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1、8.2 回复与再结晶回复与再结晶112/11晶粒组织晶粒组织 位错亚结构位错亚结构 缺陷密度缺陷密度 残余应力残余应力畸变能升高，使材料处于热力学不稳定的高自由畸变能升高，使材料处于热力学不稳定的高自由能状态。能状态。经塑性变形的材料具有自发恢复到变形前低自由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。能状态的趋势。塑性变形塑性变形组织、应力、能量状态、性能组织、应力、能量状态、性能8.2.1 冷变形金属在加热时的组织与性能变化冷变形金属在加热时的组织与性能变化28.2.1.1 显微组织的变化显微组织的变化组织无变化，亚结组织无变化，亚结构、性能变化构、性能变化无畸变等轴新晶粒无畸
2、变等轴新晶粒取代变形组织过程取代变形组织过程再结晶后晶粒再结晶后晶粒长大长大(1)强度与硬度：回复时变形金强度与硬度：回复时变形金属位错密度很高，再结晶后位错属位错密度很高，再结晶后位错密度显著降低。密度显著降低。(2)电阻：点缺陷所引起的点阵电阻：点缺陷所引起的点阵畸变会使传导电子产生散射，提畸变会使传导电子产生散射，提高电阻率。退火使缺陷密度降低，高电阻率。退火使缺陷密度降低，则电阻率下降。则电阻率下降。(3)内应力：回复阶段消除大部内应力：回复阶段消除大部或全部的宏观内应力，而微观内或全部的宏观内应力，而微观内应力则只有通过再结晶方可消除。应力则只有通过再结晶方可消除。(4)亚晶粒尺寸：
3、亚晶粒尺寸在亚晶粒尺寸：亚晶粒尺寸在回复前期变化不大，接近再结晶回复前期变化不大，接近再结晶时显著增大。时显著增大。(5)密度：密度在再结晶阶段急密度：密度在再结晶阶段急剧增高，除与前期点缺陷数目减剧增高，除与前期点缺陷数目减小有关外，主要是在再结晶阶段小有关外，主要是在再结晶阶段中位错密度显著降低所致。中位错密度显著降低所致。(6)储能的释放：回复时释放的储能的释放：回复时释放的储存能较小，再结晶晶粒出现的储存能较小，再结晶晶粒出现的温度对应于储能释放曲线的高峰温度对应于储能释放曲线的高峰38.2.1.2 性能的变化性能的变化8.2.2.1 回复动力学回复动力学8.2.2 回复回复4R为屈服
4、强度回复率为屈服强度回复率R=(m-r)(m-0)其中其中mr0分别代表变形后分别代表变形后(回复前回复前)，回复后和完，回复后和完全退火后全退火后(变形前变形前)的屈服强度。的屈服强度。回复时剩余应变硬化分数回复时剩余应变硬化分数(1-R)(1-R)愈小，即愈小，即R愈大，则表示回复程度愈大。愈大，则表示回复程度愈大。冷变形金属退火时，显微组织和力学性能无明显变化，内冷变形金属退火时，显微组织和力学性能无明显变化，内应力大幅度下降，此过程为回复应力大幅度下降，此过程为回复5(1)初期的回复速率很初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，大，随后即逐渐变慢，直到趋近于零，温度直到趋近于零，温度升高，
5、起始回复速率升高，起始回复速率加快；加快；(2)每一温度的回复程每一温度的回复程度有一极限值，退度有一极限值，退火温度愈高，极限值火温度愈高，极限值也愈高，达到此极限也愈高，达到此极限值所需时间缩短；值所需时间缩短；(3)预变形量愈大，起预变形量愈大，起始的回复速率愈快；始的回复速率愈快；(4)晶粒尺寸减小有利晶粒尺寸减小有利于回复过程的加快。于回复过程的加快。(5)无孕育期无孕育期回复动力学特点回复动力学特点56回复特征可用一级反应方程来表达：回复特征可用一级反应方程来表达：t为恒温下的加热时间；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；为冷变形导致的性能增量经加热后的
