材料科学基础－第六章-金属及合金的回复与再结晶.ppt

1、主要内容：主要内容：l 冷变形金属在加热时的组织和性能变化l 回复l 再结晶l 晶粒长大l 金属的热加工冷变形金属在不同加热温度时冷变形金属在不同加热温度时组织和性能的变化组织和性能的变化第六章 金属及合金的回复与再结晶6.1 6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化冷变形金属在加热时的组织和性能变化第一节冷变形金属在加热时的组织和性能变化第一节冷变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后，组织处于亚稳金属经冷变形后，组织处于亚稳定状态，有自发恢复到变形前状态定状态，有自发恢复到变形前状态的倾向。但在常温下，原子扩散能的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，亚稳定状态可以维持相当长力小，亚

2、稳定状态可以维持相当长时间。加热可以增加原子扩散能力时间。加热可以增加原子扩散能力, ,金属将依次发生回复、再结晶和晶金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。与此同时，变形金属的组粒长大。与此同时，变形金属的组织与性能也发生相应的变化。织与性能也发生相应的变化。回复和再结晶的驱动力：回复和再结晶的驱动力：冷变形后保留在金属内部的畸变冷变形后保留在金属内部的畸变能，或称储存能。能，或称储存能。一、显微组织的变化一、显微组织的变化第六章 金属及合金的回复与再结晶6.1 6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化冷变形金属在加热时的组织和性能变化轴小晶粒，并随时间的延长不断长大，直至伸长的晶粒完全转变

3、为新的等轴轴小晶粒，并随时间的延长不断长大，直至伸长的晶粒完全转变为新的等轴晶粒为止。晶粒为止。3.3.晶粒长大阶段晶粒长大阶段再结晶过程中形成的等轴晶粒逐步相互吞并而长大，直至达到一个稳定的再结晶过程中形成的等轴晶粒逐步相互吞并而长大，直至达到一个稳定的尺寸。尺寸。1.1.回复阶段回复阶段显微组织几乎没显微组织几乎没有发生变化，晶粒有发生变化，晶粒仍保持冷变形后的仍保持冷变形后的伸长状态。伸长状态。2.2.再结晶阶段再结晶阶段在变形的晶粒内在变形的晶粒内部开始出现新的等部开始出现新的等冷变形金属显微组织随加热温度和时间的变化冷变形金属显微组织随加热温度和时间的变化 二、储存能及内应力的变化二

4、、储存能及内应力的变化第六章 金属及合金的回复与再结晶6.1 6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化冷变形金属在加热时的组织和性能变化 1.1.储存能的变化储存能的变化冷变形造成的偏离平衡位置冷变形造成的偏离平衡位置大、能量较高的原子，在加热大、能量较高的原子，在加热过程中向能量较低的平衡位置过程中向能量较低的平衡位置迁移，使内应力得以松弛，储迁移，使内应力得以松弛，储存能随之逐渐释放出来。存能随之逐渐释放出来。 2.2.残余内应力的变化残余内应力的变化在回复阶段，第一类内应力在回复阶段，第一类内应力得到较为充分的消除，第二类得到较为充分的消除，第二类或第三类内应力部分得到消除。或第三类内

5、应力部分得到消除。在再结晶阶段，因冷变形造成的残余内应力得以完全消除。在再结晶阶段，因冷变形造成的残余内应力得以完全消除。冷变形金属在加热过程中能量的释放冷变形金属在加热过程中能量的释放1纯金属；纯金属；2不纯金属；不纯金属；3合金。合金。 三、性能的变化三、性能的变化第六章 金属及合金的回复与再结晶6.1 6.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化冷变形金属在加热时的组织和性能变化 1.1.回复阶段的变化回复阶段的变化硬度和强度略有下降，塑性和韧性硬度和强度略有下降，塑性和韧性略有提高，电阻率较显著地降低，应略有提高，电阻率较显著地降低，应力腐蚀倾向显著减小。力腐蚀倾向显著减小。回复阶段位错

6、密度减少有限，但点回复阶段位错密度减少有限，但点缺陷数量明显降低，导致上述性能的缺陷数量明显降低，导致上述性能的变化。变化。 2.2.再结晶阶段的变化再结晶阶段的变化硬度和强度显著下降，塑性和韧性硬度和强度显著下降，塑性和韧性显著提高，电阻率显著地降低。显著提高，电阻率显著地降低。再结晶阶段位错密度下降明显，点再结晶阶段位错密度下降明显，点缺陷继续减少，导致上述性能变化。缺陷继续减少，导致上述性能变化。冷拉伸变形后的工业纯铜在加冷拉伸变形后的工业纯铜在加热时性能的变化热时性能的变化第二节回复第二节回复（Recovery）回复是冷变形金属在较低温度加热时，在光学显微组织发生改变前所产回复是冷变形

