金属材料回复和再结晶知识总结

原标题：金属材料回复和再结晶知识总结

回复和再结晶

一

冷变形金属在加热时的组织与性能变化

金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能（晶体缺陷所储存的能量）的升高将使其处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能会发生一系列变化。这一变化过程随加热温度的升高可表现为三个阶段：

01

回复

指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。 在此阶段：

组织：由于不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同，仍为纤维状或扁平状。

性能：强度与硬度变化很小，内应力、电阻明显下降。

（回复是指冷塑性变形的金属在（较低温度下进行）加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程）。

02

再结晶

指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。 在此阶段：

组织：首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。

性能：强度与硬度明显下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢复到变形前的程度。

03

晶粒长大

指再结晶结束之后晶粒的继续长大。 在此阶段，在晶界表面能的驱动下，新晶粒相互吞食而长大，最后得到较稳定尺寸的晶粒。

显微组织的变化：

回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化。

再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。

晶粒长大阶段：晶界移动，晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。

性能变化：

回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度变化不大，电阻明显下降。

再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；密度急剧升高。

晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高；粗化严重时下降。

二

回复

1. 回复动力学

上图为同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈服强度的回复动力学曲线。

特点：

（1）没有孕育期；

（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直至趋近于零；

（3）每一温度的恢复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此一极限值所需的时间则越短；

（4）预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快。

2. 回复机制

（ 1）低温回复：主要与点缺陷的迁移有关，点缺陷运动通过与位错交互作用、空位与间隙原子重新结合，以及空位聚合、空位群、空位片塌陷成位错环而消失，从而使点缺陷密度明显下降，故电阻率明显下降。

（2）中温回复：主要与位错的滑移有关，同一滑移面上的异号位错可以相互吸引而抵消，位错偶极子的两条位错线相抵消。

（3）高温回复：刃型位错产生攀移。

攀移：

①使滑移面上不规则的位错重新分布，垂直排列成墙，降低了位错的弹性畸变能；

②形成沿垂直滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙，产生亚晶，即多边化结构。

多边化的产生条件：

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需要加热到较高的温度，使位错能产生攀移运动。

从回复机制可以理解：

回复过程中电阻率的明显下降主要是由于：过量空位的减少和位错应变能的降低；内应力的降低主要是由于晶体内弹性应变的基本消除；硬度及强度下降不多是由于位错密度下降不多，亚晶还较细小。

三

再结晶

1. 再结晶过程

冷变形后的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，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状况，这个过程称为再结晶。

再结晶是一种形核和长大过程，即通过在变形组织的基体上产生新的无畸变再结晶晶核，并通过逐渐长大形成等轴晶粒，从而取代全部变形组织的过程。

（1）形核再结晶晶核是现存于局部高能量区域内的，以多边化形成的亚晶为基础形核。

无畸变的晶粒取代变形晶粒的过程。

形核有三种机制：

①晶界弓出形核机制：对变形度较小的金属，多以这种方式形核，如下图，A、B的变形量不同，储存的能量不同，A低能向B扩散，降低整体的能量。

②亚晶合并机制：在变形程度较大且具有高层错能的金属中，多以这种机制形核。

③亚晶迁移机制：在变形度很大的低层错能金属中，多以这种机制形核。

（2）长大

长大：晶核形成之后，借界面的移动而向周围畸变区域长大，直到全部形成无畸变的等轴晶粒为止，再结晶即告完成。界面迁移的推动力是无畸变的新晶粒与周围畸变的母体之间的应变能差。

2. 再结晶动力学

以经冷轧的纯铜为例，特点：再结晶过程有一孕育期，且再结晶开始时的速度很慢，随之逐渐加快，至再结晶的体积分数约为50％时速度达到最大，最后又逐渐变慢，这与回复动力学有明显的区别。

3. 再结晶温度及其影响因素

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。

对纯金属：

T 再＝0.4T 熔（K）

K＝T（℃）＋ 273

如Fe：

T 熔＝1538℃

T 再＝0.4(1538＋273)－273＝451.4℃

一般再结晶退火温度比T再要高出100～200℃，目的：消除加工硬化现象。

影响再结晶温度的因素有：

01

变形程度

随冷变形程度增加，储能增多，再结晶的驱动力增大，再结晶容易发生，再结晶温度低。当变形量达到一定程度，T 再趋于一定值。

02

原始晶粒尺寸

原始晶粒越细小，晶界越多，有利于形核；另外，晶粒越细小，变形抗力越大，变形储能高，再结晶驱动力越大，容易发生再结晶，使T 再降低。

03

微量溶质原子

微量溶质原子可显著提高T 再，原因是溶质原子与位错和晶界间存在着交互作用，使溶质原子在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起阻碍作用，不利于再结晶的形核和长大，阻碍再结晶过程，因而使T 再提高。。

