第7章回复和再结晶
金属发生冷塑性变形后，其组织和性能发生了变化，为了使冷变形金属恢复到冷变形前的状态，需要将其进行加热退火。
为什么将冷变形金属加热到适当的温度能使其恢复到冷变形前的状态呢？因为冷变形金属中储存了部分机械能，使能量升高，处于热力学不稳定的亚稳状态，它有自发向热力学更稳定的低能状态转变的趋势。然而，在这两种状态之间有一个能量升高的中间状态，成为自发转变的障碍，称势垒。如果升高温度，金属中的原子获得足够的能量（激活能），就可越过势垒，转变成低能状态。
研究冷变形金属在加热过程中的变化有两种方法。1）以一定的速度连续加热时发生的变化；2）快速加热到某一温度，在保温过程中发生的变化。通常采用。
P195图1为将冷变形金属快速加热到0.5T m附近保温时，金相组织随保温时间的变化示意图。可以将保温过程分三个阶段：1）在光学显微组织发生改变前，称回复阶段；2）等轴晶粒开始产生到变形晶粒刚消失之间，称再结晶阶段；3）晶粒长大阶段。
7-1 回复
一、回复的定义
冷变形金属加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能的变化称回复。
二、回复对性能的影响
内应力降低，电阻降低，硬度和强度下降不多（基本不变）。
三、回复的机制
回复的机制根据温度的不同有三种：
（一）低温回复机制
冷变形金属在较低温度范围就开始回复，主要表现为电阻下降，但机械性能无变化。由此认为低温回复的机制是：过量点缺陷减少或消失。
（二）中温回复机制
温度范围比低温回复稍高。中温回复的机制是：位错发生滑移，导致位错的重新组合，及异号位错相遇抵消。
发生中温回复时，在电镜组织中，位错组态有变化；但位错密度的下降不明显。若两个异号位错不在同一滑移面上，在相遇抵消前，要通过攀移或交滑
移，这需要更大的激活能，只能在较高的温度才能发生。
（三）高温回复机制
发生高温回复时，电镜组织的特征是亚晶粒呈等轴状，即无变形的亚晶粒。于是，提出了高温回复的多边化机制（P197图5）。多边化的驱动力是位错应变能降低。由于攀移靠扩散实现，需要热激活，所以多边化过程需要在较高温度才能进行。
在进行实际组织观察时，对各种回复组织的鉴别是很复杂的。因为变形程度不同、材料不同时，冷变形组织也不同。
当冷变形度较大，形成条形胞状亚晶时，比较容易区分是否发生了多边化回复。此时，若金相组织中晶粒呈长条状变形晶粒，而高倍电镜组织中，亚晶粒呈等轴状，则发生了多边化回复，亚晶界越平直清晰，多边化回复越充分。
当冷变形度不大时，胞状亚晶不是条状，如P198图8。其冷变形组织为缠结位错构成变形胞的边界（a）；
经过短时间的回复退火后，变形胞内的位错移向胞壁，同时胞壁处的缠结位错逐渐向较直、较不混乱的趋势变化（b）；
进一步发展时，胞壁缠结位错形成网络，形成网络状亚晶界（c）；
再进一步发展时，某些网络状亚晶界合并，使亚晶聚合长大（d）。
上面的例子中，我们一般用亚结构的变化特点来描述回复的进程。
根据回复机制，可对回复导致的性能变化作如下解释：电阻下降是由于空位的减少和位错应变能降低；内应力降低是由于弹性应变基本消除；强度和硬度下降不多是由于位错密度下降不大。
四、回复的应用
回复退火主要用于在保持加工硬化的基础上，去应力。
例1：经深冲压制成的黄铜弹壳，放置一段时间后会自己开裂。研究结果表明，这是由于残留内应力与外界腐蚀介质对晶界产生的应力腐蚀，导致晶界处应力集中而开裂。经过260℃去应力退火后，就不再发生应力腐蚀开裂。
例2：用冷拉拔钢丝卷制弹簧，放置一段时间后弹簧形状或尺寸会发生变化。若在卷制弹簧后立即进行250-300℃的去应力退火，就可去除内应力，使形状不再改变，也称定形退火。
例3：对铸件、焊接件的去应力退火。
7-2再结晶
一、再结晶的定义
冷变形金属加热时，从无畸变的等轴晶粒的出现到完全取代变形晶粒这一
阶段称再结晶。
冷变形金属加热时，其组织和性能变化最显著的阶段是再结晶阶段。
再结晶是一种形核和长大过程，但不是相变过程。
二、再结晶的形核
很多试验证实，发生再结晶的前提是先发生多边化回复。若不发生多边化回复，即使退火温度再高，也只发生回复，不发生再结晶。
透射电镜观察也证明，再结晶核心是在多边化所产生的无应变亚晶的基础上形成的。多边化形成的亚晶之间是由位错构成的小角晶界，其中尺寸较大的无应变亚晶可以通过两种方式生长：1）通过亚晶界的移动，吞并相邻的变形基体，并释放出变形储存能；2）通过两个亚晶之间的亚晶界的消失，使两亚晶合并。这时，组成亚晶界的位错通过滑移和攀移并入邻近的亚晶界中。
无论以上哪种生长方式，晶核的亚晶界逐渐由小角晶界向大角晶界变化。一旦形成大角晶界，其迁移速率比小角晶界要大得多，成为再结晶核心。
上面的形核机制适用于冷变形量较大的情况（大于
20%）。冷变形量较小时，往往以晶界凸出形核的方式进
行。
如图，有两个晶粒，其中晶粒B的变形度较大，亚
晶较小。这样，晶界会局部向晶粒B凸出，其扫过区域
为无应变的晶体，再构成再结晶核心。
二、再结晶晶核的生长
再结晶核心无论以哪种方式形成，都可通过其周围
的大角晶界移动而生长，直到相互接触时，形成完全由大角晶界组成的无应变的新晶粒组织。
三、再结晶温度及其影响因素