7、金属在较低温度加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能变化的过程。生的某些亚结构和性能变化的过程。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 6.2 回复回复cxtxdd式中，式中，t加热时间；加热时间；x冷变形导冷变形导RTQcc/0e式中，式中，Q回复激活能；回复激活能；R气体常数；气体常数；c0比例常数；比例常数；T绝对温度。绝对温度。在在50 C进行约进行约8%剪切变形的锌单晶，剪切变形的锌单晶，在不同温度加热后的性能变化在不同温度加热后的性能变化一、回复动力学一、回复动力学冷变形金属在恒温下回复时，开冷变形金属在恒温下回复时，开始阶段的性能回复速度最快，然后始阶段的性能回

8、复速度最快，然后随回复量的增加而逐渐减慢。回复随回复量的增加而逐渐减慢。回复的特征可用下式表达：的特征可用下式表达：致的性能增量经加热后的残留分数；致的性能增量经加热后的残留分数；c与材料和温度有关的比例常数，由与材料和温度有关的比例常数，由下式决定：下式决定：将后式代入前式并积分，以将后式代入前式并积分，以x0表示开始时性能增量的残留分数，则得：表示开始时性能增量的残留分数，则得：第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 6.2 回复回复tRTQxxtcxx0/00dedRTQtcxx/00eln回复的速度随温度升高和加热时间的延长而增大。回复的速度随温度升高和加热时间的延长而增大。采用不同的

9、温度加热冷变形金属使之回复到同样的程度（即残留分数相采用不同的温度加热冷变形金属使之回复到同样的程度（即残留分数相同），则所需时间不同。同），则所需时间不同。或或从前图和上式可求得锌单晶的回复激活能从前图和上式可求得锌单晶的回复激活能Q =20000cal/gmol，锌单晶在锌单晶在0 回复到残留回复到残留7575的加工硬化需要分钟，则锌单晶在的加工硬化需要分钟，则锌单晶在2727 回复回复到残到残留留7575的加工硬化需要的时间为：的加工硬化需要的时间为：21/20/10RTQRTQtctcee或或)30012731(/2112RQRTQRTQtteee0.1855e)30012731(22

10、00001t同样可以计算出在同样可以计算出在50 C时回复到时回复到残留残留75的加工硬化需要约的加工硬化需要约13天。天。分。分。（R =2cal/gmolK）第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 6.2 回复回复二、回复机制二、回复机制 1.1.低温回复低温回复低温回复是冷变形产生的过量空位消失，点低温回复是冷变形产生的过量空位消失，点缺陷密度明显下降的过程。缺陷密度明显下降的过程。 回复机制：回复机制：空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环位错环位错环空位与间隙原子的合并空位与间隙原子的合并空位迁移到金属的自由表面或空位迁移到金属的自由表面或晶界处而消失；

11、晶界处而消失；空位与间隙原子合并，空位与空位与间隙原子合并，空位与间隙原子同时消失；间隙原子同时消失；空位与位错发生交互作用而消空位与位错发生交互作用而消失；失；空位聚集成空位片，然后崩塌空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环而消失。成位错环而消失。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 6.2 回复回复 2. 2.中温回复中温回复中温回复是位错主要以滑移方式运动，以及位错发生重新排列，位错密中温回复是位错主要以滑移方式运动，以及位错发生重新排列，位错密度略有下降的过程。度略有下降的过程。 回复机制：回复机制：位错滑移，导致位错重新组合排列；位错滑移，导致位错重新组合排列；位于同一滑移面上的位于同

12、一滑移面上的异号位错相互吸引，会聚后而互相抵消。异号位错相互吸引，会聚后而互相抵消。在中温下，处于同一滑移面上的异号位错要实现会聚所需的激活能较小，在中温下，处于同一滑移面上的异号位错要实现会聚所需的激活能较小，可以发生。可以发生。不在同一滑移面上的异号位错要会聚而互相抵消，则必须先通过攀移或不在同一滑移面上的异号位错要会聚而互相抵消，则必须先通过攀移或交滑移至同一滑移面上才能得以实现。显然这一过程需要更大的激活能，交滑移至同一滑移面上才能得以实现。显然这一过程需要更大的激活能，即需要更高的温度，这在中温下难以发生。即需要更高的温度，这在中温下难以发生。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2

13、6.2 回复回复 3. 3.高温回复高温回复高温回复是位错攀移和滑移，发生多边化，使不规则的位错重新分布，形高温回复是位错攀移和滑移，发生多边化，使不规则的位错重新分布，形成稳定的位错网络，构成亚结构，位错密度下降，畸变能显著降低的过程。成稳定的位错网络，构成亚结构，位错密度下降，畸变能显著降低的过程。 回复机制：回复机制：多边化多边化（Polygonization）。多边化前多边化前多边化后多边化后位错墙位错墙多边化过程多边化过程刃位错通过攀移和滑移排列成位错墙刃位错通过攀移和滑移排列成位错墙多边化过程是一种热激活过程。多边化过程是一种热激活过程。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 6.