6、残留分数；c为与材料和温度有关的比例常数；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，可由著名的值与温度的关系具有典型的热激活过程的特点，可由著名的阿累尼乌斯阿累尼乌斯(Arrhenius)方程来描述：方程来描述：式中，式中，Q为激活能；为激活能；R为气体常数；为气体常数；T为绝对温度；为绝对温度；C0为比例常数。为比例常数。将将(5.18)式代入式代入(5.17)一级反应方程中并积分，得一级反应方程中并积分，得(8.17)(8.18)7式中，式中，A为常数。作为常数。作lnt-1T图，如为直线，则由直线斜图，如为直线，则由直线斜率可求得回复过程的激活能。率可求得
7、回复过程的激活能。x0表示开始时性能增量的残留分数表示开始时性能增量的残留分数在不同温度下，如以回复到相同程度作比较，此时上式的左在不同温度下，如以回复到相同程度作比较，此时上式的左边为一常数，两边取对数，可得边为一常数，两边取对数，可得实验表明，冷变形铁有不同的激活能值实验表明，冷变形铁有不同的激活能值短时间回复时激活能与空位迁移能相近短时间回复时激活能与空位迁移能相近长时间回复时激活能与自扩散激活能相近长时间回复时激活能与自扩散激活能相近 回复机制不是单一的回复机制不是单一的(8.19)8.2.2.2 回复机制回复机制低温回复低温回复点缺陷迁移点缺陷迁移、点缺陷密度降低；、点缺陷密度降低；
8、点缺陷迁移至表面或晶界点缺陷迁移至表面或晶界 空位与间隙原子结合空位与间隙原子结合 点缺陷与位错交互作用，使位错攀移点缺陷与位错交互作用，使位错攀移 空位聚集成空位片并崩塌成位错环空位聚集成空位片并崩塌成位错环中温回复中温回复位错滑移位错滑移运动和重新分布，亚结构变化；运动和重新分布，亚结构变化；同一滑移面上异号位错相互吸引而抵消同一滑移面上异号位错相互吸引而抵消 位错偶极子的两根位错线相消位错偶极子的两根位错线相消812/11高温回复高温回复 位错滑移位错滑移、攀移攀移形成形成多边化结构多边化结构9多边化过程的驱动力多边化过程的驱动力应变能的下降应变能的下降多边化过程产生的条件多边化过程产生
9、的条件塑性变形使点阵弯曲；滑移面塑性变形使点阵弯曲；滑移面上有同号刃型位错塞积；温度较高使位错攀移上有同号刃型位错塞积；温度较高使位错攀移刃型位错滑移攀移产生结果：刃型位错滑移攀移产生结果：（1）使滑移面上不规则的位错重新分布，刃型位）使滑移面上不规则的位错重新分布，刃型位错垂直排列成墙，显著降低位错的弹性畸变能，错垂直排列成墙，显著降低位错的弹性畸变能，此温度范围内有较大的应变能释放。此温度范围内有较大的应变能释放。（2）形成沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取）形成沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙向差的位错墙(小角度亚晶界小角度亚晶界)，以及由此所产生，以及由此所产生的亚晶，即
10、多边化结构的亚晶，即多边化结构。9stope8.2.3 再结晶再结晶 冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，性能发形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，性能发生明显的变化并恢复到变形前的水平，这个过生明显的变化并恢复到变形前的水平，这个过程称之为程称之为再结晶再结晶。再结晶是显微组织重构的过程，非相变过程。再结晶是显微组织重构的过程，非相变过程。再结晶的驱动力再结晶的驱动力是变形金属经回复后未被释放是变形金属经回复后未被释放的储存能的储存能(相当于变形总储能的相当于变形总储能的90)。108.2.3.1 再结晶过程再结晶过