开始进行再结晶的最低温度称再结晶温度。
影响再结晶温度的因素有：
（一）变形度
冷变形度越大，储存能越高，再结晶驱动力也越大，不但再结晶温度越低，等温退火时，再结晶速度也越快。
当变形量增大到一定程度时，再结晶温度就基本稳定不变了（P201图11）。
（二）原始晶粒尺寸
在其它条件一定时，金属的晶粒越细小，变形抗力越大，储存的能量越高，再结晶温度也越低。
（三）微量溶质原子
微量溶质原子的存在会偏聚在位错和晶界处，阻碍其运动，不利于再结晶的形核和长大，使再结晶温度升高。
（四）加热速度
加热速度十分缓慢时，回复充分，储存能减少，再结晶的驱动力降低，使再结晶温度升高。
但极快的加热速度，形核过程困难，也使再结晶温度升高。
（五）分散第二相粒子
当第二相粒子较粗大时，粒子的平均间距较大，加工硬化增加了储存能，使再结晶驱动力增大，促进基体的再结晶。
当第二相粒子较细小时，粒子的平均间距较小，阻碍再结晶时位错和晶界的运动，使再结晶受阻。
四、再结晶后晶粒大小
再结晶后形成的晶粒通常是等轴状，其大小受许多因素的影响，主要有：变形度、退火温度、杂质和合金成分、原始晶粒度等。这里重点讨论变形度和退火温度。
（一）变形度的影响
P202，研究测得冷变形度对再结晶后晶粒大小的影响如图12。可见，当变形量很小时，不发生再结晶，故晶粒度不改变。
发生再结晶的最小变形量一般在2-8%（与材料、退火温度有关），此时再结晶后晶粒特别粗大，称临界变形度。粗大晶粒对机械性能不利，故应避免在临界变形度范围进行加工变形（如锻造加工
时）。临界变形度现象是由于再结晶形核部
位少。
大于临界变形度时，随着变形度增加，
晶粒逐渐细化。这是因为N
G /减小。 （二）退火温度的影响
提高退火温度，不但使再结晶后晶粒变
大，而且临界变形度减小，再结晶后的晶粒
更粗大。
7-3 晶粒长大
再结晶完成后，若继续保温或升高温度，再结晶晶粒会继续长大。其驱动
力是晶界能降低。
晶粒长大是通过大角晶界移动实现的，晶界移动服从两个基本规律：
1）弯曲晶界向其曲率中心移动；
2）晶界交会点处的表面张力趋向于平衡状态。
由规律2可知，三叉晶界交会点趋向于满足张力平
衡关系：
332211sin sin sin θT θT θT == 对于大角晶界，T 1=T 2=T 3，故θ1=θ2=θ3=120°，
对于较大的再结晶晶粒，边数较多，其顶角大于120°，张力平衡要求其晶界向外弯曲，使该晶粒长大；反之，晶粒减小。即大晶粒通过吞食小晶粒长大。最后，稳定的二维晶粒组织应该是六边形大晶粒组织（十四面体）。
一、影响晶粒长大的因素
（一）温度
温度越高，晶粒长大速度越快。
（二）分散第二相粒子
试验发现，某些金属中存在弥散分布的第二相粒子时，当在一定温度范围加热时，晶粒长大到一定尺寸就停止了。说明弥散分布的第二相粒子阻碍晶粒长大。理论研究表明，达到平衡时的稳定晶粒直径为：
f
r d 34= 式中，f 为第二相粒子的体积分数；r 为第二相粒子的半径。可见，f 一定时，r 越小，则晶粒就越细小。例如，在工业生产中，经常在钢中加入少量Al 、Ti 、Nb 、V 等合金元素，形成AlN 、TiN 、VC 、NbC 等弥散分布的第二相，阻碍高温下钢的晶粒长大。
在观察晶粒长大后的组织时，发现有时候晶粒大小分布比较均匀，有时候则很不均匀，会出现部分十分粗大的晶粒。研究表明，前者属于正常晶粒长大的组织，后者则是异常晶粒长大的组织。
二、正常晶粒长大
晶粒长大是大晶粒吃小晶粒的过程，所以应该存在一个临界晶粒半径R 0，大于该值的晶粒长大，否则消失。
如果能够长大的晶粒数目很多，并在金属中较均匀的分布，那么晶粒长大θ2 晶粒1 晶粒2 晶粒3 θ1 θ3 T 3
T 1 T 2
过程中，晶粒的尺寸就比较均匀，这种晶粒长大方式称正常晶粒长大。
三、异常晶粒长大（二次再结晶）
若在晶粒长大过程中，多数晶粒缓慢长大（正常晶粒长大），但由于某些原因，有少数晶粒迅速长大，使晶粒之间的尺寸差别显著增大（P207图22），这种晶粒长大方式称异常晶粒长大，也叫二次再结晶。
显然，二次再结晶属于特殊条件下的晶粒长大过程，并非再结晶。
一般认为，造成少数晶粒迅速长大的原因是那些能够强烈阻碍晶粒长大的因素在组织中分布不均造成的。例如，第二相粒子分布不均，尤其当退火温度高于第二相溶解温度时（P207图22，温度高于MnS溶解温度）。
四、再结晶图
通常将再结晶退火后，晶粒的大小与冷变形度、退火温度间的关系绘制成空间图形，称再结晶图（P208图23）。
图23中，冷变形度很小时，出现的粗大晶粒区与临界变形度有关；大变形度时出现的粗大晶粒区与一次再结晶织构引起的二次再结晶有关。
由于再结晶图不可能把所有影响因素都考虑进去，因此有一定的局限性。但仍有一定参考价值。
五、退火孪晶
某些具有面心立方结构的金属及合金，其再结晶退火组织中经常出现孪晶，称退火孪晶（P208图25）。孪晶面是{111}面。
图中，A、B、C为三种典型退火孪晶的形态。孪
晶带两侧相互平行的孪晶界属于共格的孪晶界，由
{111}面组成。孪晶带在晶界内终止处、及共格孪晶
界的台阶处，均属于非共格的孪晶界。
形成退火孪晶时，需要在{111}面出现堆垛层错。
退火孪晶的形成机制：一般认为退火孪晶是在晶