14、2 回复回复三、回复过程中亚结构的变化三、回复过程中亚结构的变化经冷变形的金属，显微组织中经冷变形的金属，显微组织中形成了胞状亚结构，在胞壁处位形成了胞状亚结构，在胞壁处位错密度很高。错密度很高。回复过程中，胞状亚结构发生回复过程中，胞状亚结构发生显著变化：显著变化：胞壁内位错密度有所下降；胞壁内位错密度有所下降；弯曲的位错逐渐伸直；弯曲的位错逐渐伸直；位错缠结逐渐转变成能量较位错缠结逐渐转变成能量较低的稳定的位错网络；低的稳定的位错网络；胞壁变得较清晰，成为亚晶胞壁变得较清晰，成为亚晶界；界；位错网络发生分解，并入更位错网络发生分解，并入更稳定的位错网络中，使亚晶粒聚稳定的位错网络中，使亚晶

15、粒聚合而长大。合而长大。回复前的冷变形状态回复前的冷变形状态回复回复0.1小时小时回复回复50小时小时回复回复300小时小时经经5%冷变形的纯铝在冷变形的纯铝在200 C回复的亚结构变化回复的亚结构变化缠结位错缠结位错伸直了的位错伸直了的位错位错网络位错网络大的稳定网络大的稳定网络四、回复的应用四、回复的应用 去应力退火去应力退火（Stress-relief Annealing）：将已经加工硬化的金属在较低的温度下加热，使其内应力基本消除，耐将已经加工硬化的金属在较低的温度下加热，使其内应力基本消除，耐应力腐蚀性提高，同时又保持加工硬化的工艺方法。应力腐蚀性提高，同时又保持加工硬化的工艺方法。

16、深冲成形的黄铜弹壳，经深冲成形的黄铜弹壳，经260260 C C的去应力退火，充分消除残余内应力，的去应力退火，充分消除残余内应力，避免发生应力腐蚀开裂。避免发生应力腐蚀开裂。如果不进行去应力退火，弹壳在放置一段时间后，由于内应力的作用，如果不进行去应力退火，弹壳在放置一段时间后，由于内应力的作用，加上外界气氛对晶界的腐蚀，导致发生晶间开裂加上外界气氛对晶界的腐蚀，导致发生晶间开裂（称为称为“季裂季裂”）。 冷卷弹簧制品，在成型后进行一次冷卷弹簧制品，在成型后进行一次250250300300 C C的低温加热，充分消除的低温加热，充分消除残余内应力，稳定尺寸，同时保持其强度和硬度基本不变。残余

17、内应力，稳定尺寸，同时保持其强度和硬度基本不变。如果不进行去应力退火，弹簧尺寸会发生变化。如果不进行去应力退火，弹簧尺寸会发生变化。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.2 6.2 回复回复第三节再结晶第三节再结晶（Recrystallization）再结晶是冷变形金属在加热到一定温度后，在已变形组织中重新产生无再结晶是冷变形金属在加热到一定温度后，在已变形组织中重新产生无畸变的新晶粒，性能发生明显的变化，并恢复到完全软化状态的过程。畸变的新晶粒，性能发生明显的变化，并恢复到完全软化状态的过程。加热前加热前625加热加热（不完全再结晶）（不完全再结晶） 670加热加热（完全再结晶）（完全再结晶）

18、 第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再结晶再结晶无畸变的再结晶晶粒无畸变的再结晶晶粒在变形组织中形核，然在变形组织中形核，然后长大，最后完全取代后长大，最后完全取代变形的晶粒。变形的晶粒。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再结晶再结晶回复和再结晶对冷变形金属性能的影响回复和再结晶对冷变形金属性能的影响经过再结晶，冷变形所导致的各经过再结晶，冷变形所导致的各种性能改变基本消失，加工硬化被种性能改变基本消失，加工硬化被消除，内应力得到充分释放，电阻消除，内应力得到充分释放，电阻率降低到变形前的水平。率降低到变形前的水平。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再

19、结晶再结晶一、再结晶动力学一、再结晶动力学再结晶具有典型的形核长大过程的动力学特征：再结晶具有典型的形核长大过程的动力学特征：等温下，再结晶速度开始时很小，随再结晶百分数的增加而增大，并在等温下，再结晶速度开始时很小，随再结晶百分数的增加而增大，并在50%50%处达到最大，然后又逐渐减小。处达到最大，然后又逐渐减小。经经98%冷轧的纯铜（冷轧的纯铜（99.999%Cu）在不同温度下的等温再结晶动力学曲线）在不同温度下的等温再结晶动力学曲线第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再结晶再结晶式中，式中， V在在t时间已经再结晶的体积分数；时间已经再结晶的体积分数；B、K常数，由实验决定。

