度的影响
临界变形度 ——能够发生再结晶的最低变形量。
变形量低于临界变 形度，形变储能太小， 不足以驱动再结晶，只 能发生回复；
变形量大于临界变 形度后，随形变量增 加 ， N/G 增 加 ， 再 结 晶 后晶粒细化。
晶粒尺寸
原始晶粒尺寸 临界变形度
变形量
b. 退火温度的影响
再结晶刚完 成时，晶粒尺 寸主要取决于 变形量，而与 退火温度关系 不大，如图所 示。
d. 第二相粒子
①变形时阻碍位错运动，增加形变储能(位错密度)。 作用
②再结晶时阻碍位错运动和晶界迁移，抑制再结晶。
细小弥散的第二相粒子： 阻碍位错运动和晶界迁 移，抑制再结晶。 粗大的第二相粒子： 其周围时高位错密度的 形变区，为形核提供有 利位置，促进再结晶。
e. 再结晶退火工艺参数
加热速度过慢，再结晶之前有足够时间回复，形变储能 减小，再结晶驱动力降低，使再结晶温度升高；
晶
晶
同，再结晶晶核往往采取晶界弓出形
粒
粒
核机制生成。
A
B
设晶界由虚线位置迁移到实线位置，扫过的体积为dV，晶界面积变
化为dA，晶界表面能为γ，单位体积形变储能为Es，则单位体积自由能变
化为
ΔG
=
−Es
+
γ
⋅
dA dV
；
设弓出的晶界为球面，则
dA dV
=
d(4πr 2 ) d(4πr 3 / 3)
=
再结晶体积分数/%
与回复不同，在结晶动力学曲线呈“S”形。
① 再结晶速度先慢后快，转变50%时达最快，然后减慢；
②有孕育期； 100
③温度升
80
高，再结
60
晶速度加
40
快。
20
119.0℃
102.2℃
135.2℃
112.6℃
88.2℃
0
0
10
100
1000
时间/min
98%冷轧纯铜再结晶动力学曲线
再结晶动力学方程
所以 Fmax = rπγ b
球形粒子
θ
r
晶界 迁移方向
γb
γ b sinθ
接触线
l = 2π ⋅ r cosθ γ b sinθ
γb
② 单位面积晶界所受的阻力：单位面积粒子数×Fmax
设粒子的体积分数为ϕ ，则单位
面积上的粒子数为
2r ⋅ϕ = 3ϕ 4 π ⋅ r 3 2π ⋅ r 2
3 单位面积晶界所受最大迁移阻力为
再结晶
通过形核及 长大形成新的无 畸变等轴晶粒， 结构不变
晶粒长大
晶粒进 一步长大
位错密度大大 降低
无变化
强度大为降
低，塑性大为提 高，内应力完全 消除，电阻率降 至形变前
强度
有所降 低，塑性 先升后降
7.2 回复
——物理、力学性能部分恢复到冷变形前状态的过程。
位错缠结 形成位错胞 胞内位错对消 形成亚晶 亚晶长大
偶极子(异号位错)
b
b b
c.高温回复 (T≈0.3Tm) ——形成亚晶（多边形化）
通过攀移形成亚晶 通过位错反应形成亚晶
驱动力：位错应变能的降低
过程：攀移（扩散）
多晶体（多滑移）： 胞状亚结构 滑移 异号位 错对消 滑移、攀移 形成亚 晶界（位错网络）网络合并 亚晶长大
滑移 攀移
7.2.3 回复退火的应用
第七章 回复和再结晶
RECOVERY AND RECRYSTALLIZATION
冷变形金属加热时组织和性能的变化 冷变形金属的回复 冷变形金属的再结晶 再结晶后的晶粒长大 再结晶织构与退火孪晶
7.1 冷变形金属在加热时的组织与性能变化
形变储能（热力学不稳定）加热 一系列组织、性能的变化
变化的三个阶段