粒长大阶段形成的。
如图，当晶粒通过晶界移动生
长时，原子层在晶界角处{111}面上
的堆垛次序偶然出错，就出现一共
格的孪晶界，并生长成退火孪晶。
若再次错排后又回到原来的堆垛顺序，就形成一退火孪晶带。
六、再结晶织构
冷变形织构经过再结晶后，有三种可能：1）保持甚至加强了原有的织构；
2）原织构消失，产生新织构；3）原织构消失，也无新织构。
前两种比较常见。第三种很少见，往往是粗大晶粒，阻碍织构的测定。
（一）织构的表示
织构通常用一个或两个主要取向来表示。例如：
1）拉拔金属丝时，用与金属丝轴线平行的晶向
2）轧制板材时，用{hkl}
3）多数情况下，织构的集中程度不是很高，取向虽有趋同的趋势，但有一定的分散度，为了较全面的反映取向的实际分布情况，通常用“极图”表示。
（二）再结晶织构的形成
再结晶织构的形成有两种主要理论：定向生长理论、定向成核理论。
1、定向生长理论
该理论认为，一次再结晶时，形成了多种取向的晶核，晶核的生长速度取决于晶核与变形基体间的位向差。那些具有有利取向的晶核迅速长大，其它取向的晶核生长受到限制，从而形成一次再结晶织构。
2、定向成核理论
根据一次再结晶的三种形核方式（晶界凸出形核、亚晶界移动、亚晶合并）可知，再结晶核心都保持变形织构的择优取向，因此，定向成核理论能很好的解释保持变形织构的一次再结晶织构。
7-4 金属的热加工
一、定义
在（回复或）再结晶温度以上进行的塑性加工称热加工。反之为冷加工。
热加工对金属材料的成型和改善组织及性能具有重要意义。
金属材料进行热加工时，一方面，塑性变形产生加工硬化；另一方面，回复和再结晶使材料软化。通常把热加工时产生的回复和再结晶称动态回复和动态再结晶。
二、ε 和T对σ-ε曲线的影响
在再结晶温度以上对材料进行拉伸变形时，在开始阶段，主要表现为加工硬化。随着加工硬化的进行，回复、再结晶的驱动力逐渐增大，直到发生回复、再结晶。当回复、再结晶的软化作用小于加工硬化作用时，材料仍表现为加工硬化趋势，只是加工硬化被削弱。但是，随着加工硬化的进行，发生软化过程的驱动力也在不断增加，总有一个时刻，硬化和软化过程达到平衡，之后，流变应力就稳定在恒定值，如P210图28。由图可见：
1）T一定时，ε 越大，流变应力越大（ε 一定时，T越低，流变应力越大）；
2）曲线起始部分的加工硬化速率随ε 降低（T升高）而减小；
3）大于一定应变后，流变应力趋于稳定；
4）有时（软化作用较大时），稳定态的流变应力呈波浪形周期变化。
注意，即使在冷加工条件下，ε 也会对σ-ε曲线产生影响，在没有说明的情况下，一般ε 很小，称静态拉伸。
三、动态回复
对于层错能较高的金属，如Al及其合金、工业纯铁、铁素体钢及其合金等，在热加工时，交滑移和攀移容易进行，动态回复往往是这类材料热加工时的唯一软化机制。它们即使在远高于静态再结晶温度进行热加工，也不发生动态再结晶。
如果热加工终止后立即将其快速冷却到室温，其金相组织为变形晶粒，电镜组织为等轴亚晶，是典型的高温多边化回复特征。
T一定时，亚晶的平均尺寸在整个稳定态应变范围内保持恒定，但随T升高或ε 降低而增大。
热加工结束后，若材料在高温停留时间过长，或冷却缓慢，则会发生静态再结晶。动态回复组织要比静态再结晶组织的强度高得多，可通过快速冷却将动态回复组织保留下来。
四、动态再结晶
对于层错能较低的金属及固溶体合金，如Cu、Ni、Au、Ag及其合金，γ-Fe、奥氏体钢、高纯度α铁等，其交滑移和攀移很难进行，很难通过交滑移和攀移进行动态回复，在一定应力和变形温度下，材料在变形过程中积累到足够高的局部位错密度差别时，就会发生动态再结晶。
这类材料多数具有面心立方结构，在热加工时，软化过程主要来自动态再结晶，特别是较高的变形温度和较低的应力情况下，倾向于发生动态再结晶。
（一）动态再结晶的组织特征
和冷变形金属的再结晶一样，动态再结晶也是通过形核形成新的大角晶界及其移动的方式进行的。但是，持续的变形使动态再结晶晶粒中出现缠结位错。
（二）动态再结晶的晶粒大小
动态再结晶的晶粒大小只取决于稳定态流变应力的大小，而与变形温度无关。因此，在高流变应力的条件下发生动态再结晶是细化晶粒的有效途径。
注意，在较高应变速率下发生动态再结晶时，组织中始终有动态再结晶晶核存在，当变形终止时，若材料仍处于高温，这些晶核会继续生长，发生静态
再结晶。这种静态再结晶有如下特点：
1）不需要孕育期来形核，所以，这种静态再结晶能非常迅速的发生。因此，在工业产生条件下，通常不可能将动态再结晶组织保留下来。
2）大角晶界的迁移需要热激活，故静态再结晶的速度强烈的受温度影响。
3）这种静态再结晶的晶粒大小也取决于热变形时稳定态流变应力的大小。
五、热加工后的组织与性能
热加工虽然不会使金属发生加工硬化，但能消除铸造材料中的某些缺陷。如气孔和疏松焊合，改善夹杂物和脆性相的形态、大小、分布，部分消除某些偏析，将粗大的柱状晶和树枝晶变成细小、均匀的等轴晶等。使材料的致密性和机械性能提高，因此，热加工状态比铸态有更好的机械性能（P211表2）。
（一）流线组织（纤维组织）
