第1页：第八章目录
第八章 回复与再结晶
- 8.1 冷变形金属在加热时的组织与性能变化：显微组织的变化、储存能的变化、性能的变化规律
- 8.2 回复：回复过程中微观结构的变化机制、回复动力学
- 8.3 再结晶：形核与长大、再结晶动力学曲线、再结晶温度及其影响因素、再结晶晶粒大小的控制、再结晶后的晶粒长大
- 8.4 金属的热加工：动态回复和动态再结晶、热加工后金属的组织与性能
第2页：显微组织的变化
8.1 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 8.1.1 显微组织的变化
冷变形金属在加热过程中，显微组织随温度升高依次发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化。
第3页：冷变形金属中的储存能变化
8.1.2 冷形变金属中的储存能的变化
冷变形金属中储存的畸变能在加热过程中逐步释放，是回复和再结晶过程的能量来源。
第4页：性能的变化规律
8.1.3 性能的变化规律
随加热温度升高，冷变形金属的强度硬度下降、塑性韧性恢复，同时电阻率等物理性能发生规律性变化。
第5页：回复过程中的微观结构变化
8.2 回复 8.2.1 回复过程中微观结构的变化机制
回复驱动力为形变储存能。
- 1. 低温回复：点缺陷的迁移
- 2. 中温回复：位错滑移导致位错重新组合
- 3. 高温回复：多边化。多边化的驱动来自应变能的下降。多边化产生的条件：（1）塑性变形使晶体点阵发生弯曲；（2）在滑移面上有塞积的同号刃型位错；（3）需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动
多晶体亚晶形成过程：多系滑移—位错缠结—位错胞—位错网—亚晶界。
第6页：回复动力学
（二）回复机制 （三）去应力退火 8.2.2 回复动力学
动力学曲线特点：
- （1）没有孕育期
- （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
第7页：回复退火的应用
回复退火的应用
- 1 回复机制与性能的关系
- 内应力降低：弹性应变基本消除；硬度、强度下降不多，因为位错密度降低不明显、亚晶较细；电阻率明显下降，因为空位减少、位错应变能降低。
- 2 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8页：再结晶的概念
8.3 再结晶
再结晶是一个显微组织重新改组、变形储存能充分释放、性能显著变化的过程，其驱动力为回复后未被释放的变形储存能。再结晶过程包括新晶粒的形核与长大。
应指出，由于再结晶并未改变相的结构与成分，故再结晶虽然引起组织重构但并不属于固态相变。
第9页：再结晶的形核
8.3.1 形核与长大：再结晶过程是形核和长大，但无晶格类型变化。
- 1. 形核
- 再结晶晶核是现存于局部高能区域内的，以多边化形成的亚晶为基础形核。其形核机制有：（1）晶界弓出形核（凸出形核机制）：对于变形度较小（＜20%）的金属，再结晶核多以这种方式，弓出形核时所需能量条件为 ΔEs≧2γ/L。（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，包括亚晶合并机制（变形度大且具有高层错能的金属）和亚晶迁移机制（变形度大而层错能低的金属）。
第10页：再结晶晶核的长大
2. 长大
再结晶晶核是依靠晶界的迁移而长大的。以弓出方式形成的晶核，当 r＞rc 便会借助于界面向高畸变区域长大。以亚晶迁移机制形成的晶核，一旦形成大角度晶界就可迅速移动，扫除其遇到的位错，留下无应变的晶体。
晶界迁移的驱动力为新、旧晶粒之间的自由能差，迁移方向总是背向曲率中心、向着畸变区推进，直到完全形成无畸变晶粒。
第11页：再结晶动力学曲线
8.3.2 再结晶动力学曲线
再结晶动力学取决于形核率 N 和长大速率 G 的大小。再结晶动力学曲线表示 T—φR—τ 关系曲线，其特点：
- （1）恒温动力学曲线呈"S"形
- （2）有一孕育期
- （3）等温下，再结晶速度呈现"慢、快、慢"的特点
第12页：再结晶温度的经验公式