Q—回复激活能
RT
t—回复一定程度所需时间。
7.2.2 回复机制
a.低温回复
——过量点缺陷消失： ①迁移至晶界或表面 ②与位错交互作用 ③空位与间隙原子对消 ④聚集成片并崩塌形成位错环
b.中温回复
——位错滑移
①相同滑移面上的异号为错对消
②相邻滑移面的异号位错形成空位或间隙原子
③位错偶极子对消
④位错重新分布
Fmax
⋅
3ϕ 2π ⋅ r 2
=π
⋅ rγ b
⋅
3ϕ 2π ⋅ r 2
2r S=1
即
fmax
=
3ϕ ⋅ γ b
2r
③ 晶粒长大的极限尺寸：
当晶界迁移的驱动力 2γ b / R(即D) = 最大阻力时，晶
令ϕR为一确定值，并对上式取对数，则
ln 1 = A′ − Q
t
RT
发生一定量再结晶所需时间与温度的关 系。利用该式可求再结晶激活能Q：作 ln(1/t)-1/T 图 ， 直 线 的 斜 率 即 (-Q/R) 值 。
分别在T1和T2温度进行相同程度的再结晶，则
−Q( 1 − 1 )
t = e 1
R T2 T1
p = 2γ b
R
R －晶界平均曲率半径
γ
－晶界表面张力
b
晶界平均迁移速度为
v = m ⋅ p = m ⋅ 2γ b ≈ dD
R dt 其中，m = m0 exp(−Q / RT )
式中，m －晶界平均迁移率； dD/dt－晶粒平均长大速度； Q－晶界迁移（原子扩散 通过晶界）激活能。
令R = D， (R — 晶界的平均曲率半径 ) 则
7.3.1 再结晶过程
① 形核 ② 长大
驱动力是形变储能而非自由能差 与固态相变的主要区别 无热力学平衡转变点
不改变晶体结构
a. 形 核
晶
晶
粒
粒
根据形变量不同和材料差异，有以
A
B
下形核机制。
（1）晶界弓出形核
晶
晶
粒
粒
A
B
对于变形程度较小的金属（一般
小于20%），晶粒间变形不均匀，形
变储能（位错密度或亚晶尺寸）不
开始再结晶温度/℃
10
8
6
电解铁 4
铝(wAl=99%) 2
00
20 40 60 80 100
变形度/%
b. 原始晶粒尺寸
原始晶粒越细 ① 形变储能（位错密度）越高 ② 形核位置（晶界）越多
再结晶温度降低
c. 微量溶质（杂质）原子
溶质（杂质）原子：与位错和晶界交互作用，阻碍位 错的滑移和攀移及晶界的迁移，因而阻碍再结晶的形核和 长大，显著提高再结晶温度。
晶粒尺寸/mm
0.4
700℃
600 ℃
0.3
500 ℃
450 ℃
0.2
400 ℃
0.1
临界变形度
0.0
0
10
20
30
40
形变率%
α黄铜再结晶终了晶粒尺寸和变形量的关系
在相同的形变量 的条件下，若给定退 火时间，则晶粒尺寸 随退火温度增加而增 加，这是再结晶后晶 粒长大的结果。
随温度升高，临 界变形度降低。
回复
再结晶
晶粒长大
加热温度或保温时间
性能、晶粒大小及内应力
内应力 硬度
回复
电阻率
再结晶
晶粒长大
亚晶尺寸 密度
储能释放
温度 冷变形金属加热时组织、性能变化示意图
回
复
显微组织 无明显变化
亚结构
点缺陷密
度有所降低， 位错密度有所 降低且重新分 布形成亚晶
强度略率
下降，塑性略 性 能 提高，内应力
基本消除，电 阻率明显降低
实际生产中应避 开临界变形度。一般 金属的临界变形度约 为2%～10%。
单位面积中的晶粒数 晶粒度
1
1
2 790