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金属学与热处理 第七章 金属及合金的回复与再结晶 引言 为什么探讨金属及合金的回复与再结晶? 金属及合金塑性变形后→强度、硬度提高,塑性、韧性 下降→加工硬化(轧制、拉拔、挤压等有利）→但对进一 步的冷加工带来困难 常需要加热进行退火处理---向塑性变形前的状态转化. 目的:一方面可以揭示塑性变形后加热的组织结构转变 过程—回复-再结晶-晶粒长大; 另一方面了解这些过程的发生和发展规律,对于控制和 改善变形材料的组织和性能具有重要的意义. 本章教学目的： 1 揭示形变金属在加热过程中组织和性能变化的规律； 2 揭示再结晶的实质 3 说明热加工与冷加工的本质区别以及热加工的特点。 重点： （1）回复与再结晶的概念和应用； （2）临界变形度； （3）再结晶晶粒度的控制； （4）热加工与冷加工的区别。 第一节形变金属与合金在退火过程中的变化 金属与合金在塑性变形过程中消耗的功 热 储存能 弹性应变能 功大部分变成热 散失掉 以弹性应变的形式储存 起来的能量 只占储存能的一小部分 畸变能 以晶体缺陷的形式所储 存的能量 空位能少，位错能多 使塑性变形后的金属材料的自由能升高，在热 力学上处于亚稳态，具有向形变前的稳定状态转 化的趋势。 储存能的降低是转变过程的驱动力 转变过程 形变金属的组织和性能在加热时逐渐发生变化，向稳定 态转变，这个过程称为退火。 较低温度 较高温度 保温或升温 回复 再结晶 晶粒长大 三个过程重叠交织 一、显微组织的变化 显微组织基本上未 发生变化，其晶粒 仍保持纤维状或扁 平状变形组织，称 为回复阶段。 以新的无畸变等 轴小晶粒逐渐取 代变形组织，称 为再结晶阶段。 上述小晶粒通过互 相吞并方式而长大， 直至形成较为稳定 的尺寸，称为晶粒 长大阶段 二、储存能及内应力的变化 在加热过程中，由于原子具备足够的活动能力，偏离平衡位置大、 能量较高的原子，将向能量低的平衡位置迁移，使内应力得以松弛 ，储存能也逐渐释放出来。 •储存能释放曲线有下图所示的三种形式 •1代表纯金属 •2代表非纯金属 •3代表合金 回复阶段释放的储存能很小,第一类内应力可以得以消除。第二类、 第三类内应力要经过再结晶之后才能消除。 三、力学性能的变化 回复 再结晶 硬度 回复阶段硬度变化很小 再结晶阶段下降较多 强度与硬度有相似的变化规律 强度与硬度的变化与位错密度有关 回复阶段仍保持很高的位错密度 再结晶阶段，硬度与强度显著下降，塑性大大提高。 四、其它性能的变化 回复 再结晶 1、电阻的变化 电阻在回复阶段已表现出明显 的下降趋势。点缺陷对电阻的贡 献远大于位错，而回复阶段点缺 陷的密度发生显著的减小。 2、密度的变化 再结晶阶段密度急剧增高。 五、亚晶粒尺寸 在回复阶段前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在 接近再结晶温度时，晶粒尺寸显著增大。 第二节 回 复 一、退火温度和时间对回复过程的影响 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 变之前所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 1-R：剩余加工硬化分数 R ( m r ) /( m 0 ) σ0：纯铁经充分退火后的屈服极限 σm：冷变形后的屈服极限 σr：冷变形后不同程度回复处理的屈服极限 1-R：越小，表明回复的程度越大 温度越高,回复的程度越大 当温度一定时,回复的程度随时间的延长而逐渐增加 回复的极限值 二、回复机制 回复过程主要是空位和位错在退火过程中发生运动,从而改变了它们的数量 和组态的过程. 1 低温回复 冷变形金属在较低温度（0.1～0.3Tm）加热时所产生的回复。 因温度较低，原子活动能力有限，主要局限于点缺陷的运动， 空位浓度显著下降。 点缺陷运动 移至表面、晶界、位错处 空位＋间隙原子 消失 空位聚集（空位群、对） 缺陷密度降低 2中温回复 冷变形金属在中温（0.3～0.5Tm）加热时所产生的回复称为中温 回复。