热加工后，材料中的夹杂物、第二相、晶界和相界等会沿变形方向分布，在金相观察时，可看到热加工纤维组织，也称流线组织。这种流线组织使材料的机械性能出现各向异性，顺着纤维方向有较好的拉伸性能（P211表3）；垂直纤维方向有较好的剪切强度（抗弯强度）。
充分利用这种各向异性可发挥材料的使用效能，如P211图29。
（二）带状组织
对于含磷偏高的低、中碳钢，铸态时，树枝晶间富P贫C，即使在奥氏体状态进行热加工也难以消除，它们沿着变形方向分布，好象被“拉长”。当奥氏体冷却到析出先共析铁素体时，先共析铁素体就在富P贫C的地带形核并长大，形成铁素体带，而铁素体带两侧的富C地带则随后转变成珠光体带。此外，若钢中含有较多的非金属夹杂物，它们在热加工时也被“拉长”分布，先共析铁素体通常也会依附于它们而析出。这种由于偏析或夹杂物在压力加工过程中被“拉长”，造成珠光体和铁素体沿轧制方向呈带状或层状分布的组织称带状组织。（P212图30、31）
低碳钢板如只有带状组织没有非金属夹杂物时，对钢板的横向机械性能影响并不大；但若同时有较多的非金属夹杂物时，会使钢板横向的塑性和冲击韧性明显下降。
带状组织有时可用正火处理消除，但磷偏析严重时很难去除，需要用高温扩散退火及随后的正火来改善。
热加工材料的机械性能，在很大程度上取决于晶粒大小。为了获得细小的晶粒，除了要控制流变应力外，还要避免静态再结晶的发生，这就需要控制热加工的终止温度和冷却方式。
第六章回复与再结晶 (一)填空题 1. 金属再结晶概念的前提是，它与重结晶的主要区别是。 2. 金属的最低再结晶温度是指，它与熔点的大致关系是。 3 钢在常温下的变形加工称，铅在常温下的变形加工称。 4．回复是，再结晶是。 5．临界变形量的定义是，通常临界变形量约在范围内。 6 金属板材深冲压时形成制耳是由于造成的。 7．根据经验公式得知，纯铁的最低再结晶温度为。 (二)判断题 1．金属的预先变形越大，其开始再结晶的温度越高。（×） 2．变形金属的再结晶退火温度越高，退火后得到的晶粒越粗大。（√）3．金属的热加工是指在室温以上的塑性变形过程。（×） 4．金属铸件不能通过再结晶退火来细化晶粒。（√） 金属铸件不能通过再结晶退火达到细化晶粒的目的，因为铸件，没有经受冷变形加工，所以当加热至再结晶退火温度时，其组织不会发生根本变化，因而达不到细化晶粒的目的。 再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性能。再结晶退火的温度较低，一般都在临界点以下。若对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有形成新晶核的驱动力(如冷变形储存能等)，所以不会形成新晶粒，也就不能细化晶粒。 5．再结晶过程是形核和核长大过程，所以再结晶过程也是相变过程。（×）； 6 从金属学的观点看，凡是加热以后的变形为热加工，反之不加热的变形为冷加工。 （×） 7 在一定范围内增加冷变形金属的变形量，会使再结晶温度下降。( √) 8．凡是重要的结构零件一般都应进行锻造加工。（√） 9．在冷拔钢丝时，如果总变形量很大，中间需安排几次退火工序。( √) 10．从本质上讲，热加工变形不产生加工硬化现象，而冷加工变形会产生加工硬化现象。这是两者的主要区别。( ×) (三)选择题 1．变形金属在加热时发生的再结晶过程是一个新晶粒代替旧晶粒的过程，这种新晶粒的晶型( )。 A．与变形前的金属相同 B 与变形后的金属相同 C 与再结晶前的金属相同D．形成新的晶型 2．金属的再结晶温度是( ) A．一个确定的温度值B．一个温度范围 C 一个临界点D．一个最高的温度值 3．为了提高大跨距铜导线的强度，可以采取适当的( A )。 A．冷塑变形加去应力退火 B 冷塑变形加再结晶退火 C 热处理强化D．热加工强化 4 下面制造齿轮的方法中，较为理想的方法是( C )。 A．用厚钢板切出圆饼再加工成齿轮B用粗钢棒切下圆饼再加工成齿轮 C 由圆钢棒热锻成圆饼再加工成齿轮D．由钢液浇注成圆饼再加工成齿轮 5．下面说法正确的是( C )。 A．冷加工钨在1 000℃发生再结晶 B 钢的再结晶退火温度为450℃ C 冷加工铅在0℃也会发生再结晶D．冷加工铝的T再≈0.4Tm＝0.4X660℃＝264℃ 6 下列工艺操作正确的是(D ) 。 A．用冷拉强化的弹簧丝绳吊装大型零件淬火加热时入炉和出炉 B 用冷拉强化的弹簧钢丝作沙发弹簧 C 室温可以将保险丝拉成细丝而不采取中间退火 D．铅的铸锭在室温多次轧制成为薄板，中间应进行再结晶退火 7 冷加工金属回复时，位错(C )。
1、一块单相多晶体包含。 A．不同化学成分的几部分晶体B．相同化学成分，不同结构的几部分晶体C．相同化学成分，相同结构，不同位向的几部分晶体 2、在立方系中点阵常数通常指。 A．最近的原子间距B．晶胞棱边的长度 3、每一个面心立方晶胞中有八面体间隙m个，四面体间隙n个，其中。 A．m=4，n=8B．m=13，n=8C．m=1，n=4 4、原子排列最密的一族晶面其面间距。 A．最小B．最大 5、晶体中存在许多点缺陷，例如 A．被激发的电子B．空位C．沉淀相粒子 6、金属中通常存在着溶质原子或杂质原子，它们的存在。 A．总是使晶格常数增大B．总是使晶格常数减小C．可能使晶格常数增大，也可能使晶格常数减小 7、金属中点缺陷的存在使电阻。 A．增大B．减小C．不受影响 8、空位在过程中起重要作用。
