金属及合金的回复与再结晶教学课件.ppt

1、金属及合金的回复与再结晶退火退火将材料加热到某一温度，保温一定时将材料加热到某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷至室温，通过组织结间，然后缓慢冷至室温，通过组织结构的变化使材料热力学稳定性得以提构的变化使材料热力学稳定性得以提高的热处理工艺。高的热处理工艺。加热可使原子扩散能力增加，金属将依加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。次发生回复、再结晶和晶粒长大。1 1、回复、回复2 2、再结晶、再结晶3 3、晶粒长大、晶粒长大冷变形黄铜的回复、再结晶和晶粒长大冷变形黄铜的回复、再结晶和晶粒长大黄铜冷变形黄铜冷变形 33%形核形核 3s 580部分结晶部分结晶 5s 580完

2、全结晶完全结晶 8s 580晶粒长大晶粒长大15min 580晶粒长大晶粒长大10min 700u 回复阶段：显微组织无明显变化；回复阶段：显微组织无明显变化；u 再结晶阶段：变形晶粒通过形核、长大，逐再结晶阶段：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。渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。u 晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。相对稳定的形状和尺寸。显微组织显微组织的变化的变化内应力内应力的变化的变化 回复阶段：大部分或全部消除第一类内回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力；应力，部分消除第二、三

3、类内应力；再结晶阶段：再结晶阶段：内应力完全消除。内应力完全消除。回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。提高。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。显提高。晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，晶粒晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，晶粒粗化后塑性会下降。粗化后塑性会下降。力学性能力学性能的的变化变化7.2 7.2 回回 复复 定义冷变形后的金属在加热温度不高时，显定义冷变形后的金属在加热温度不高时，显微组织未发生明显改变，但其物理、力学性微组织未发生明显改变，但其物理、力学性能部分恢复的过程。能部分恢复的过程

4、。一、回复的定义及机制一、回复的定义及机制 加热温度很低时，主要涉及到空位的运动，加热温度很低时，主要涉及到空位的运动，运动结果使空位密度大的减少。运动结果使空位密度大的减少。加热温度稍高时，主要涉及到位错的运动。加热温度稍高时，主要涉及到位错的运动。同一滑移面上的异号位错相互吸引而抵消。同一滑移面上的异号位错相互吸引而抵消。加热温度更高时，位错不仅可以滑移，还可加热温度更高时，位错不仅可以滑移，还可以攀移，发生多边形化。以攀移，发生多边形化。回复机制回复机制多边形化过程多边形化过程多边形化多边形化：指冷变形金指冷变形金属加热时，原来处于滑属加热时，原来处于滑移面上无序状态的位错，移面上无序状

5、态的位错，通过滑移和攀移形成与通过滑移和攀移形成与滑移面垂直分布的亚晶滑移面垂直分布的亚晶界的过程。界的过程。位错的攀移是依靠位错的攀移是依靠原子原子或或空位空位的转移实现的。当的转移实现的。当原子从多余半原子面下端原子转移到别处，或空原子从多余半原子面下端原子转移到别处，或空位从别处转移到半原子面的下端时，位错线便向位从别处转移到半原子面的下端时，位错线便向上攀移了上攀移了正攀移；反之，当原子从别处转移正攀移；反之，当原子从别处转移到原子面下端时，或空位从这里转移到别处时，到原子面下端时，或空位从这里转移到别处时，位错线就向下攀移了位错线就向下攀移了负攀移。负攀移。位错的攀移位错的攀移空位扩