8.3.3 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（再结晶体积分数＞95%）的最低温度。
再结晶温度与熔点的经验关系| 材料类别 | 再结晶温度 T再 |
|---|
| 高纯金属 | （0.25～0.35）Tm |
|---|
| 工业纯金属 | （0.35～0.45）Tm |
|---|
| 合金 | （0.4～0.9）Tm |
|---|
注：再结晶退火温度一般比上述温度高 100～200℃。
第13页：一些金属的再结晶温度
一些金属的再结晶温度。
说明：源文件此页的数值表为图片形式，未提取到具体文字，建议对照原图补充。
第14页：影响再结晶温度的因素
影响再结晶温度的几个因素
- 1. 变形程度：变形度增大，开始 TR 下降，等温退火再结晶速度越快；而大到一定程度，TR 趋于稳定
- 2. 原始晶粒尺寸：其它条件相同时，金属原始晶粒细小则 TR 越低，同时形核率和长大速度均增加，有利于再结晶
- 3. 微量溶质原子：一方面以固溶状态存在会产生固溶强化作用，另一方面溶质原子偏聚于位错和晶界处起阻碍作用，总体上起阻碍作用，使 TR 提高
- 4. 第二相粒子：作用两方面，主要取决于分散相粒子大小与分布。粒子尺寸较大、间距较宽（＞1微米）促进再结晶；粒子尺寸较小且密集分布时阻碍再结晶形成
- 5. 退火工艺参数：加热速度过于缓慢或极快时 TR 上升；当变形程度和保温时间一定，退火温度越高再结晶速度越快；在一定范围内延长保温时间，TR 降低
第15页：再结晶晶粒大小的控制
8.3.4 再结晶晶粒大小的控制
影响再结晶后晶粒大小的因素：
- 1. 变形程度的影响
- 变形度很小时晶粒尺寸为原始晶粒尺寸；临界变形度（critical deformation degree）εc 时晶粒特别粗大，一般金属 εc＝2～8%；当变形度大于 εc 时，随变形度增加晶粒逐渐细化。
- 2. 退火温度
- T 升高，再结晶速度快，εc 值变小。
- 3. 原始晶粒尺寸
- 当变形度一定时，原始晶粒越细，D 越小。
- 4. 微量溶质原子和杂质元素
- 一般都能起细化再结晶晶粒的作用。
第16页：冷变形钢板焊缝区的组织与强度
冷变形钢板焊缝区的组织和强度。
第17页：再结晶的应用
再结晶的应用
- 恢复变形能力
- 改善显微组织
- 再结晶退火消除各向异性
- 提高组织稳定性
再结晶温度：T再＋100～200℃。
第18页：再结晶后的晶粒长大
8.3.5 再结晶后的晶粒长大
再结晶结束后，材料的晶粒一般比较细小（等轴晶），若继续升温或延长保温时间，晶粒会继续长大，晶粒长大是一个自发过程，其驱动力来自总的界面能的降低。根据再结晶后晶粒长大特点，分为：
- （1）正常晶粒长大：均匀长大
- （2）异常晶粒长大：不均匀长大，又称二次再结晶；把通常说的再结晶称为一次再结晶
第19页：晶粒长大的影响因素
影响因素
- （1）温度：T 升高，晶粒长大速度也越快，越易粗化，平均晶粒直径与温度存在确定关系
- （2）分散相微粒：当合金中存在第二相微粒时，粒子对晶界的阻碍作用使晶粒长大速度降低。正常长大停止时晶粒平均尺寸称为极限平均晶粒尺寸，其大小决定于分散相粒子的尺寸及所占的体积分数。当体积分数 φ 一定、粒子半径 r 越小时，极限平均晶粒尺寸越小。利用分散微粒阻碍高温下晶粒长大已广泛应用于金属和非金属材料中，如钢中加入 V、Ti、Nb 等形成 TiN、TiC、VC、NbC、VN、NbN 等粒子有效阻碍高温下钢的晶粒长大；在陶瓷烧结中也常利用分散相微粒防止晶粒粗化
- （3）晶粒间位向差：一般小角度晶界或具有孪晶结构的晶界迁移速度很小，大角度晶界迁移速度一般较快
- （4）杂质与微量元素：阻碍晶界的迁移
第20页：晶粒异常长大
晶粒异常长大（二次再结晶、不连续晶粒长大）
- 1. 驱动力：来自总界面能的降低
- 2. 长大方式：少数晶粒突发性地迅速粗化，使晶粒间的尺寸差别显著增大，不需重新形核
- 3. 条件：组织中存在使大多数晶粒边界比较稳定或被钉扎而只有少数晶粒边界易迁移的因素，包括（1）再结晶后组织中有细小弥散的第二相粒子起钉扎作用；（2）再结晶后形成再结晶织构，晶粒位向差小，晶界迁移率小；（3）若金属为薄板，则在一定的加热条件下有热蚀沟出现钉扎位错；（4）再结晶后产生了组织不均匀现象，存在个别尺寸很大的晶粒