中温回复过程，原子活性能力增强，位错也被激活，位错 密度也有所下降。 异号位错相遇而抵销 3 高温回复 冷变形金属在较高温度（>0.5Tm）加热时产生的回复。位错可以 被充分激活，使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排成小角度 亚晶界——多边化 位错攀移（＋滑移）位错垂直 排列（亚晶界）多边化（亚晶 粒）弹性畸变能降低。 攀移 攀移是指刃型位错沿垂直于滑移面的方向运动。 正攀移：额外半原子面缩短。 负攀移：额外半原子面扩大。 回复过程中的位错攀移与滑移 三、亚结构的变化 （a）冷加工后的胞状结构，胞壁中含有高密 度的位错缠结。 （b）回复退火0.1h后，胞壁中的位错平直了。 （c）回复退火50h后，在胞壁中的位错形成网络， （d）回复退火300h后，位错网络断开并形成 亚晶伸长了。 更稳定的网络。 四、回复退火的应用 主要用于去应力退火 降低内应力减轻工件的翘曲和变形,提高韧性和塑性及工件的使 用安全性. 例如,黄铜弹壳-----晶间开裂(季裂)----原因应力腐蚀开裂---260 ℃去应力退火就可以解决 冷拉钢丝卷制弹簧,要进行250-300℃去应力退火以降低内应力 使之定形,而硬度和强度基本保持不变. 对于热加工:焊接和铸造要进行去应力退火 精密零件,丝杠每次车削后都要进行去应力退火,以防止变形和翘 曲,保持尺寸精度. §7.3再结晶 冷变形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晶粒，位错密度显著降低，性能也发生显 著变化，并恢复到冷变形前的水平，这个过程称为再结晶。 驱动力：冷变形所产生的储存能的降低。 再结晶过程：形核与长大 再结晶过程与回复 不一样，是一个显微 组织重新改组的过程， 其性能发生了根本性 的变化，但注意一点， 再结晶过程不是相变 过程。 一、再结晶晶核的形成与长大 (一）形核：在变形金属中晶格畸变严重、能量较高的地区优先形核 再结晶的核心一般通过两种方式形成，即晶界凸出形核和亚晶形核 1晶界凸出形核 条件：冷变形度较小的金属。 模型：设A、B为相邻晶粒，B 晶粒中的位错密度>A晶粒，即 B晶粒的畸变能较高。发生再 结晶时，晶界会通过晶界迁移 向B晶粒内凸出，成为再结晶 晶核。 自发向前生长 多边化后B晶粒中形成的亚晶较A晶粒中形成的亚晶细 小。在晶界处A晶粒的某些亚晶会通过晶界迁移而凸 入B晶粒内，借消耗B晶粒中的亚晶而生长，体系自由 能下降，形成再结晶核心。 2 亚晶形核机制 亚晶长大形核机制的条件：变形量较大时 （因金属变形量大，每个晶粒变形程度相差不大，晶界两 侧晶粒内畸变能相近，再结晶核心直接借助晶粒内某些 无应变的亚晶成核） 1）亚晶合并形核 某些取向差较小 的相邻亚晶边界 上的位错网络通 过解离、拆散并 转移到其他亚晶 界上，导致亚晶 界的消失或亚晶 之间的合并而成 为大角度晶界。 2） 亚晶直接长大形核（吞并其它亚晶或变形部分） 某些取向差较大 的亚晶界具有较 高的移动性，可 以直接吞食相邻 亚晶粒 （二）长大：形核后通过原子的扩散和晶界的迁移，逐渐向周围长大形 成了新的等轴晶粒，直到金属内部全部由新的等轴晶粒取代了变形晶粒 之后，再结晶过程结束。 再结晶形核后，它就可以自发、稳定地生长。 晶核在生长时，其界面总是向畸变区域推进。 界面移动的驱动力是无畸变的新晶粒与周围基体的畸变能差。 界面移动方式总是背离界面曲率中心。 当旧的畸变晶粒完全消失，全部被新的无畸变的再结晶晶粒所取代时，再结晶过 程即告完成，此时的晶粒大小即为再结晶初始晶粒。 二、再结晶温度及其影响因素 1、再结晶温度 是指较大变形程度的金属（>70%）在1 小时内能够完 成再结晶（或再结晶体积分数>95%）的最低加热温度。它 可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗新晶 粒时的温度或以硬度下降50％所对应的温度，定为再结晶 温度。实验表明有如下经验公式： T再 T 熔 2、影响因素 影响再结晶温度的因素很多，如变形程度、金属纯度、 晶粒大小等 变形程度 变形量越大，再结晶温度 越低； 随变形量增大，结晶温度 趋于稳定； 变形量低于一定值，再结 晶不能进行。 