6、散到空位扩散到位错刃部位错刃部空位离开位空位离开位错的刃部错的刃部二、回复阶段的特点：二、回复阶段的特点：晶粒内部亚结构发生变化：晶粒内部亚结构发生变化：点缺陷大大点缺陷大大 ；位错密度位错密度，异号位错合并，异号位错合并，同号位错规整化同号位错规整化“多边形化多边形化”。仍保留较高的位错密度仍保留较高的位错密度显微组织无明显变化：显微组织无明显变化：仍保留被拉长或压扁的畸变的晶粒仍保留被拉长或压扁的畸变的晶粒。加热温度低。加热温度低。性能变化性能变化HB、略略 ，、略略；电阻电阻R；耐腐蚀性能提高。；耐腐蚀性能提高。原因晶格畸变原因晶格畸变。总体上：总体上：力学性能变化不大，加工硬化基本保留

7、；力学性能变化不大，加工硬化基本保留；但物理、化学性能变化较大。但物理、化学性能变化较大。内应力内应力 回复温度：回复温度：T回复回复=（0.25 0.3）T0T T0 0金属的熔点，单位为绝对温度金属的熔点，单位为绝对温度(K)(K)。工业上，常利用回复现象将冷加工的金属件低温加工业上，常利用回复现象将冷加工的金属件低温加热，以降低内应力，基本保留加工硬化效果，这种热，以降低内应力，基本保留加工硬化效果，这种热处理方法称为去应力退火。热处理方法称为去应力退火。三、回复的应用三、回复的应用 去应力退火去应力退火 目的：保持高的强度、硬度目的：保持高的强度、硬度;消除内应力，防止变形、开裂消除内

8、应力，防止变形、开裂;恢复物理、化学性能。恢复物理、化学性能。加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。加热温度较高TT再。特别注意不要在临界变形度范围进行热加工，否则会达到粗大的晶粒缺陷：表面易氧化、粗糙、尺寸精度低。合理制定热加工工艺，使流线与应力方向分布合理。晶粒内部亚结构发生变化：预先变形度对再结晶晶粒度的影响三、热加工对材料组织性能的影响异常长大导致晶粒分布严重不均，对产品性能非常有害。（1）热加工不会带来加工硬化。再结晶与同素异构转变的区别再结晶阶段刚刚完成时，得到的是无畸变细小的等轴晶粒。其中T再、T熔为绝对温度。（4）相邻晶粒的位向差工业纯金属最低再

9、结晶温度的计算：亚晶粒长大成为再结晶晶核的方式可能有亚晶合并形核和亚晶界移动形核两种机制。回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。金属及合金的回复与再结晶有的晶粒变形度小，位错密度也小。晶粒长大是通过晶界迁移来实现的。一、定义一、定义 冷变形后的金属加热到低于冷变形后的金属加热到低于Ac1的较高温度或保温的较高温度或保温足够长时间，通过新晶核的形成与长大，由畸变晶足够长时间，通过新晶核的形成与长大，由畸变晶粒变为相同晶格类型等轴新晶粒的过程。粒变为相同晶格类型等轴新晶粒的过程。7.3 再结晶再结晶 670670加热加热铁素体变形铁素体变形80%80%650650加热加热 再结晶后组织发生了

10、再结晶后组织发生了明显的变化，产生了明显的变化，产生了无畸变的新晶粒无畸变的新晶粒组织复原组织复原；性能也发；性能也发生了明显的变化，恢生了明显的变化，恢复到冷变形前的水平。复到冷变形前的水平。金属的强度和硬度明金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性显降低，塑性和韧性大大提高，即加工硬大大提高，即加工硬化现象被消除。化现象被消除。同素异构转变由一种晶格类型转变为另一种晶同素异构转变由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程格类型的过程有晶格类型转变。有晶格类型转变。钢由室温加热到钢由室温加热到1000热轧热轧 发生铁素体发生铁素体 奥氏体；奥氏体；轧后冷却到室温轧后冷却到室温 发生奥氏体发生奥氏体