20、常数，由实验决定。等温再结晶动力学方程：等温再结晶动力学方程：KBteV1 或或tKBlnlg11lnlgV 冷变形金属在加热发生再结晶时，温度越高，再结晶进行得越快，产生冷变形金属在加热发生再结晶时，温度越高，再结晶进行得越快，产生一定体积分数再结晶所需的时间也越短。一定体积分数再结晶所需的时间也越短。（温度恒定）（温度恒定）等温下，时间越长，再结晶进行得越充分。等温下，时间越长，再结晶进行得越充分。再结晶速度与温度的关系：再结晶速度与温度的关系：/RTQRAve再式中：式中：v再再再结晶的速度；再结晶的速度；QR再结晶的激活能；再结晶的激活能；R气体常数；气体常数；T绝对温度；绝对温度；A

21、比例常数。比例常数。再结晶是一种热激活过程，温度越高，再结晶进行得越快。再结晶是一种热激活过程，温度越高，再结晶进行得越快。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再结晶再结晶采用不同的温度加热冷变形金属使之再结晶到同样的程度（即再结晶的采用不同的温度加热冷变形金属使之再结晶到同样的程度（即再结晶的体积分数相同），温度越高，所需时间越短。体积分数相同），温度越高，所需时间越短。再结晶的速度与产生一定再结晶体积分数所需的时间再结晶的速度与产生一定再结晶体积分数所需的时间t 成反比。成反比。/RTQRAte1)(e121121TTRQRtt则：则：H70黄铜黄铜(含含30%Zn)分别在分别

22、在400 C和和390 C下完成再结晶所需要的时间：下完成再结晶所需要的时间：400 C下需要下需要1小时，小时，390 C下需要下需要1.97小时。小时。H70H70黄铜的再结晶激活能为黄铜的再结晶激活能为251kJ/gmol251kJ/gmol。或或tQRAQRTRRlg3 . 2lg3 . 21（2.3lgx=lnx）第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再结晶再结晶二、再结晶的形核与长大二、再结晶的形核与长大再结晶的核心再结晶的核心( (晶核晶核) )在变形造成的最大畸变处形成，随后进一步长大。在变形造成的最大畸变处形成，随后进一步长大。1.1.形核形核亚晶形核机制亚晶形核机

23、制亚晶形核主要发生在经较大亚晶形核主要发生在经较大冷变形金属的再结晶过程中。冷变形金属的再结晶过程中。l亚晶合并形核亚晶合并形核通过亚晶粒之间的亚晶界消通过亚晶粒之间的亚晶界消失，使亚晶合并而长大成再结失，使亚晶合并而长大成再结晶的核心。晶的核心。l亚晶直接长大形核亚晶直接长大形核通过亚晶界的移动，吞并相通过亚晶界的移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而长大成邻的变形基体和亚晶而长大成再结晶的核心。再结晶的核心。亚晶粒合并形核机制亚晶粒合并形核机制亚晶直接长大形核机制亚晶直接长大形核机制第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再结晶再结晶晶界凸出形核机制（晶界弓出形核机制）晶界凸出形核机制（

24、晶界弓出形核机制）晶界凸出形核主要发生在经较小冷变形金属的再结晶过程中。晶界凸出形核主要发生在经较小冷变形金属的再结晶过程中。变形程度小，变形很不均匀，各晶粒中的位错密度不同，则亚晶粒的大小变形程度小，变形很不均匀，各晶粒中的位错密度不同，则亚晶粒的大小也有所不同，因此，晶界中的某一段就会向亚晶细小、位错密度高的一侧弓也有所不同，因此，晶界中的某一段就会向亚晶细小、位错密度高的一侧弓出，被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体，即再结晶出，被这段晶界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体，即再结晶的核心。的核心。晶界凸出形核机制晶界凸出形核机制具有亚晶粒组织晶粒间的凸出形核机制

25、具有亚晶粒组织晶粒间的凸出形核机制在晶界处在晶界处A 晶粒中的某些亚晶粒能通过晶粒中的某些亚晶粒能通过晶界迁移而凸入晶界迁移而凸入B 晶粒中，借消耗晶粒中，借消耗B 中的中的亚晶而生长，从而形成再结晶的核心。亚晶而生长，从而形成再结晶的核心。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再结晶再结晶2.2.长大长大再结晶晶核形成之后，即借界面的移动向周围畸变区域长大。再结晶晶核形成之后，即借界面的移动向周围畸变区域长大。再结晶晶核长大（晶界迁移）的驱动力再结晶晶核长大（晶界迁移）的驱动力无畸变的新晶粒与周围畸变的旧晶粒之间的畸变能差。无畸变的新晶粒与周围畸变的旧晶粒之间的畸变能差。晶界的迁移

26、方向晶界的迁移方向晶界总是背离其曲率中心，向着畸变区域推进，直至全部形成无畸变的等晶界总是背离其曲率中心，向着畸变区域推进，直至全部形成无畸变的等轴晶粒为止，再结晶即告完成。轴晶粒为止，再结晶即告完成。三、再结晶温度及其影响因素三、再结晶温度及其影响因素1.1.再结晶温度再结晶温度（Recrystallization Temperature）冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度。冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度。再结晶不是一个恒温过程，没有恒定的转变温度。再结晶温度可定义为：再结晶温度可定义为：经过大变形量（变形度经过大变形量（变形度70%70%以上）冷变形的金属，