A．形变孪晶的形成B．自扩散C．交滑移 9、金属的自扩散的激活能应等于。 A．空位的形成能与迁移激活能的总和B．空位的形成能C．空位的迁移能 10、位错线上的割阶一般通过形成 A．位错的交割B．交滑移C．孪生 一、名词解释 沉淀硬化、细晶强化、孪生、扭折、第一类残余应力、第二类残余应力、、回复、再结晶、多边形化、临界变形量、冷加工、热加工、动态回复、动态再结晶 沉淀硬化：在金属的过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区和由之脱出微粒弥散分布于基体中导致硬化。 细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法。 孪生：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。 扭折：在滑移受阻、孪生不利的条件下，晶体所做的不均匀塑性变形和适应外力作用，是位错汇集引起协调性的形变。 按残余应力作用范围不同，可分为宏观残余应力和微观残余应力等两大类，其中宏观残余应力称为第一类残余应力（由整个物体变形不均匀引起），微观残余应力称为第二类残余应力（由晶粒变形不均匀引起）。 储存能：在塑性变形中外力所作的功除大部分转化为热之外，由于金属内部的形变不均匀及点阵畸变，尚有一小部分以畸变能的形式储存在形变金属内部，这部分能量叫做储存能。回复：经冷塑性变形的金属加热时，尚未发生光学显微组织变化前（即再结晶之前）的微观结构变化过程。 再结晶：经冷变形的金属在一定温度下加热时，通过新的等轴晶粒形成并逐步取代变形晶粒的过程。 多边形化：指回复过程中油位错重新分布而形成确定的亚晶结构过程。 临界变形量：需要超过某个最小的形变量才能发生再结晶，这最少的形变量就称为临界变形量。 冷加工：在再结晶温度以下的加工过程；在没有回复和在接近的条件下进行的塑性变形加工。热加工：在再结晶温度以上的加工过程；在再结晶过程得到充分进行的条件下进行的塑性变形加工。 动态回复：热加工时由于温度很高，金属在变形的同时发生回复，同时发生加工硬化和软化两个相反的过程。这种在热变形时由于温度和外力联合作用下发生的回复过程 动态再结晶：是指金属在热变形过程中发生的再结晶现象。 二、问答题
理论课教案 编号：NGQD-0707-09版本号：A/0页码：编制/时间：审核/时间：批准/时间： 学科金属材料及 热处理 第三章金属的塑性变形与再结晶 第三节回复与再结晶 教学类型授新课授课时数1授课班级 教学目的 和要求 1、了解加热过程中，变形金属内部组织的变化。 教学重点和难点1、重点：回复、再结晶的作用。 2、难点：再结晶温度的计算。 教具准备 复习提问再结晶温度如何计算？ 作业布置P33习题8 教学方法主要教学内容和过程附记 §3-3回复与再结晶 经冷塑性变形后的金属晶粒破碎，晶格扭曲，位错密度增高，产生内应力，其内部能量增高，因而组织处于不稳定 的状态，并存在向稳定状态转变的趋势。在低温下，这种转 变一般不易实现。而在加热时，由于原子的动能增大，活动 能力增强，冷塑性变形后的金属组织会发生一系列的变化， 最后趋于较稳定的状态。随着加热温度的升高，变形金属的 内部相继发生回复、再结晶、晶粒长大三个阶段的变化
理论课教案附页 编制/时间： 教学方法主要教学内容和过程附记 一、回复 回复：当加热温度不太高时，原子活动能力有所增加，原子已能作短距离的运动，此时，晶格畸变程度大为减轻， 从而使内应力有所降低，这个阶段称为回复。 1、回复是冷塑性变形金属在较低温度下加热的阶段。 在这个温度范围内，随温度的升高，变形金属中的原子活动 能力有所增大。 2、通过回复，变形金属的晶格畸变程度减轻，内应力 大部分消除，但金属的显微组织无明显变化，因此力学性能 变化不大。 3、在生产实际中，常利用回复现象将冷变形金属在低 温加热，进行消除内应力的处理，适当提高塑性、韧性、弹 性，以稳定其组织和尺寸，并保留加工硬化时留下的高硬度 的性能。 二、再结晶 再结晶：当冷塑性变形金属加热到较高温度时，由畸变晶粒通过形核及晶核长大而形成新的无畸变的等轴晶粒的 过程。 1、再结晶过程是发生在较高温度（再结晶温度以上）， 其过程以形核和核长大的方式进行。（见教材P30） 2、再结晶后，冷变形金属的组织和性能恢复到变形前 的状态（教材P31） 3、再结晶过程是新晶粒重新形成的过程，而晶格类型 并没有发生改变，所以它不是相变过程。（教材P31）
七章-回复与再结晶习题答案(西北工业大学-刘智恩)
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1．设计一种实验方法，确定在一定温度( T )下再结晶形核率N和长大线速度G （若N和G都随时间而变）。 2．金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒? 3．固态下无相变的金属及合金，如不重熔，能否改变其晶粒大小? 用什么方法可以改变? 4．说明金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段晶体缺陷的行为与表现，并说明各阶段促使这些晶体缺陷运动的驱动力是什么。 5．将一锲型铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制，如图7—4所示。 (1) 画出此铜片经完全再结晶后晶粒大小沿片长方向变化的 示意图；