第21页：冷加工与热加工
8.4 金属的热加工
- 冷加工
- 在再结晶温度以下的变形加工。
- 热加工
- 在再结晶温度以上的变形加工。
第22页：动态回复和动态再结晶
8.4.1 动态回复和动态再结晶
若提高金属变形的温度，使金属在热变形的同时也发生回复和再结晶，这种与金属变形同时发生的回复与再结晶称为动态回复和动态再结晶。
第23页：动态回复的应力应变曲线
（一）动态回复 1. 动态回复时的真实应力—真实应变曲线
- 第Ⅰ阶段—微应变阶段：应力增加很快，但应变量不大（小于1%），加工硬化开始出现
- 第Ⅱ阶段—均匀变形阶段：金属材料开始均匀塑性变形。伴随加工硬化作用的加强，开始出现动态回复并逐渐加强，其造成的软化逐渐抵消加工硬化作用，使曲线的斜率下降并趋于水平
- 第Ⅲ阶段—稳态流变阶段：由变形产生的加工硬化与动态回复产生的软化达到动态平衡，流变应力不再随应变的增加而增大，曲线保持水平状态。达到稳态流变时应力值与变形温度和应变速率有关，增高变形温度或降低应变速率都将使稳态流变应力降低
第24页：
本页源文件未提取到文字内容，仅有图片（源文件仅残留章节页脚）。建议对照原课件图片补充本页要点说明。
第25页：动态回复时的组织变化
2. 动态回复时的组织变化
（1）位错密度：第Ⅰ阶段位错密度由退火态的低值增高；第Ⅱ阶段位错密度升高，但因动态回复的出现位错消失率也增大；第Ⅲ阶段位错的增殖率和消失率达到平衡，位错密度维持恒定。
说明：源文件此页的位错密度数值写作"10～10㎝²"，指数与单位均有缺失，未作推测性还原，建议对照原图补充。
（2）组织变化：动态回复过程随变形的进行，金属中的晶粒延伸成纤维状，而通过多边化或位错胞规整化形成大量的亚晶组织始终保持等轴状。亚晶的尺寸及相互间位向差取决于金属类型、形变温度和应变速率，亚晶平均直径 d 与 T、ε 的关系为 1/d＝a＋b·log［ε·exp（Q/RT）］，a、b 为常数。
动态回复所获得的亚稳组织可通过热变形后的迅速冷却而保留下来，其强度远远高于再结晶组织的强度；但若从高温缓冷下来，则将发生静态再结晶。动态回复组织已成功地应用于提高建筑合金挤压型材的强度方面。
第26页：动态回复与动态再结晶示意图
动态回复和动态再结晶示意图。
第27页：动态再结晶的应力应变曲线
（二）动态再结晶 1. 动态再结晶的应力应变曲线
如图为金属在一定温度下以不同应变速率变形并发生动态再结晶时的 σ—ε 曲线，曲线分成三个阶段：
- 第一阶段—加工硬化阶段：应力随应变上升很快，金属出现加工硬化（0＜ε＜εc）
- 第二阶段—动态再结晶开始阶段：应变达到临界值 εc，动态再结晶开始，其软化作用随应变增加而上升的幅度逐渐降低，当 σ＞σmax 时动态再结晶的软化作用超过加工硬化，应力随应变增加而下降（εc＜ε＜εs）
- 第三阶段—稳定流变阶段：随真应变的增加，加工硬化和动态再结晶引起的软化趋于平衡，流变应力趋于恒定。但当 ε 以低速率进行时曲线出现波动，其原因主要是位错密度变化慢引起
第28页：
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第29页：动态再结晶组织
2. 动态再结晶组织
动态再结晶在应变速率较低时通过晶界弓出形核，在应变速率较高时以亚晶合并长大方式形核，其长大是通过新形成的大角度晶界及随后移动的方式进行。其特点：反复形核、有限长大。
动态再结晶的晶粒为等轴晶粒组织，晶粒较为细小，其尺寸取决于应变速率和变形温度。由于具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具有较高的强度和硬度。
第30页：热加工后金属的组织与性能
8.4.2 热加工后金属的组织与性能
- 1. 改善铸造状态的组织缺陷，提高材料的致密性和力学性能
- 2. 热变形形成流线，出现各向异性。流线指动态再结晶形成等轴晶粒而夹杂物（或第二相）仍沿变形方向呈流动状的纤维组织，顺流线方向比横向具有更高的力学性能
- 3. 形成带状组织
- 4. 控制热加工工艺，以获得细小的晶粒组织