04

第二相粒子

既可提高T 再，也可降低T 再。当第二相粒子尺寸和间距都较大时，变形中阻碍位错运动，提高变形储能，提高再结晶驱动力，易发生再结晶，使T 再降低；当第二相粒子尺寸和间距都很小时，阻碍位错重排构成亚晶界，阻碍晶界迁移，阻碍了再结晶，使T 再提高。

05

再结晶退火工艺参数

加热速度过慢或极快，均使T 再升高（过慢有足够的时间回复，点阵畸变度降低，储能减小，使再结晶驱动力减小，T 再升高；极快因各温度下停留时间过短而来不及形核与长大，使T 再升高）。保温时间越长，T 再越低。

4. 再结晶后的晶粒大小

再结晶后的晶粒大小d，取决于形核率N和长大速率G，它们之间有下列关系：

C为系数。 可见：N↑，G↓，d↓。即凡影响N、G的因素，均影响再结晶后的晶粒大小。

影响再结晶后晶粒大小的因素：

01

变形度

①当变形程度很小时，晶粒大小没有变化，因为变形量过小，造成的储存能不足以驱动再结晶。

②当变形量达到一定值时，再结晶后的晶粒特别粗大，把这个变形量称为“临界变形量”，一般金属的临界变形量为2～10％。因为金属在临界变形量下，只部分晶粒破碎，大部分晶粒未破碎，此时，晶粒不均匀程度很大，最易大晶粒吞并小晶粒，故晶粒很容易粗化。

③当变形量大于临界变形量之后，再结晶后晶粒细化，且变形量越大，晶粒越细化。因为变形量越大，驱动形核和长大的储存能不断增加大，且形核率增大较快，使G/N变小，因此细化。

02

退火温度

提高退火温度，使再结晶速度加快，晶粒长大。

03

原始晶粒

越小，越均匀，则变形后晶粒破碎程度越均匀，再结晶后的晶粒越细。

04

合金元素和不熔杂质

越多，会阻碍再结晶晶粒长大，则再结晶晶粒越细小。

05

加热速度

越快，再结晶温度越高，推迟再结晶形核和长大过程，所以再结晶晶粒细小。

四

晶粒长大

再结晶后，再继续保温或升温，会使晶粒进一步长大。

1.正常晶粒长大：表现为大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大。是靠晶界迁移，相互吞食而进行的，它使界面能减小，是一个自发过程。

晶粒界面的不同曲率是造成晶界迁移的直接原因，实际上晶粒长大时，晶界总是向着曲率中心的方向移动，并不断平直化。因此，晶粒长大过程就是“大吞并小”和凹面变平的过程。在二维坐标中，晶界平直且夹角为120℃的六边形是一维晶粒的最终稳定形状。

2.异常晶粒长大：表现为少数晶粒突发性的不均匀长大。是出现少数较大的晶粒优先快速成长，逐步吞食掉其周围的大量小晶粒，最后形成非常粗大的组织，使力学性能大大降低，称为二次再结晶。

发生异常晶粒长大的基本条件：正常晶粒长大过程被分散相微粒、织构或表面的热蚀沟等所强烈阻碍。其驱动力来自界面能的降低，而不是来自应变能。

五

再结晶退火后的组织

1.再结晶退火后的晶粒大小

再结晶退火后的晶粒大小主要取决于预先变形度和退火温度。通常，变形度越大，退火后的晶粒越细小，而退火温度越高，则晶粒越粗大。

2.再结晶织构

通常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，称为再结晶织构。

再结晶织构形成机制：

（1）定向生长理论

（2）定向形核理论

3.退火孪晶

某些面心立方金属和合金如铜及铜合金、镍及镍合金和奥氏体不锈钢等冷变形后经再结晶退火后会出现退火孪晶，原因是因为这些金属层错能低，满足孪晶生长的能量条件。

面心立方的孪晶面为{111}。形成退火孪晶需在堆垛过程中发生层错，即又正常的…ABCABC…改变为…ABBACBACABABC…，其中与两面为共格孪晶界面，其间的晶体则构成一退火孪晶带。