(2) 如果在较低温度退火，何处先发生再结晶?为什么? 6．图7—5示出。—黄铜在再结晶终了的晶粒尺寸和再结晶前的冷加 工量之间的关系。图中曲线表明，三种不同的退火温度对晶粒大小影响不大。这一现象与通常所说的“退火温度越高，退火后晶粒越大”是否有矛盾?该如何解释? 7．假定再结晶温度被定义为在1 h 内完成95％再结晶的温度，按阿 累尼乌斯(Arrhenius)方程，N ＝N 0exp(RT Q n -)，G ＝G 0exp(RT Q g -)可 以知道，再结晶温度将是G 和向的函数。 (1) 确定再结晶温度与G 0，N 0，Q g ，Q n 的函数关系； (2) 说明N 0，G 0，Q g ，Q 0的意义及其影响因素。 8．为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5％后于650℃退火1 h ，组织 反而粗化；增大冷变形量至80％，再于650℃退火1 h ，仍然得到粗大晶粒。试分析其原因，指出上述工艺不合理处，并制定一种合理的晶粒细化工艺。
第七章金属及合金的回复和再结晶 7-1 用冷拔铜丝线制作导线，冷拔之后应如何如理，为什么？ 答： 应采取回复退火（去应力退火）处理：即将冷变形金属加热到再结晶温度以下某一温度，并保温足够时间，然后缓慢冷却到室温的热处理工艺。 原因：铜丝冷拔属于再结晶温度以下的冷变形加工，冷塑性变形会使铜丝产生加工硬化和残留内应力，该残留内应力的存在容易导致铜丝在使用过程中断裂。因此，应当采用去应力退火使冷拔铜丝在基本上保持加工硬化的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力），改善其塑性和韧性，提高其在使用过程的安全性。 7-2 一块厚纯金属板经冷弯并再结晶退火后，试画出截面上的显微组织示意图。答：解答此题就是画出金属冷变形后晶粒回复、再结晶和晶粒长大过程示意图（可参考教材P195，图7-1） 7-3 已知W、Fe、Cu的熔点分别为3399℃、1538℃和1083℃，试估算其再结晶温度。 答： 再结晶温度：通常把经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成超过95%再结晶转变量的温度作为再结晶温度。 1、金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在一经验关系式：T再≈δTm，对于工业纯金属来说：δ值为0.35-0.4，取0.4计算。 2、应当指出，为了消除冷塑性变形加工硬化现象，再结晶退火温度通常要比其最低再结晶温度高出100-200℃。 如上所述取T =0.4Tm，可得： 再 W再=3399×0.4=1359.6℃ Fe再=1538×0.4=615.2℃ Cu再=1083×0.4=433.2℃ 7-4 说明以下概念的本质区别：
1、一次再结晶和二次在结晶。 2、再结晶时晶核长大和再结晶后的晶粒长大。 答： 1、一次再结晶和二次在结晶。 定义 一次再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度，保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新的等轴晶粒，位错密度显著下降，性能发生显著变化恢复到冷变形前的水平，称为（一次）再结晶。它的实质是新的晶粒形核、长大的过程。 二次再结晶：经过剧烈冷变形的某些金属材料，在较高温度下退火时，会出现反常的晶粒长大现象，即少数晶粒具有特别大的长大能力，逐步吞食掉周围的小晶粒，其最终尺寸超过原始晶粒的几十倍或上百倍，比临界变形后的再结晶晶粒还要粗大得多，这个过程称为二次再结晶。二次再结晶并不是晶粒重新形核和长大的过程，它是以一次再结晶后的某些特殊晶粒作为基础而异常长大，严格来说它是特殊条件下的晶粒长大过程，并非是再结晶过程。 本质区别：是否有新的形核晶粒。 2、再结晶时晶核长大和再结晶后的晶粒长大。 定义 再结晶晶核长大：是指再结晶晶核形成后长大至再结晶初始晶粒的过程。其长大驱动力是新晶粒与周围变形基体的畸变能差，促使晶核界面向畸变区域推进，界面移动的方向，也就是晶粒长大的方向总是远离界面曲率中心，直至所有畸变晶粒被新的无畸变晶粒代替。 再结晶后的晶粒长大：是指再结晶晶核长大成再结晶初始晶粒后，当温度继续升高或延长保温时间，晶粒仍然继续长大的过程。此时，晶粒长大的驱动力是晶粒长大前后总的界面能的差，界面移动的方向，也就是晶粒长大的方向都朝向晶界的曲率中心，直至晶界变成平面状，达到界面能最低的稳定状态。 本质区别： 1、长大驱动力不同 2、长大方向不同，即晶界的移动方向不同。 7-5 分析回复和再结晶阶段空位与位错的变化及其对性能的影响。 