11、 铁素体铁素体。再结晶：无晶格类型转变。再结晶：无晶格类型转变。冷变形后在再结晶退火过程中：冷变形后在再结晶退火过程中：畸变铁素体畸变铁素体无畸变铁素体；无畸变铁素体；又如钢在又如钢在1000热轧的过程中：热轧的过程中：畸变奥氏体畸变奥氏体 无畸变奥氏体。无畸变奥氏体。再结晶与同素异构转变的区别再结晶与同素异构转变的区别 二、再结晶阶段的特点二、再结晶阶段的特点 加热温度较高加热温度较高TT再。再。显微组织显著变化显微组织显著变化 转变为等轴、无畸变的新晶粒。转变为等轴、无畸变的新晶粒。亚结构位错密度大大降低。亚结构位错密度大大降低。性能显著变化性能显著变化 HB和和；和和。内应力完全消除。内

12、应力完全消除。三三、再结晶再结晶晶核的形成和长大晶核的形成和长大再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试用经典的形核理论来处理再结晶过程，但计算用经典的形核理论来处理再结晶过程，但计算出来的临界晶核半径过大（与试验结果不符）。出来的临界晶核半径过大（与试验结果不符）。大量实验表明，再结晶晶核总是在塑性变形引大量实验表明，再结晶晶核总是在塑性变形引起的最大畸变处形成，并且回复阶段发生的多起的最大畸变处形成，并且回复阶段发生的多边形化是再结晶形核的必要准备。边形化是再结晶形核的必要准备。回复阶段，塑性变形所形成的胞状组织经多边形回复阶段，塑性变形所形成的胞状

13、组织经多边形化发展成为亚晶粒，其中有些亚晶粒会逐渐长大，化发展成为亚晶粒，其中有些亚晶粒会逐渐长大，发展成为再结晶的晶核。发展成为再结晶的晶核。亚晶粒长大成为再结晶晶核的方式可能有亚晶合亚晶粒长大成为再结晶晶核的方式可能有亚晶合并形核和亚晶界移动形核两种机制。并形核和亚晶界移动形核两种机制。1、亚晶粒长大形核机制亚晶粒长大形核机制亚晶粒长大形核机制一般在大的变形度下发生。亚晶粒长大形核机制一般在大的变形度下发生。亚晶合并亚晶合并形核机制形核机制 相邻亚晶界上的位错，通过滑移和攀移转移到周围晶相邻亚晶界上的位错，通过滑移和攀移转移到周围晶界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，最后通过原界或亚晶界上

14、，导致原来亚晶界的消失，最后通过原子扩散和位置的调整，使两个或多个亚晶粒的取向变子扩散和位置的调整，使两个或多个亚晶粒的取向变为一致，合并成一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。为一致，合并成一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。晶粒中某些局部位错密度很高的亚晶界向周边移动，晶粒中某些局部位错密度很高的亚晶界向周边移动，吞并相邻的变形基体和亚晶粒而成长为再结晶晶核。吞并相邻的变形基体和亚晶粒而成长为再结晶晶核。亚晶界移动亚晶界移动形核机制形核机制 当金属的变形度较小时，金属变形是不均匀的，有的晶粒当金属的变形度较小时，金属变形是不均匀的，有的晶粒变形度大，位错密度也大；有的晶粒变形度小，位错密度变形度

15、大，位错密度也大；有的晶粒变形度小，位错密度也小。若晶界两边一个晶粒的位错密度高，另一个晶粒的也小。若晶界两边一个晶粒的位错密度高，另一个晶粒的位错密度低，加热时晶界会突然向密度高的一侧移动（弓位错密度低，加热时晶界会突然向密度高的一侧移动（弓出），晶界扫过的区域位错密度下降，成为无畸变晶粒，出），晶界扫过的区域位错密度下降，成为无畸变晶粒，这个晶粒就是再结晶晶核。这个晶粒就是再结晶晶核。2、晶界凸出形核机制晶界凸出形核机制 晶界凸出形核现象曾经在铜、镍、晶界凸出形核现象曾经在铜、镍、银、铝及铝银、铝及铝-铜合金中直接观察到铜合金中直接观察到 再结晶晶核形成后，就可以自发地、稳定地生长。晶核生