退火孪晶的形成机制：一般认为退火孪晶是在晶粒生长过程中形成的。形成退火孪晶必须满足能量条件，层错能低的晶体容易形成退火孪晶。

回复和再结晶

一

冷变形金属在加热时的组织与性能变化

金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能（晶体缺陷所储存的能量）的升高将使其处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能会发生一系列变化。这一变化过程随加热温度的升高可表现为三个阶段：

01

回复

指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。 在此阶段：

组织：由于不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同，仍为纤维状或扁平状。

性能：强度与硬度变化很小，内应力、电阻明显下降。

（回复是指冷塑性变形的金属在（较低温度下进行）加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程）。

02

再结晶

指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。 在此阶段：

组织：首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。

性能：强度与硬度明显下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢复到变形前的程度。

03

晶粒长大

指再结晶结束之后晶粒的继续长大。 在此阶段，在晶界表面能的驱动下，新晶粒相互吞食而长大，最后得到较稳定尺寸的晶粒。

显微组织的变化：

回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化。

再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。

晶粒长大阶段：晶界移动，晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。

性能变化：

回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度变化不大，电阻明显下降。

再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；密度急剧升高。

晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高；粗化严重时下降。

二

回复

1. 回复动力学

上图为同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈服强度的回复动力学曲线。

特点：

（1）没有孕育期；

（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直至趋近于零；

（3）每一温度的恢复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此一极限值所需的时间则越短；

（4）预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快。

2. 回复机制

（ 1）低温回复：主要与点缺陷的迁移有关，点缺陷运动通过与位错交互作用、空位与间隙原子重新结合，以及空位聚合、空位群、空位片塌陷成位错环而消失，从而使点缺陷密度明显下降，故电阻率明显下降。

（2）中温回复：主要与位错的滑移有关，同一滑移面上的异号位错可以相互吸引而抵消，位错偶极子的两条位错线相抵消。

（3）高温回复：刃型位错产生攀移。

攀移：

①使滑移面上不规则的位错重新分布，垂直排列成墙，降低了位错的弹性畸变能；

②形成沿垂直滑移面方向排列并具有一定取向差的位错墙，产生亚晶，即多边化结构。

多边化的产生条件：

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需要加热到较高的温度，使位错能产生攀移运动。

从回复机制可以理解：

回复过程中电阻率的明显下降主要是由于：过量空位的减少和位错应变能的降低；内应力的降低主要是由于晶体内弹性应变的基本消除；硬度及强度下降不多是由于位错密度下降不多，亚晶还较细小。

三

再结晶

1. 再结晶过程

冷变形后的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，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状况，这个过程称为再结晶。

再结晶是一种形核和长大过程，即通过在变形组织的基体上产生新的无畸变再结晶晶核，并通过逐渐长大形成等轴晶粒，从而取代全部变形组织的过程。

（1）形核再结晶晶核是现存于局部高能量区域内的，以多边化形成的亚晶为基础形核。

无畸变的晶粒取代变形晶粒的过程。

形核有三种机制：

①晶界弓出形核机制：对变形度较小的金属，多以这种方式形核，如下图，A、B的变形量不同，储存的能量不同，A低能向B扩散，降低整体的能量。

②亚晶合并机制：在变形程度较大且具有高层错能的金属中，多以这种机制形核。

③亚晶迁移机制：在变形度很大的低层错能金属中，多以这种机制形核。

（2）长大

长大：晶核形成之后，借界面的移动而向周围畸变区域长大，直到全部形成无畸变的等轴晶粒为止，再结晶即告完成。界面迁移的推动力是无畸变的新晶粒与周围畸变的母体之间的应变能差。

2. 再结晶动力学

以经冷轧的纯铜为例，特点：再结晶过程有一孕育期，且再结晶开始时的速度很慢，随之逐渐加快，至再结晶的体积分数约为50％时速度达到最大，最后又逐渐变慢，这与回复动力学有明显的区别。

3. 再结晶温度及其影响因素

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。

对纯金属：

T 再＝0.4T 熔（K）

K＝T（℃）＋ 273

如Fe：

T 熔＝1538℃

T 再＝0.4(1538＋273)－273＝451.4℃

一般再结晶退火温度比T再要高出100～200℃，目的：消除加工硬化现象。

影响再结晶温度的因素有：

01

变形程度

随冷变形程度增加，储能增多，再结晶的驱动力增大，再结晶容易发生，再结晶温度低。当变形量达到一定程度，T 再趋于一定值。

02

原始晶粒尺寸

原始晶粒越细小，晶界越多，有利于形核；另外，晶粒越细小，变形抗力越大，变形储能高，再结晶驱动力越大，容易发生再结晶，使T 再降低。

03

微量溶质原子

微量溶质原子可显著提高T 再，原因是溶质原子与位错和晶界间存在着交互作用，使溶质原子在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起阻碍作用，不利于再结晶的形核和长大，阻碍再结晶过程，因而使T 再提高。。