27、以上）冷变形的金属，保温保温1h1h能够完成再结晶（能够完成再结晶（ V95%95%）的温度。）的温度。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再结晶再结晶 再结晶温度的经验公式：再结晶温度的经验公式：高纯金属：高纯金属：T再再(0.250.35)Tm工业纯金属：工业纯金属：T再再(0.350.45)Tm合金：合金：T再再(0.40.9)Tm2.2.影响再结晶温度的因素影响再结晶温度的因素变形度变形度冷变形度越大，冷变形度越大，T再再越低。越低。金属的纯度金属的纯度纯度越高，纯度越高，T再再越低。越低。原始晶粒度原始晶粒度变形金属的晶粒越小，变形金属的晶粒越小，T再再越低。越低。加热速

28、度和保温时间加热速度和保温时间加热速度缓慢和极快，均使加热速度缓慢和极快，均使T再再升高。升高。保温时间越长，保温时间越长，T再再越低。越低。T T再再再结晶温度；再结晶温度；T Tmm熔点。熔点。冷变形度与开始再结晶温度的关系冷变形度与开始再结晶温度的关系FeAl第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再结晶再结晶四、再结晶后的晶粒大小四、再结晶后的晶粒大小d再结晶晶粒的平均直径；再结晶晶粒的平均直径； 形核率；形核率；G长大线速度；长大线速度；K比例常数。比例常数。1.1.再结晶后的晶粒尺寸再结晶后的晶粒尺寸1/4)(NGKdN2.2.影响再结晶后晶粒大小的因素影响再结晶后晶粒大小

29、的因素变形度变形度l变形度较小变形度较小不发生再结晶，晶粒保持原状、大小。l变形度达到变形度达到2 210%10%再结晶后的晶粒异常粗大。2 210%10%的变形度称为临界变形度。的变形度称为临界变形度。l变形度超过临界变形度变形度超过临界变形度变形度越大，晶粒越细小。冷变形度对再结晶后晶粒大小的影响冷变形度对再结晶后晶粒大小的影响第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再结晶再结晶加热（退火）温度和保温时间加热（退火）温度和保温时间 退火温度越高、保温时间越长，晶粒越粗大。退火温度越高、保温时间越长，晶粒越粗大。Cu-35Zn退火温度与晶粒尺寸的关系退火温度与晶粒尺寸的关系含碳含碳0

30、.06%的低碳钢变形度的低碳钢变形度及退火温度对再结晶后晶粒及退火温度对再结晶后晶粒大小的影响大小的影响原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸 当变形度一定时，冷变形金属的晶粒越细小，再结晶后的晶粒越细小。当变形度一定时，冷变形金属的晶粒越细小，再结晶后的晶粒越细小。提高退火温度，临界变形度数值变小。提高退火温度，临界变形度数值变小。五、再结晶的应用五、再结晶的应用 再结晶退火再结晶退火（Recrystallization Annealing）：将已经加工硬化的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶，以消除将已经加工硬化的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶，以消除加工硬化的工艺方法。加工硬化的工艺方

31、法。 再结晶退火温度：再结晶退火温度：T T再再100100200200。 再结晶退火的主要作用：再结晶退火的主要作用：恢复变形能力；消除各向异性；改善显微组织；提高组织稳定性。恢复变形能力；消除各向异性；改善显微组织；提高组织稳定性。 冷拔钢丝时，每拉拔一次，中间均进行再结晶退火，消除加工硬化，以便冷拔钢丝时，每拉拔一次，中间均进行再结晶退火，消除加工硬化，以便于下一次拉拔。于下一次拉拔。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.3 6.3 再结晶再结晶第四节晶粒长大第四节晶粒长大（Grain Growth）冷变形金属在再结晶结束后，继续升高温度或延长保温时间，晶粒就会不冷变形金属在再结晶结束后，

32、继续升高温度或延长保温时间，晶粒就会不断长大，这一过程称为晶粒长大。断长大，这一过程称为晶粒长大。一、晶粒的正常长大一、晶粒的正常长大随温度的升高或保温时间的延长，晶粒均匀连续地长大。随温度的升高或保温时间的延长，晶粒均匀连续地长大。1.1.晶粒长大的驱动力晶粒长大的驱动力晶粒长大前后总的界面能差。晶粒长大前后总的界面能差。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.4 6.4 晶粒长大晶粒长大晶粒长大时晶界移动方向晶粒长大时晶界移动方向晶粒越小，晶界越多，界面能越高，晶粒晶粒越小，晶界越多，界面能越高，晶粒长大可以降低总的界面能。长大可以降低总的界面能。2.2.晶粒的长大方式晶粒的长大方式晶粒长大的