变形程度 原始晶粒尺寸 晶粒越小，驱动 力越大；晶界越 多，有利于形核。 金属的纯度： 微量溶质元素：阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 三、再结晶晶粒大小的控制 由于晶粒大小对材料性能将产生重要影响，因此，调整再结晶 退火参数，控制再结晶的晶粒尺寸，在生产中具有一定的实际意义 若考虑再结晶晶粒为球状，则其平均直径 d 与形核率和长大速率 的关系为： 1 G d k N 4 ※再结晶晶粒大小的控制因素 （一）变形程度 当变形量较小时，再结晶后晶粒比较细小；当变形程度达到一 定值（2~10%）时，再结晶后晶粒尺寸急剧增大，此时的变形量称 为临界变形度；再增加变形量，再结晶后晶粒又变得比较细小 生产中应尽量避免在临界变形度内进行塑性变形加工。 （二）原始晶粒尺寸 原始晶粒越细，再结晶后晶粒也越细小。 原始晶粒尺寸 晶粒越小，驱动力 越大，形核位置越 多，使晶粒细化。 （三）合金元素及杂质 合金元素和杂质。增加储存能，阻碍晶界移动，有利 于晶粒细化。 （四）再结晶退火工艺参数 变形量与退火保温时间一定时，退火温度越高，再结晶后晶粒越 粗大 温度 变形温度越高，回复程度 越大，储存能减小，晶粒 粗化；退火温度越高，临 界变形度越小，晶粒粗大。 §7.4晶粒长大 晶粒长大：再结晶过程结束之后发生的晶粒长大过程。 条件：继续升温或者延长保温 驱 动 力：界面能差； 长大方式： 正常长大； 异常长大（二次再结晶） 一、晶粒的正常长大 正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。 1、晶粒的长大方式 长大是以大角度晶界迁移、晶粒相互吞食方式进行的。 晶粒长大是通过大晶粒吞食小 晶粒，晶界向曲率中心移动的 方式进行的。 方向恰恰和再结晶过程晶粒长大相反 图铝晶粒长大的晶界迁移 （1－迁移前的晶界位置 2－迁移后 的晶界位置） 2、晶粒长大的驱动力 驱动力为晶粒长大前后总的界面能差。 细晶粒的晶界多，界面能高；粗晶粒的晶界少，界面能低。 晶界的曲率半径小，界面能大。 3、晶粒的稳定形状 三维空间多晶体晶粒的 稳定形状 二维晶粒长大的结果： 大于6变形，长大； 小于6变形，缩小直至消失 等于6变形，稳定 三个晶粒的晶界交角趋于120°，使晶 界处于平衡状态。 4、影响晶粒长大的因素 温度 温度越高晶粒长大速度越快。一定温度下，晶粒长到 极限尺寸后就不再长大，但提高温度后晶粒将继续长大。 杂质和合金元素 杂质及合金元素渗入基体后能阻碍晶界运动 第二相质点 弥散分布的第二相粒子阻碍晶界的移动，可使晶粒长大 受到抑制。 相邻晶粒的位向差 晶界的界面能与相邻晶粒间的位向差有关，小角度晶界 的界面能小于大角度晶界的界面能，而界面移动的驱动 力又与界面能成正比，因此，前者的移动速度要小于后 者。 二、晶粒的反常长大(二次再结晶） 1 反常长大: 在一定条件下，某些金属会出现当温度升高到某一数值时， 晶粒会突然反常地长大，温度再升高，晶粒又趋于减小，这种现象 称为晶粒的反常长大或二次再结晶。二次再结晶不需重新形核。 别名：二次再结晶 过程：大吃小 2 原因: 在再结晶后晶粒长大过程中，只有少数晶粒能优先长大，而多 数晶粒不易长大。出现这种现象的原因 1）再结晶完成后组织中存在细小、弥散的第二相粒子，在个别晶 粒边界上分不少/温度过高造成量第二相粒子的局部溶解，使得个 别晶界在长大中不受钉扎或者钉扎极少。 2）再结晶结构中大部分晶粒位向差相近（小角度晶界），迁移率 较小。少数位向差大的大角度晶界有较高的迁移率，此处晶粒能迅 速长大。 3）热蚀钩钉扎晶界。使少数晶粒边界可迁移，便易发生二次再结 晶。 4）一次再结晶后组织由于某些原因产生了局部区域不均匀现象， 而存在个别尺寸很大的初始晶粒，其晶界迁移率高于其他晶界，就 会迅速长大。 当加热到高温，某些局部地区的夹杂会发生溶解，该处的晶粒优先长大，并 吞并了周围的晶粒，形成了晶粒的反常长大。 三 再结晶退火的组织 1 再结晶退火 目的：软化金属为后续加工作组织准备（中间退火） 冷变形后细化晶粒，改善组织（最终退火） 2 再结晶组织 1） 再结晶图 退火温度、变形量与晶粒 大小的关系图。 