04

第二相粒子

既可提高T 再，也可降低T 再。当第二相粒子尺寸和间距都较大时，变形中阻碍位错运动，提高变形储能，提高再结晶驱动力，易发生再结晶，使T 再降低；当第二相粒子尺寸和间距都很小时，阻碍位错重排构成亚晶界，阻碍晶界迁移，阻碍了再结晶，使T 再提高。

05

再结晶退火工艺参数

加热速度过慢或极快，均使T 再升高（过慢有足够的时间回复，点阵畸变度降低，储能减小，使再结晶驱动力减小，T 再升高；极快因各温度下停留时间过短而来不及形核与长大，使T 再升高）。保温时间越长，T 再越低。

4. 再结晶后的晶粒大小

再结晶后的晶粒大小d，取决于形核率N和长大速率G，它们之间有下列关系：

C为系数。 可见：N↑，G↓，d↓。即凡影响N、G的因素，均影响再结晶后的晶粒大小。

影响再结晶后晶粒大小的因素：

01

变形度

①当变形程度很小时，晶粒大小没有变化，因为变形量过小，造成的储存能不足以驱动再结晶。

②当变形量达到一定值时，再结晶后的晶粒特别粗大，把这个变形量称为“临界变形量”，一般金属的临界变形量为2～10％。因为金属在临界变形量下，只部分晶粒破碎，大部分晶粒未破碎，此时，晶粒不均匀程度很大，最易大晶粒吞并小晶粒，故晶粒很容易粗化。

③当变形量大于临界变形量之后，再结晶后晶粒细化，且变形量越大，晶粒越细化。因为变形量越大，驱动形核和长大的储存能不断增加大，且形核率增大较快，使G/N变小，因此细化。

02

退火温度

提高退火温度，使再结晶速度加快，晶粒长大。

03

原始晶粒

越小，越均匀，则变形后晶粒破碎程度越均匀，再结晶后的晶粒越细。

04

合金元素和不熔杂质

越多，会阻碍再结晶晶粒长大，则再结晶晶粒越细小。

05

加热速度

越快，再结晶温度越高，推迟再结晶形核和长大过程，所以再结晶晶粒细小。

四

晶粒长大

再结晶后，再继续保温或升温，会使晶粒进一步长大。

1.正常晶粒长大：表现为大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大。是靠晶界迁移，相互吞食而进行的，它使界面能减小，是一个自发过程。

晶粒界面的不同曲率是造成晶界迁移的直接原因，实际上晶粒长大时，晶界总是向着曲率中心的方向移动，并不断平直化。因此，晶粒长大过程就是“大吞并小”和凹面变平的过程。在二维坐标中，晶界平直且夹角为120℃的六边形是一维晶粒的最终稳定形状。

2.异常晶粒长大：表现为少数晶粒突发性的不均匀长大。是出现少数较大的晶粒优先快速成长，逐步吞食掉其周围的大量小晶粒，最后形成非常粗大的组织，使力学性能大大降低，称为二次再结晶。

发生异常晶粒长大的基本条件：正常晶粒长大过程被分散相微粒、织构或表面的热蚀沟等所强烈阻碍。其驱动力来自界面能的降低，而不是来自应变能。

五

再结晶退火后的组织

1.再结晶退火后的晶粒大小

再结晶退火后的晶粒大小主要取决于预先变形度和退火温度。通常，变形度越大，退火后的晶粒越细小，而退火温度越高，则晶粒越粗大。

2.再结晶织构

通常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，称为再结晶织构。

再结晶织构形成机制：

（1）定向生长理论

（2）定向形核理论

3.退火孪晶

某些面心立方金属和合金如铜及铜合金、镍及镍合金和奥氏体不锈钢等冷变形后经再结晶退火后会出现退火孪晶，原因是因为这些金属层错能低，满足孪晶生长的能量条件。

面心立方的孪晶面为{111}。形成退火孪晶需在堆垛过程中发生层错，即又正常的…ABCABC…改变为…ABBACBACABABC…，其中与两面为共格孪晶界面，其间的晶体则构成一退火孪晶带。

退火孪晶的形成机制：一般认为退火孪晶是在晶粒生长过程中形成的。形成退火孪晶必须满足能量条件，层错能低的晶体容易形成退火孪晶。

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