33、实质是晶界的移动。晶粒长大的实质是晶界的移动。晶界向着晶界的曲率中心移动，结果是：晶界向着晶界的曲率中心移动，结果是：“大晶粒吞并小晶粒，凹界面变平直界面大晶粒吞并小晶粒，凹界面变平直界面”。3.3.晶粒的稳定形状晶粒的稳定形状 晶界移动的基本规律：晶界移动的基本规律：弯曲的晶界向其曲率中心的方向移动；弯曲的晶界向其曲率中心的方向移动；三个（或三个以上）晶粒交会处的界面角的变化是趋向于使作用在各晶三个（或三个以上）晶粒交会处的界面角的变化是趋向于使作用在各晶界的界面张力在交会点达到互相平衡的状态界的界面张力在交会点达到互相平衡的状态。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.4 6.4 晶粒长大晶粒

34、长大三晶粒交会处的界面角三晶粒交会处的界面角二维晶粒的稳定形状二维晶粒的稳定形状332211TTTsinsinsin在平衡状态下，三在平衡状态下，三晶界交会处的各界面晶界交会处的各界面角相等，均为角相等，均为120120 ，此时晶粒达到稳定的此时晶粒达到稳定的形状，形状，晶界平直晶界平直，晶，晶粒不会长大，也不会粒不会长大，也不会缩小。缩小。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.4 6.4 晶粒长大晶粒长大晶粒的平衡形状十四面体晶粒的平衡形状十四面体晶界曲率与晶粒形状晶界曲率与晶粒形状晶界曲率与晶粒形状晶界曲率与晶粒形状4.4.影响晶粒长大的因素影响晶粒长大的因素正常晶粒长大时的晶界平均移动速度

35、正常晶粒长大时的晶界平均移动速度由下式决定：由下式决定：式中，晶界的平均迁移率；晶界的平均驱动力；晶界的平均曲式中，晶界的平均迁移率；晶界的平均驱动力；晶界的平均曲率半径；率半径； b单位面积的晶界能；晶粒平均直径的增大速度。单位面积的晶界能；晶粒平均直径的增大速度。对于大致上均匀的晶粒组织，对于大致上均匀的晶粒组织， = /2= /2，和和 b对于给定的金属，在一定温对于给定的金属，在一定温度下大致为常数，则有：度下大致为常数，则有：第六章 金属及合金的回复与再结晶6.4 6.4 晶粒长大晶粒长大b2ddDv = m p = mRtvmpRddDtDRm1ddDK=Dt分离变量并积分：分离变

36、量并积分：220tD - D = K t若若，则：，则：2tD = K t1/2tD = Ct或或。CK，为常数。，为常数。恒温下发生晶粒长大时，平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大。恒温下发生晶粒长大时，平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大。tD0D 温度温度恒温下晶粒长大速度与温度的关系：恒温下晶粒长大速度与温度的关系：第六章 金属及合金的回复与再结晶6.4 6.4 晶粒长大晶粒长大/1m1dedQRTDKtDQm晶界迁移激活能。晶界迁移激活能。/2m220eQRTtD - D = K或：或：RTQKtDD3 . 2lg)lg(2202mt由上式根据实验数据可以求出由上式根据实验数据可以求

37、出Qm。上式分离变量后积分：上式分离变量后积分：杂质及合金元素杂质及合金元素杂质及合金元素阻碍晶界移动，使晶粒长大速度减小，晶粒细化。杂质及合金元素阻碍晶界移动，使晶粒长大速度减小，晶粒细化。杂质等与晶界的交互作用能形成杂质等与晶界的交互作用能形成“气团气团”，显著降低晶界的迁移速度。，显著降低晶界的迁移速度。RTQm/meK1常数。常数。温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大。温度越高，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大。第二相质点第二相质点第六章 金属及合金的回复与再结晶6.4 6.4 晶粒长大晶粒长大晶界与晶界与2个半径为个半径为r 的第二相质点的交互作用：的第二相质点的交互作用：弥散的第二相

38、质点强烈阻碍晶界移动，使晶粒长大速度减小，晶粒细化。弥散的第二相质点强烈阻碍晶界移动，使晶粒长大速度减小，晶粒细化。位置位置1：晶界面积减小晶界面积减小 r2，晶界，晶界能减小能减小 r2 b，晶界能最小，质点与，晶界能最小，质点与晶界达到力学平衡状态。晶界达到力学平衡状态。位置位置2：晶界面积增大，晶界能晶界面积增大，晶界能增大，晶界在其表面张力作用下发增大，晶界在其表面张力作用下发生弯曲。生弯曲。晶界从位置晶界从位置1到位置到位置2，质点对晶，质点对晶界所施加的约束力界所施加的约束力：F2 rcos b sin = r b sin2 ，当当 45 ，Fmax r b 。实际上，合金中有大量