答： 回复阶段： 回复：是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 空位和位错的变化及对性能的影响： 回复过程中，空位和位错发生运动，从而改变了他们的数量和组态。 低温回复时，主要涉及空位的运动。空位可以移至表面、晶界或位错处消失，也可以聚集形成空位对、空位群，还可以与间隙原子相互作用而消失，总之空位运动的结果使空位密度大大减小。电阻率对空位密度比较敏感，因此其数值会有显著下降。而力学性能对空位的变化不敏感，没有变化。 中温回复时，主要涉及位错的运动。由于位错滑移会导致同一滑移面上异号位错合并而相互抵消，位错密度略有下降，但降低幅度不大，力学性能变化不大。高温回复时，主要涉及位错的运动。位错不但可以滑移、而且可以攀移，发生多
第七章金属及合金的回复和再结晶7-1 用冷拔铜丝线制作导线，冷拔之后应如何如理，为什么？ 答： 应采取回复退火（去应力退火）处理：即将冷变形金属加热到再结晶温度以下某一温度，并保温足够时间，然后缓慢冷却到室温的热处理工艺。 原因：铜丝冷拔属于再结晶温度以下的冷变形加工，冷塑性变形会使铜丝产生加工硬化和残留内应力，该残留内应力的存在容易导致铜丝在使用过程中断裂。因此，应当采用去应力退火使冷拔铜丝在基本上保持加工硬化的条件下降低其内应力（主要是第一类内应力），改善其塑性和韧性，提高其在使用过程的安全性。 7-2 一块厚纯金属板经冷弯并再结晶退火后，试画出截面上的显微组织示意图。 答：解答此题就是画出金属冷变形后晶粒回复、再结晶和晶粒长大过程示意图（可参考教材P195，图7-1） 7-3 已知W、Fe、Cu的熔点分别为3399℃、1538℃和1083℃，试估算其再结晶温度。答： 再结晶温度：通常把经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，在约1h的保温时间内能够完成超过95%再结晶转变量的温度作为再结晶温度。 1、金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在一经验关系式：T再≈δTm，对于工业纯金属来说：δ值为0.35-0.4，取0.4计算。 2、应当指出，为了消除冷塑性变形加工硬化现象，再结晶退火温度通常要比其最低再结晶温度高出100-200℃。 =0.4Tm，可得： 如上所述取T 再 W再=3399×0.4=1359.6℃ Fe再=1538×0.4=615.2℃ Cu再=1083×0.4=433.2℃ 7-4 说明以下概念的本质区别： 1、一次再结晶和二次在结晶。 2、再结晶时晶核长大和再结晶后的晶粒长大。 答： 1、一次再结晶和二次在结晶。 定义 一次再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度，保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新的等轴晶粒，位错密度显著下降，性能发生显著变化恢复到冷变形前的水平，称为（一次）再结晶。它的实质是新的晶粒形核、长大的过程。 二次再结晶：经过剧烈冷变形的某些金属材料，在较高温度下退火时，会出现反常的晶粒长大现象，即少数晶粒具有特别大的长大能力，逐步吞食掉周围的小晶粒，其最终尺寸超过原始晶粒的几十倍或上百倍，比临界变形后的再结晶晶粒还要粗大得多，这个过程称为二次再结晶。二次再结晶并不是晶粒重新形核和长大的过程，它是以一次再结晶后的某些特殊晶粒作为基础而异常长大，严格来说它是特殊条件下的晶粒长大过程，并非是再结晶过程。 本质区别：是否有新的形核晶粒。 2、再结晶时晶核长大和再结晶后的晶粒长大。
1．设计一种实验方法，确定在一定温度( T )下再结晶形核率N和长大线速度G （若N和G都随时间而变）。 2．金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒 3．固态下无相变的金属及合金，如不重熔，能否改变其晶粒大小用什么方法可以改变 4．说明金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段晶体缺陷的行为与表现，并说明各阶段促使这些晶体缺陷运动的驱动力是什么。 5．将一锲型铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制，如图7—4所示。 (1) 画出此铜片经完全再结晶后晶粒大小沿片长方 向变化的示意图；
(2) 如果在较低温度退火，何处先发生再结晶为什么 6．图7—5示出。—黄铜在再结晶终了的晶粒尺寸和再结晶 前的冷加工量之间的关系。图中曲线表明，三种不同的退火温度对晶粒大小影响不大。这一现象与通常所说的“退火温度越高，退火后晶粒越大”是否有矛盾该如何解释 7．假定再结晶温度被定义为在1 h 内完成95％再结晶的温度， 按阿累尼乌斯(Arrhenius)方程，N ＝N 0exp(RT Q n -)，G ＝G 0exp(RT Q g -) 可以知道，再结晶温度将是G 和向的函数。 (1) 确定再结晶温度与G 0，N 0，Q g ，Q n 的函数关系； (2) 说明N 0，G 0，Q g ，Q 0的意义及其影响因素。 8．为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5％后于650℃退火1 h ，组织反而粗化；增大冷变形量至80％，再于650℃退火1 h ，仍然得到粗大晶粒。试分析其原因，指出上述工艺不合理处，并制定一种合理的晶粒细化工艺。