11、程 形核与长大形核与长大a 形核形核 以多边化形成的亚晶为基础形核以多边化形成的亚晶为基础形核11(1)晶界弓出晶界弓出形核机制形核机制变形量小于变形量小于20%的金属的金属12对一个任意曲面，可定义对一个任意曲面，可定义两个主曲率半径两个主曲率半径r1、r2，当这个曲面移动时，有当这个曲面移动时，有若该曲面为一球面，若该曲面为一球面，则则r1=r2=r，而，而设设dV为弓出的晶界由位置为弓出的晶界由位置I移到移到 位置位置时扫过的体积；时扫过的体积；dA为其表面积；为其表面积；G为由此而引起的单位体积为由此而引起的单位体积总的自由能变化；总的自由能变化；为晶界的表面能；为晶界的表面能；Es为
12、冷变形晶粒中单位体积为冷变形晶粒中单位体积的储存能；的储存能；假定晶界扫过体积的储存能全部释放，则晶界弓出时单位体假定晶界扫过体积的储存能全部释放，则晶界弓出时单位体积的自由能变化为积的自由能变化为晶界弓出形核的能量条件晶界弓出形核的能量条件即即晶界弓出形核时再结晶核心保持初始亚晶取向晶界弓出形核时再结晶核心保持初始亚晶取向13 CC（a）亚晶迁移机制亚晶迁移机制14(2)亚晶形核机制亚晶形核机制变形量很大、层错能低的金属中以此机制形核变形量很大、层错能低的金属中以此机制形核网络位错结构，位错密度较高的亚晶界，其两侧亚晶的网络位错结构，位错密度较高的亚晶界，其两侧亚晶的位向差较大，在加热过程中
13、容易发生界面迁移（通过位位向差较大，在加热过程中容易发生界面迁移（通过位错滑移、迁移）并逐渐变为大角晶界，可作为再结晶核错滑移、迁移）并逐渐变为大角晶界，可作为再结晶核心长大，心长大，再结晶核心保持初始亚晶取向再结晶核心保持初始亚晶取向。1415(2)亚晶形核机制亚晶形核机制（b）亚晶合并机制亚晶合并机制胞状亚结构，相邻亚晶界上的位错网络拆散，胞状亚结构，相邻亚晶界上的位错网络拆散，位错攀移与滑移位错攀移与滑移，位错逐渐转移到周围其他亚晶界，导致相邻亚晶边界的消失和位错逐渐转移到周围其他亚晶界，导致相邻亚晶边界的消失和亚晶的合并。亚晶的合并。合并后的亚晶取向改变合并后的亚晶取向改变，尺寸增大，
14、亚晶界上位，尺寸增大，亚晶界上位错密度增加，相邻亚晶的位向差增大，逐渐转化为大角度晶界。错密度增加，相邻亚晶的位向差增大，逐渐转化为大角度晶界。变形量大、层错能高的金属中，多以此机制形核。变形量大、层错能高的金属中，多以此机制形核。b 长大长大再结晶晶核长大方式再结晶晶核长大方式：界面迁移：界面迁移界面迁移推动力界面迁移推动力：无畸变的新晶粒与周围畸变的母体：无畸变的新晶粒与周围畸变的母体(即即旧晶拉旧晶拉)之间的应变能差之间的应变能差界面迁移方向界面迁移方向：背离其曲率中心，向畸变区推进：背离其曲率中心，向畸变区推进二维晶粒的稳定形状：正六边形二维晶粒的稳定形状：正六边形168.2.3.2
15、再结晶动力学再结晶动力学17动力学曲线特点动力学曲线特点再结晶速率再结晶速率(1)有孕育期；有孕育期；(2)再结晶开始时的速度很慢，随之再结晶开始时的速度很慢，随之逐渐加快，至再结晶体积分数约逐渐加快，至再结晶体积分数约50时速度达到最大，之后又逐渐变慢；时速度达到最大，之后又逐渐变慢；(3)温度升高，孕育期缩短。温度升高，孕育期缩短。假定均匀形核、晶核为球形，假定均匀形核、晶核为球形，N和和G不随时间而改变的情不随时间而改变的情况下，在恒温下经过况下，在恒温下经过t时间后，已再结晶的体积分数用约时间后，已再结晶的体积分数用约翰逊翰逊-梅厄方程表示为：梅厄方程表示为：再结晶动力学决定于再结晶动
16、力学决定于形核率形核率N和和长大速率长大速率G18恒温再结晶时的恒温再结晶时的形核率形核率随时间的增加呈指数关系衰减的，随时间的增加呈指数关系衰减的，故通常采用阿弗拉密方程进行描述，即故通常采用阿弗拉密方程进行描述，即或或(8.25)(8.26)A为常数；为常数；Q为再结晶的激活能；为再结晶的激活能；R为气体常数，为气体常数，T为绝对温度。为绝对温度。对上式两边取对数得对上式两边取对数得19(8.28)(8.27)做做ln(1/t)-1/T图，其直线的斜率为图，其直线的斜率为K=-Q/R，求出，求出再结晶激活能再结晶激活能Q20同样程度再结晶时由同样程度再结晶时由(8.27)式，有式，有(8.