39、的第二相质点，可以推导出极限晶粒平均直径：实际上，合金中有大量的第二相质点，可以推导出极限晶粒平均直径： 34rDlim位置位置1位置位置2移动中的晶界与第二相质点的交互作用移动中的晶界与第二相质点的交互作用 单位体积合金中第二相质点的体积分数。单位体积合金中第二相质点的体积分数。相邻晶粒的位向差相邻晶粒的位向差位向差越大，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大。位向差越大，晶粒长大速度越快，晶粒越粗大。晶粒位向较为接近，或具有孪晶位向时，晶界能小，晶界迁移速度很小。晶粒位向较为接近，或具有孪晶位向时，晶界能小，晶界迁移速度很小。晶界与金属表面相交处的热蚀沟晶界与金属表面相交处的热蚀沟第六章 金属及合金

40、的回复与再结晶6.4 6.4 晶粒长大晶粒长大金属在高温下长时间加热时，晶界与金属在高温下长时间加热时，晶界与表面相交处为达到表面张力间的平衡，表面相交处为达到表面张力间的平衡，将会通过表面扩散产生将会通过表面扩散产生热蚀沟热蚀沟。对薄板材料，热蚀沟对晶界的移动将对薄板材料，热蚀沟对晶界的移动将产生一种约束力：产生一种约束力：ap tgbtg2热蚀沟对晶界产生约束，阻碍晶界移动，晶粒细化。热蚀沟对晶界产生约束，阻碍晶界移动，晶粒细化。当当 很小时，很小时，tg sin = b / 2 s ，则：，则：sap2tgb可以推导出极限平均晶粒半径：可以推导出极限平均晶粒半径：，a薄板厚度薄板厚度,

41、s 表面张力。表面张力。bsaRlim金属表面最简单的热蚀沟金属表面最简单的热蚀沟二、晶粒的反常长大二、晶粒的反常长大(二次再结晶二次再结晶Secondary Recrystallization)在较高退火温度下，冷变形金属的再结晶晶粒不均匀不连续地迅速长大。在较高退火温度下，冷变形金属的再结晶晶粒不均匀不连续地迅速长大。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.4 6.4 晶粒长大晶粒长大Fe-Si箔材二次再结晶的反常晶粒箔材二次再结晶的反常晶粒1.1.二次再结晶的特点二次再结晶的特点二次再结晶的反常晶粒是以一次再结晶后二次再结晶的反常晶粒是以一次再结晶后的某些特殊晶粒为基础而长大的。的某些特殊晶

42、粒为基础而长大的。一次再结晶后，绝大多数晶粒长大速度很一次再结晶后，绝大多数晶粒长大速度很慢，仅少数晶粒具有特别大的长大能力。慢，仅少数晶粒具有特别大的长大能力。少数反常长大的晶粒与其他晶粒的尺寸悬少数反常长大的晶粒与其他晶粒的尺寸悬殊后，更有利于殊后，更有利于“大呑并小大呑并小”。反常长大的晶粒只在局部区域出现，造成反常长大的晶粒只在局部区域出现，造成明显不均匀的晶粒尺寸。明显不均匀的晶粒尺寸。2.2.二次再结晶的原理二次再结晶的原理组织中的夹杂物、第二相质点、表面热蚀沟等对晶界移动产生阻碍，但由组织中的夹杂物、第二相质点、表面热蚀沟等对晶界移动产生阻碍，但由于分布不均匀，导致少数晶粒能脱离

43、它们的约束，获得优先长大的机会。于分布不均匀，导致少数晶粒能脱离它们的约束，获得优先长大的机会。三、再结晶退火后的组织三、再结晶退火后的组织第六章 金属及合金的回复与再结晶6.4 6.4 晶粒长大晶粒长大后被保留下来，或在再结晶过程中形成的新的织构，称为再结晶织构。后被保留下来，或在再结晶过程中形成的新的织构，称为再结晶织构。变形度越大，退火温度越高，再结晶织构越容易形成。变形度越大，退火温度越高，再结晶织构越容易形成。 避免形成再结晶织构的措施：避免形成再结晶织构的措施：添加少量元素；添加少量元素；适当的变形度，较低的退火温度，较短的保温时间；适当的变形度，较低的退火温度，较短的保温时间；两

44、次变形、两次退火。两次变形、两次退火。工业纯铝的再结晶图工业纯铝的再结晶图1.1.再结晶图再结晶图(Recrystallization Diagram)晶粒大小变形度退火温度三者之间晶粒大小变形度退火温度三者之间构成的立体图形。构成的立体图形。再结晶图是制订生产工艺、控制冷变形再结晶图是制订生产工艺、控制冷变形金属再结晶退火后晶粒大小的重要依据。金属再结晶退火后晶粒大小的重要依据。2.2.再结晶织构再结晶织构冷变形金属中形成的形变织构在冷变形金属中形成的形变织构在再结再结晶晶第六章 金属及合金的回复与再结晶6.4 6.4 晶粒长大晶粒长大3.3.再结晶孪晶再结晶孪晶再结晶后形成的孪晶。又称为再