9．冷拉铜导线在用作架空导线时(要求一定的强度)和电灯花导线(要求韧性好)时，应分别采用什么样的最终热处理工艺才合适 10．试比较去应力退火过程与动态回复过程位错运动有何不同。从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶 11．某低碳钢零件要求各向同性，但在热加工后形成比较明显的带状组织。请提出几种具体方法来减轻或消除在热加工中形成带状组织的因素。 12．为何金属材料经热加工后机械性能较铸造状态为佳 13．灯泡中的钨丝在非常高的温度下工作，故会发生显著的晶粒长大。当形成横跨灯丝的大晶粒时，
第7章回复和再结晶 金属发生冷塑性变形后，其组织和性能发生了变化，为了使冷变形金属恢复到冷变形前的状态，需要将其进行加热退火。 为什么将冷变形金属加热到适当的温度能使其恢复到冷变形前的状态呢？因为冷变形金属中储存了部分机械能，使能量升高，处于热力学不稳定的亚稳状态，它有自发向热力学更稳定的低能状态转变的趋势。然而，在这两种状态之间有一个能量升高的中间状态，成为自发转变的障碍，称势垒。如果升高温度，金属中的原子获得足够的能量（激活能），就可越过势垒，转变成低能状态。 研究冷变形金属在加热过程中的变化有两种方法。1）以一定的速度连续加热时发生的变化；2）快速加热到某一温度，在保温过程中发生的变化。通常采用。 P195图1为将冷变形金属快速加热到0.5T m附近保温时，金相组织随保温时间的变化示意图。可以将保温过程分三个阶段：1）在光学显微组织发生改变前，称回复阶段；2）等轴晶粒开始产生到变形晶粒刚消失之间，称再结晶阶段；3）晶粒长大阶段。 7-1 回复 一、回复的定义 冷变形金属加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能的变化称回复。 二、回复对性能的影响 内应力降低，电阻降低，硬度和强度下降不多（基本不变）。 三、回复的机制 回复的机制根据温度的不同有三种： （一）低温回复机制 冷变形金属在较低温度范围就开始回复，主要表现为电阻下降，但机械性能无变化。由此认为低温回复的机制是：过量点缺陷减少或消失。 （二）中温回复机制 温度范围比低温回复稍高。中温回复的机制是：位错发生滑移，导致位错的重新组合，及异号位错相遇抵消。 发生中温回复时，在电镜组织中，位错组态有变化；但位错密度的下降不明显。若两个异号位错不在同一滑移面上，在相遇抵消前，要通过攀移或交滑
第七章回复与再结晶 重点与难点 内容提要： 晶体在外力的作用下发生形变.当外力较小时形变是弹性的,即卸载后形变也随之消失.这 种可恢复的变形就称为弹性变形.但是,当外加应力超过一定值(即屈服极限)时,卸载后变形就不能完全消失,而会留下一定的残余变形或永久变形.这种不可恢复的变形就称为塑性变形. 晶体的弹性和材料的微观组织(或结构)关系不大,而晶体的塑性(和强度)则对微观组织(结构)十分敏感. 本章的重点时讨论单晶体的塑性变形方式和规律,并在此基础上讨论多晶体和合金的塑性 变形特点及位错机制,以便认识材料强韧化的本质和方法,合理使用,研制开发新材料. 从微观上看,单晶体塑性变形的基本方法有两种:滑移和孪生.滑移和孪生都是剪应变,即在剪应力作用下晶体的一部分相对与另一部分沿着特定的晶面和晶向发生滑移.在滑移时,改特定晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向,一个滑移面和位于该面上的一个滑移方向便组成一个滑移系统.类似的,在孪生时,该特定晶面和晶向分别称为孪生面和孪生方向,一个孪生面和位于该面上的一个孪生方向组成一个孪生系统. 多晶体及合金的塑性变形,其基本方式也是滑移和孪生.不过,也各有其特点,如多晶体变形时,就会受晶粒取向及晶界的影响;而合金变形时还会受到第二相的影响. 陶瓷晶体的塑性变形与金属不同.除了与结合键(共价键、离子键)的本性有关外,还与陶瓷晶体中的滑移多少、位错的柏氏矢量大有关.所以,仅有那些以离子键为主的单晶体陶瓷可以进行较多的塑性变形. 许多高聚物在一定的条件下都能屈服,有些高聚物在屈服之后产生很大的塑性变形,但这与金属材料的屈服现象有着本质上的差别.高聚物的变形受温度的影响很大:在Tg以下,材料是钢硬的,只有弹性变形;在Tg附近,呈粘弹性或皮革状;在Tg以上呈橡胶态;接近Tm时呈粘性流动。基本要求： (1)熟悉滑移、孪生变形的主要特点;滑移系统及schmid定律(T=σm=Tk) (2)能用位错理论解释晶体的滑移过程,滑移带和滑移线的形成,滑移系的特点; (3)理解加工硬化、细晶强化、弥散强化、固溶强化等产生的原因和它的实际意义; (4)了解聚合物及陶瓷塑性变形的特点; (5)熟悉材料塑性变形后内部组织及性能的变化,这些变化的实际意义; (6)了解屈服现象与应变实效,它对生产有什么危害及如何消除?