第九章第九章 材料的回复与再结晶材料的回复与再结晶 (Chapter 9 Recovery and Recrystallization of Materials ) 9.1 冷变形金属在加热时的组织、性能变化1 组织的变化 (recovery)： 晶粒的形态和大小与变形态相同，但亚结构及性能已有变化 (recrystallization)： 出现无畸变的等轴晶粒，逐步取代变形晶粒 (grain growth)： 再结晶结束后的晶粒继续长大加热时间延长或加热温度升高 Brass(Cu-Zn)33%CW3s at 580 4s at 5808s at 580, completely RC15min at 580, grain growth10min at 700, grain growth2 性能的变化 强度和硬度(strength and hardness)： 变化小，再结晶阶段变化大 电阻(resistance)： 回复阶段已有大的变化 内应力(inner stress)： 回复阶段消除大部或全部内应力， 再结晶阶段全部消除微观内应力 亚晶粒尺寸： 回复阶段变化小 密度(density)： 再结晶阶段急剧变化（缺陷减少） 储存能的变化： 再结晶阶段释放多 9.2 回复（Recovery）1 回复动力学(recovery kinetics) 回复是冷变形金属在退火时发生组织性能变化的早期阶段， 在此阶段内物理或力学性能的回复是随温度和时间而变化的 定义剩余应变硬化分数（1-R）， R为屈服强度回复率 R = （m-r）/（m-0）m：变形后的屈服强度r：回复后的屈服强度0：完全退火后的屈服强度(1) 没有孕育期(no incubation period)； (2) 在一定温度下，初期回复率大， 随后逐渐变慢，直至趋近于零； (3) 预变形量越大，起始回复率也越快 回复特征可用一级反应方程表示 t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余分数； 在不同温度下，如以回复到相同程度作比较，可得：(4) 每一温度的回复程度有一极限值， 温度越高，该值越高，达到极限值所需时间越短； lnt = A + Q/（RT）可求出回复激活能积分得： 回复是一个驰豫过程(relaxation process)，其特点： 2 回复机制(recovery mechanism)(1) 低温回复：点缺陷密度急剧下降，宏观上电阻率变化大 (2) 中温回复：位错运动（滑移）和重新分布 (3) 高温回复：刃型位错可以获得足够能量攀移， 发生多边化(polygonization) 多边化即位错通过滑移和攀移，在沿垂直于 滑移面方向上排列，形成具有一定取向差的 位错墙（小角度晶界），由此产生亚晶 (sub-grain, sub-structure, mosaic structure) ， 这种结构称为多边化结构 层错能高的金属易发生多边化， 层错能低的多边化困难 在随后的过程中，亚晶粒将迁移而使亚晶粒 合并长大9.3 再结晶（Recrystallization）1 再结晶过程1) 形核：以多边化形成的亚晶为基础形核 (1) 晶界凸出形核 再结晶是冷变形金属加热到一定温度后，在原变形组织中 重新产生了无畸变的新晶粒，性能发生明显的变化并恢复 到变形前状况的过程 再结晶是显微组织重新改组的过程， 可以基本消除冷变形的影响 是一个形核和长大的过程 ： 再结晶晶核 长大 再结晶无晶体结构的变化 A晶粒变形小，亚晶尺寸大； B晶粒变形大，亚晶尺寸小 A晶粒中的某些亚晶凸入B晶粒中， 吞噬B晶粒中的亚晶，形成无畸变 的再结晶晶核，降低系统的自由能 (2) 亚晶形核 a) 亚晶合并机制：1) 形核(cont) 位错的运动使一些亚晶界上的位错转移到周围 其它亚晶上，导致亚晶的合并； 合并后的亚晶的晶界上位错密度增加，逐渐转化 为大角度晶界，从而具有更大的迁移率，这种晶 界移动后留下无畸变的晶体，构成再结晶核心 此机制常出现在变形程度较大且具有2) 长大(growth)：b) 亚晶迁移机制：(2) 亚晶形核(cont) 1) 形核(cont) 位错密度较高的亚晶界，其两侧的亚晶位相差大； 在加热过程中这些亚晶界容易迁移而成为大角度 晶界，从而成为再结晶核心 此机制常出现在变形程度很大且具有 低层错能的材料中。 