17、29)冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度再结晶温度用金相法或硬度法测定用金相法或硬度法测定:以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度以硬度下降以硬度下降50所对应的温度再结晶温度所对应的温度再结晶温度工业生产中则通常以经过大变形量工业生产中则通常以经过大变形量(70以上以上)冷变形金属，冷变形金属，经经1h退火能完成再结晶退火能完成再结晶(95)所对应的温度定为再结所对应的温度定为再结晶温度。晶温度。218.2.3.3 再结晶温度及其影响因素再结晶温度及其影响因素再结晶温度再结晶温度（1）变形程度的影响）变形程度的
18、影响22变形程度增加变形程度增加 储存能增多储存能增多 再结晶驱动力增大再结晶驱动力增大 再结再结晶温度降低，再结晶速度加晶温度降低，再结晶速度加快，形核率增加，快，形核率增加，23原始晶粒越细小则变形抗力越大，冷变形后储存能原始晶粒越细小则变形抗力越大，冷变形后储存能量较高，再结晶温度较低。量较高，再结晶温度较低。细晶粒金属的再结晶形核率细晶粒金属的再结晶形核率N和长大速率和长大速率G均增加，均增加，形成的新晶粒更细小，再结晶温度降低。形成的新晶粒更细小，再结晶温度降低。（2）原始晶粒尺寸）原始晶粒尺寸24第二相粒子的大小、分布影响再结晶第二相粒子的大小、分布影响再结晶当第二相粒子尺寸较大，
19、间距较宽当第二相粒子尺寸较大，间距较宽(大于大于1um)时，再结晶时，再结晶核心能在其表面产生，促进基体金属的再结晶。核心能在其表面产生，促进基体金属的再结晶。当第二相粒子尺寸很小当第二相粒子尺寸很小(100nm)且较密集时，粒子钉扎且较密集时，粒子钉扎界面，阻碍（亚）晶界迁移，形核与长大速率下降，阻界面，阻碍（亚）晶界迁移，形核与长大速率下降，阻碍再结晶的进行。碍再结晶的进行。（3）第二相粒子）第二相粒子（4）微量溶质原子）微量溶质原子25 溶质原子倾向于在位错及晶界处偏聚，对位错的溶质原子倾向于在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移和晶界的迁移起着阻碍作用，不利于再结晶滑移和晶界的迁移起着阻碍作
20、用，不利于再结晶的形核和长大，阻碍再结晶过程，故微量溶质原的形核和长大，阻碍再结晶过程，故微量溶质原子提高再结晶温度。子提高再结晶温度。26 加热速度过于缓慢时，变形金属在加热过程中有足加热速度过于缓慢时，变形金属在加热过程中有足够的时间进行回复，使点阵畸变度降低，储能减小，够的时间进行回复，使点阵畸变度降低，储能减小，使再结晶驱动力减小，再结晶温度上升。使再结晶驱动力减小，再结晶温度上升。加热速度极快时，因在各温度下停留时间过短而来加热速度极快时，因在各温度下停留时间过短而来不及形核与长大，致使再结晶温度升高。不及形核与长大，致使再结晶温度升高。当变形程度和退火保温时间一定时，退火温度愈高，
21、当变形程度和退火保温时间一定时，退火温度愈高，再结晶速度愈快，产生一定体积分数的再结晶所需要再结晶速度愈快，产生一定体积分数的再结晶所需要的时间也愈短，再结晶后的晶粒愈粗大。的时间也愈短，再结晶后的晶粒愈粗大。在一定范围内延长保温时间会降低再结晶温度。在一定范围内延长保温时间会降低再结晶温度。（5）再结晶退火工艺参数）再结晶退火工艺参数278.2.3.4 再结晶后晶粒大小及其影响因素再结晶后晶粒大小及其影响因素27运用约翰逊运用约翰逊梅厄方程，可以证明再结晶后晶粒尺梅厄方程，可以证明再结晶后晶粒尺寸寸d与形核率与形核率N和长大速率和长大速率G之间存在着下列关系之间存在着下列关系 （8.30)（1）变形量变形量临界变形度临界变形度 变形量不大，变形量不大，N/G值很小，值很小，故故d粗大粗大大于临界变形度，随着变形量增大于临界变形度，随着变形量增加，加，N迅速增大，迅速增大，N/G变大，变大，d细化细化28（2）退火温度）退火温度温度升高，临界变形温度升高，临界变形度减小。度减小。温度升高，再结晶晶温度升高，再结晶晶粒粗化。粒粗化。原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸 杂质含量杂质含量