第四章材料的回复与再结晶
(Chapter 4Recovery and Recrystallization of Materials )
4.1 冷变形金属在加热时的组织、性能变化1 组织的变化
●回复(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●再结晶(recrystallization )：
出现无畸变的等轴晶粒，逐步取代变形晶粒●晶粒长大(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%CW
3s at 580℃
4s at 580℃
8s at 580℃, completely RC
15min at 580℃, grain growth 10min at 700℃, grain growth
2 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
§4.2 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 = （σ
m -σ
r
）/（σm-σ0）
σ
m
：变形后的屈服强度
σ
r
：回复后的屈服强度
σ
：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
(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；
●回复是一个驰豫过程(relaxation process )，其特点：●回复特征可用一级反应方程表示
x
RT Q
c cx dt dx
)exp(0--=-=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；
)
exp(ln 00
RT Q
t c x x -=在不同温度下，如以回复到相同程度作比较，可得：
lnt = A + Q/（RT ）
可求出回复激活能
积分得：
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
§4.3 再结晶（Recrystallization）
●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
1 再结晶过程
●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
1) 形核：以多边化形成的亚晶为基础形核
(1) 晶界凸出形核
●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
1) 形核(con’t)
(2) 亚晶形核
a) 亚晶合并机制：
●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高层错能的材料中。
1) 形核(con’t)
(2) 亚晶形核(con’t)
b) 亚晶迁移机制：
●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。
2) 长大(growth )：
●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无畸变的等轴晶粒时，
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 ）
)
3exp(14
3
t NG
R π?--=●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 )
)
exp(1k
R Bt --=?或：t
k B R
lg lg 11
ln lg +=-?●k 为常数2 再结晶动力学(kinetics of recrystallization , con ’t)
●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。长大速率。形核率；再结晶体积分数；
~~~)
3exp(143G N t G N R R ?π?--=常数。
常数；
再结晶体积分数；
~~~)
exp(1K B Bt R K R ??--=约翰逊-梅厄（Johnson-Mehl ）方程：阿弗拉密（Avrami ）方程：
假定条件：均匀成核、球形晶核，N 、G 不随时间改变、恒温假定条件：
均匀成核、球形晶核，N 随时间指数衰减、恒温
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：
)
exp(1RT Q
A t -=即：●在两个不同的恒定温度产生同样程度的再结晶时，可得：
)]
11(exp[1
22
1
T T R Q t t --=2 再结晶动力学(kinetics of recrystallization, con ’t)
●等温温度与再结晶速率的关系：)
exp(RT Q
A v -=因此：t
v 1
∝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。
●再结晶温度不是一个物理常数，它受诸多因素的影响
3 再结晶温度及其影响因素(con’t)
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；
●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)
预先变形度对再结晶晶粒度的影响
3 再结晶温度及其影响因素(con’t)
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
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
再结晶全图：
再结晶退火温度-变形量-再结晶后晶粒尺寸关系
临界变形区
§4.4 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，对晶界的迁移有阻碍作用。f
r
D m 34 ●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：D
t = Kt n = K 0 exp （-Q/RT ）t n ●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，
m D , 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 recrystallizati ●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
Mg-3Al-0.8Zn 合金退火组织
a 正常再结晶，
b 晶粒长大，
c 二次再结晶§ 4.5 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
1 冷加工与热加工的区别
低于再结晶温度的加工变形称为冷加工
高于再结晶温度的加工变形称为热加工
§4.6 动态回复和再结晶（dynamic recovery and recrystallization ）轧制
模锻拉拔
26
金属的冷热加工
模锻自由锻轧制
正挤压反挤压拉拔冲压
热加工：在加工变形的同时产生加工硬化和动态回复与
再结晶，并且热加工产生的加工硬化很快被回复再结晶
产生的软化所抵消，所以热加工体现不出加工硬化现象。
?如Fe 的再结晶温度为451℃，其在400℃以下的加工为冷加
工。Sn 的再结晶温度为-71℃，则在室温下的加工为热加工。
?热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面
尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。
?而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表
面光洁度要求高的工件。
2 动态回复、动态再结晶（dynamic recovery and recrystallization）
●如果材料在较高温度形变时，回复和再结晶相继发生，
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。1）动态回复（dynamic recovery ）
层错能高的晶体动态回复进行的较
完全，一般不会发生动态再结晶
第1阶段：微应变阶段。高温回复尚未
进行，晶体以加工硬化为主，应力增
加很快，但应变量却很小(<1%)。
第II阶段：均匀变形阶段。开始均匀的
塑性变形，位错密度继续增大，同时
动态回复也在逐步增加。
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
产生的软化达到平衡，即位错的增殖和湮灭达到了动力学平衡
状态，曲线保持水平。
2）动态再结晶（dynamic recrystallization）
层错能较低的金属，位错攀移不利，高温回复不能充分进行，热加工时的主要软化机制为动态再结晶。
第1阶段：加工硬化阶段，应力随应变上升很快，动态再结晶没有发生，金属出现加工硬化。第
II阶段：动态再结晶开始阶
段，应变量达到临界值，动态
再结晶开始，其软化作用随应
变增加逐渐加强，当应力超过
最大值后，软化作用增强。
第III阶段：稳态流变阶段，加工硬化与动态再结晶软化达
到动态平衡。当应变以高速率进行时，曲线为一水平线；
而应变以低速率进行时，曲线出现波动。
3 热加工对金属组织和性能的影响
?热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或拄状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。
?热加工使铸态金属中的非金属夹杂
沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线，由这种流线体现的组织称纤维组织。它使钢产生各向异性，在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。吊钩中的纤维组织
?在加工亚共析钢时，发现钢中的F与P呈带状分布，这
种组织称带状组织。
?带状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉长有关。可通
过多次正火或扩散退火消除.
正火组织
带状组织
●晶粒大小的控制。热加工时动态再结晶的晶粒大小主要
取决于变形时的流变应力，应力越大，晶粒越细小。添加
微量的合金元素可抑制热加工后的静态再结晶，热加工后
的细晶材料具有较高的强韧性。