2）退火孪晶:再结晶退火后出现的孪晶。是由于再结晶过 程中因晶界迁移出现层错形成的。 退火孪晶是再结晶过程中因晶界迁移出现层错形成 的。 面心立方金属的孪晶 界面能低于一般的大 角度晶界能的程度越 大，越易形成退火孪 晶。 3） 再结晶织构 冷变形金属在再结晶过程中形成具有择优取向的晶粒。 再结晶织构与原变形织构可能一致，也可能不一致，但与 变形织构有一定的取向关系 。 形核模式： 择优形核 择优生长 再结晶织构的性能：各向异性，使得变形不均匀，出现 “制耳”。 §7.5 金属的热加工 钢材及许多其它金属在生产过程中大多是经热变形加工的，塑 性变形所产生的加工硬化会被立即被产生的再结晶所抵消。这种在 再结晶温度以上进行的加工称为热加工. 适当的热加工可以破碎铸锭中的树枝晶，减轻枝晶偏析，焊 合疏松与气孔，改善夹杂物或脆性相的形貌、大小与分布，提高 金属质量与性能。 一、金属的热加工与冷加工 冷、热加工的根本区别是看加工温度在再结晶温度以上或以下。 故W在1000℃加工属于冷加工，而Pb在室温下加工也是热加工。 热变形过程中动态软化包括动态回复和动态再结晶两种方 式。热变形停止后，高温下还会发生静态回复和静态再结 晶。 二、动态回复与动态再结晶 1、动态回复 动态回复主要发生在层错能高的金属材料的热变形过程中，动态回 复是其主要或唯一的软化机制。 动态回复过程中的微观变化： 热变形开始阶段 稳定阶段 位错密度增加 位错密度基本恒定 软化过程的实现：通过韧型位错的攀 移、螺位错的交滑移，使异号位错对 消、位错密度降低的结果。 由于加工硬化和软 化达到平衡，位错 增殖和消失平衡 动态回复中的组织： （1）也发生多边化(类似静态回复)，形成亚晶。亚晶在稳定阶段 保持等轴状态和恒定尺寸。 （2）动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶，故仍呈纤维状 亚晶的尺寸受变形速率与变形温度的影响，变形速率越小，变形温 度越高，生成的亚晶尺寸也越大。 2、动态再结晶 随变形量增加位错密度不断增高，使动态再结晶加快， 软化作用逐渐增强，当软化作用开始大于加工硬化作用 时．曲线开始下降。当变形造成的硬化与再结晶造成的软 化达到动态平衡时，曲线进入稳定阶段。 应力应变曲线的特征： 加工硬化阶段 动态再结晶发生 软化>硬化 软化＝硬化阶段 流变应力恒定 低应变速率、温度增加呈现波浪状 硬化、软化交替进行 动态再结晶的组织 实现模式：动态再结晶也是通过形成新的大角度晶界 及随后移动的方式进行的。 动态再结晶和静态再结晶的组织比较： （1）长大特点：晶粒形核、长大期间仍受变形作用， 使之具有反复形核、有限生长的特点。 （2）动态再结晶得到等轴晶粒组织，晶粒较为细小， 晶粒大小决定于应变速率和变形温度。 应用：应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形 量、快的冷却速度可获得细小晶粒。 三、热加工后的组织与性能 1 改善铸锭组织。 气泡焊合、破碎碳化物、细化晶粒、降低偏析。提高强度、塑性、韧性。 2 形成纤维组织（流线）。 定义：热加工可使各种可变形的夹杂物会沿变形方向拉长呈链状、带状分 布，称为流线；也称纤维组织。（不能通过回复和再结晶消除） 组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形 方向呈纤维状分布。 性能：各向异性。沿流线方向塑性 和韧性提高明显。 流线的应用： 热加工时应力求使流线合理分布。对于形状简单的构件尽量使得流线的 分布形态与零件的几何外形一致并在零件内部封闭。不在外部露头。 例如曲轴工作时最大应力与流线平行，冲击力与流线平行，不易断裂。 3 形成带状组织 形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响：各向异性。 消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高温扩散退火 或正火。 4 晶粒大小 正常的热加工一般可使晶粒细化.但是否细化还取决于变形量、 热加工温度尤其是终锻温度和锻后冷却因素。