驱动力是新晶粒与周围畸变母体之间的应变能差 长大是再结晶晶核形成之后，借界面的移动 向周围畸变区域长大的过程 当变形晶体中全部形成 再结晶结束 2 再结晶动力学 (kinetics of recrystallization) 再结晶过程取决于形核率N 和长大速率G的大小； 再结晶过程有孕育期； 再结晶刚开始速度慢，逐步 加快，到再结晶分数为50% 时速度最快，随后逐渐变慢 1）再结晶的特点2）约翰逊-梅厄方程（Johnson-Mehl equation） 它适用于均匀形核，而不适用于有选择性形核的情形 （如形核优先在晶界等） 假定均匀形核，晶核为球形， 形核率N和长大速率G不随时间改变，则再结晶的体积分数： 3）阿弗拉密方程(Avrami equation)或： k为常数2 再结晶动力学(kinetics of recrystallization, cont) 针对恒温再结晶时形核率N随时间t的增加而呈指数关系衰减再结晶的体积分数：当再结晶是三维时，k为3-4；当再结晶是二维时（薄板），k为2-3；当再结晶是一维时（丝材），k为1-2。 3) 等温温度对再结晶速率的影响 再结晶速率与产生某一再结晶体积分数的时间成反比 ：即 ： 在两个不同的恒定温度产生同样程度的再结晶时，可得： 2 再结晶动力学(kinetics of recrystallization, cont) 等温温度与再结晶速率的关系： 因此： ln1/t = lnA Q/（RT）可以比较在不同温度下等温退火完成再结晶所需时间 或： 根据lgt-1/T的关系，可以求再结晶激活能 3 再结晶温度及其影响因素 再结晶温度(recrystallization temperature)： 冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。 一般以显微镜中出现第一颗新晶粒的温度或硬度下降50% 所对应的温度定为再结晶温度。 工业上通常以经过大变形量（70%以上）的冷变形金属， 经1小时退火完成再结晶（转变量大于95%）所对应的温 度为再结晶温度。 再结晶温度1) 变形程度的影响 冷变形量越大，再结晶驱动力越大，再结晶温度越低；3 再结晶温度及其影响因素(cont) 变形量达到一定程度后，再结晶温度趋于稳定 给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量（临界变形度） (critical degree of deformation) 2) 原始晶粒尺寸 原始晶粒细小，冷变形后储存的能量大，晶界提供较多的形核位置，再结晶温度降低 3) 微量溶质原子 提高金属的再结晶温度，其原因归于溶质原子的偏聚阻碍位错的滑移和晶界的迁移，不利于再结晶的形核和长大 4) 粒子(precipitates) 一般，第二相粒子尺寸大，间距宽时，有利形核，促进再结晶第二相粒子尺寸小，间距密集时，阻碍再结晶 3 再结晶温度及其影响因素(cont)4 再结晶后的晶粒大小1) 变形度的影响 临界变形度：给定温度下发生再结晶需要的最小变形量；临界变形度下再结晶得到特别粗大晶粒2) 退火温度的影响 退火温度对刚完成再结晶时晶粒 尺寸的影响不大； 再结晶后的晶粒尺寸d与形核率N和长大速率G的关系：d = C（G/N）1/4 当变形度大于临界变形度后， 变形度越大，晶粒越细小 降低临界变形度数值； 加速再结晶后的晶粒长大过程 9.4 晶粒长大（grain growth）1 晶粒的正常长大及其影响因素 当合金中存在第二相颗粒时，这些颗粒对晶界的迁移有阻碍作用。 再结晶结束后，若继续提高加热温度或延长加热时间， 引起晶粒进一步长大的现象。 晶粒长大的驱动力是总晶界能的降低。 晶粒比较均匀的长大称为晶粒正常长大 恒温下正常晶粒长大的关系式：Dt = Ktn = K0 exp（-Q/RT）tn 第二相的尺寸越小，数量越多，再结晶的晶粒越细小 则：设 为晶粒停止长大时的平均直径， r 为第二相粒子的半径， f 为第二相的体积分数，n的数值一般小于1 2 异常晶粒长大(二次再结晶, abnormal grain growth, secondary recrystallization) 异常晶粒长大是当再结晶完成后的金属继续加热到 某一温度以上，少数晶粒突然反常长大的现象 异常晶粒长大的基本条件a) 正常晶粒长大过程被分散相微粒、织构等强烈阻碍， 再结晶过程产生细小晶粒。b) 当进一步加热时，这些阻碍正常晶粒长大的因素一旦 消失，少数晶粒就可能异常长大 硅铁中MnS的存在可能导致异常晶粒长大 9.5 再结晶织构与退火孪晶（annealing twins）(1) 与原有的织构相一致； (2) 原有织构消失而代之以新的织构； (3) 原有织构消失不再产生新的织构 1 再结晶织构(recrystallization texture) 具有变形织构的金属经再结晶后的新晶粒若仍具有择优取向， 则称为再结晶织构 再结晶织构与变性织构的关系2 退火孪晶(annealing twins) (1) 晶界交角处(A)； (2) 贯穿晶粒的完整退火孪晶(B)； (3) 一端中止于晶内的不完整孪晶(C) 退火孪晶晶粒生长过程中形成的 退火孪晶的形态 层错能低的晶体容易形成退火孪晶 如果材料在较高温度形变时，回复和再结晶在形变过程中相继发生， 则称为动态回复和动态再结晶。它们是热加工过程中的重要现象。 热轧时的组织变化