45、结晶后形成的孪晶。又称为退火孪晶退火孪晶。 再结晶孪晶形成机制：再结晶孪晶形成机制：再结晶孪晶在晶粒生长过程中形成，当晶再结晶孪晶在晶粒生长过程中形成，当晶粒通过晶界移动而生长时，原子层在晶界处粒通过晶界移动而生长时，原子层在晶界处(111)(111)面上的堆垛顺序偶然错堆面上的堆垛顺序偶然错堆, ,就会出现一就会出现一个共格的孪晶界，并随之而在晶界角处形成个共格的孪晶界，并随之而在晶界角处形成再结晶孪晶，这种再结晶孪晶通过大角度再结晶孪晶，这种再结晶孪晶通过大角度晶晶冷变形冷变形 黄铜退火时形成的黄铜退火时形成的退火孪晶退火孪晶晶粒生长时晶界角处退火孪晶的形成及长大晶粒生长时晶界角处退火孪晶

46、的形成及长大界的移动而长大。在长大过界的移动而长大。在长大过程中，如果原子在程中，如果原子在(111)(111)面面上再次发生错堆而恢复原来上再次发生错堆而恢复原来的堆垛顺序，则又形成第二的堆垛顺序，则又形成第二个共格孪晶界，构成孪晶带。个共格孪晶界，构成孪晶带。第五节金属的热加工第五节金属的热加工一、热加工与冷加工一、热加工与冷加工 工业生产中，热加工或热塑性变形通常指将金属材料加热至高温进行锻工业生产中，热加工或热塑性变形通常指将金属材料加热至高温进行锻造、轧制等过程。造、轧制等过程。 金属学角度的冷、热加工：金属学角度的冷、热加工：热加工热加工（Hot Working）：在再结晶温度以上

47、的加工过程。在再结晶温度以上的加工过程。冷加工冷加工（Cold Working）：在再结晶温度以下的加工过程。在再结晶温度以下的加工过程。 Fe的再结晶温度的再结晶温度T再再450 C，在，在400 C对其加工，则为冷加工。对其加工，则为冷加工。 W的再结晶温度的再结晶温度T再再1200 C，在，在1000 C对其加工，则为冷加工。对其加工，则为冷加工。 Pb的再结晶温度的再结晶温度T再再-33 C，在，在25 C(常温常温)对其加工，则为热加工。对其加工，则为热加工。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.5 6.5 金属的热加工金属的热加工二、动态回复和动态再结晶二、动态回复和动态再结晶 动态

48、回复动态回复（Dynamic Recovery）：金属在进行热加工时几乎与塑性变形同时发生的回复过程。金属在进行热加工时几乎与塑性变形同时发生的回复过程。 动态再结晶动态再结晶（Dynamic Recrystallization）：金属在进行热加工时几乎与塑性变形同时发生的再结晶过程。金属在进行热加工时几乎与塑性变形同时发生的再结晶过程。 动态回复和动态再结晶的意义和作用：动态回复和动态再结晶的意义和作用：金属在热加工时，温度在金属在热加工时，温度在T再再之上，因塑性变形引起的硬化过程和回复再之上，因塑性变形引起的硬化过程和回复再结晶引起的软化过程几乎同时存在。因此，在热加工中，金属内部同时进

49、结晶引起的软化过程几乎同时存在。因此，在热加工中，金属内部同时进行着加工硬化和回复再结晶软化两个相反的过程，金属不显示硬化作用。行着加工硬化和回复再结晶软化两个相反的过程，金属不显示硬化作用。动态回复和动态再结晶是金属在热加工过程中，保持软化动态回复和动态再结晶是金属在热加工过程中，保持软化（即不发生加即不发生加工硬化工硬化）的重要原因，此时金属具有良好的塑性，便于进行变形加工。的重要原因，此时金属具有良好的塑性，便于进行变形加工。第六章 金属及合金的回复与再结晶6.5 6.5 金属的热加工金属的热加工 热加工时回复和再结晶的热加工时回复和再结晶的5 5种形式：种形式：第六章 金属及合金的回复

50、与再结晶6.5 6.5 金属的热加工金属的热加工动态回复动态回复动态再结晶动态再结晶在外力和温度共同作用下发生。在外力和温度共同作用下发生。亚动态再结晶亚动态再结晶热加工完成去除外力后，已在动态再结晶时形成热加工完成去除外力后，已在动态再结晶时形成的再结晶核心继续长大，以及正在迁移的再结晶的再结晶核心继续长大，以及正在迁移的再结晶晶粒界面继续迁移。晶粒界面继续迁移。静态回复静态回复静态再结晶静态再结晶在热加工完成或中断后的冷却过程中发生，即在无外力在热加工完成或中断后的冷却过程中发生，即在无外力作用下发生。作用下发生。和和的变化规律与前述的回复和再结晶的一致，不同之处仅是，它们的变化规律与前述