16、长时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。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，再结晶过程即完成。此时的晶粒即为再结晶的初始晶粒。3、再结晶晶核的长大、再结晶晶核的长大 再结晶不是相变过程，没有一个恒定的转变温度，再结晶不是相变过程，没有一个恒定的转变温度，变形后金属的再结晶自某一温度开始，在一个较变形后金属的再结晶自某一温度开始，在一个较宽的温度范围内连续进行的。宽的温度范围内连续进行的。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值。低值。生产上通常把经过严重冷变形（变形度在生产上通常把

17、经过严重冷变形（变形度在70%以以上）的金属，经过约上）的金属，经过约1小时保温能够完成再结晶小时保温能够完成再结晶的最低温度称为最低再结晶温度。的最低温度称为最低再结晶温度。注意：一般所说的再结晶温度通常指的是最低再注意：一般所说的再结晶温度通常指的是最低再结晶温度。结晶温度。四、四、再结晶再结晶温度及其影响因素温度及其影响因素异常长大导致晶粒分布严重不均，对产品性能非常有害。金属学中冷热加工的界限是以再结晶温度来划分。性能也发生了明显的变化，恢复到冷变形前的水平。仍保留较高的位错密度冷拔铁铬铝电阻丝生产中在氢气保护下再结晶退火。T，晶粒长大速度越快。原子扩散能力强，晶界迁移容易进行。纤维组

18、织（流线）铸态组织的枝晶偏析、夹杂物分布沿着加工方向伸长、破碎形成的组织。位错的攀移是依靠原子或空位的转移实现的。晶粒的长大是一种自发过程，其驱动力是晶粒长大前后总的界面能差。同一滑移面上的异号位错相互吸引而抵消。平直晶界最稳定晶核生长时界面总是向畸变区域推进。破碎粗大的铸态晶粒再结晶过程晶粒、组织细化；钢材的塑性加工通常在单相奥氏体区进行，因为此时钢材的塑性好。多边形化：指冷变形金属加热时，原来处于滑移面上无序状态的位错，通过滑移和攀移形成与滑移面垂直分布的亚晶界的过程。为缩短热处理时间，实际再结晶退火温度比最低再结晶温度通常高出100-200。所以细晶长大是一个自由能降低的自发过程显微组织

19、无明显变化：仍保留较高的位错密度拉深零件，A区未变形，B区变形很大，C区的变形量刚好在临界变形度范围。金属的最低再结晶温度与其熔点之间有近似金属的最低再结晶温度与其熔点之间有近似关系关系:T再再=T熔熔 其中其中T再再、T熔熔为绝对温度。为绝对温度。工业纯金属最低再结晶温度的计算：工业纯金属最低再结晶温度的计算：T再再=(T熔熔+273)0.4273，例如：例如：Fe的的T再再=(1538+273)0.4273=451 对于工业纯金属，对于工业纯金属，为为0.350.4；对于高纯度金属，对于高纯度金属，为为0.250.35甚至更低甚至更低。影响再结晶温度的因素有影响再结晶温度的因素有 金属的预

20、先变形度金属的预先变形度 金属预先变形程度越大金属预先变形程度越大,金属储存能越多，组织越金属储存能越多，组织越不稳定，再结晶温度越低。不稳定，再结晶温度越低。当预先变形程度达到一定当预先变形程度达到一定大小后，金属的最低再结大小后，金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值。晶温度趋于某一稳定值。当当70%，T再再趋于稳定值；趋于稳定值；当当很小时，很小时，T再再接近熔点，即不会有再结晶过程。接近熔点，即不会有再结晶过程。T再再与变形与变形度的关系度的关系金属熔点金属熔点l金属熔点越高金属熔点越高,T,T再再也越高。也越高。原因：金属熔点高，原子之间的结合力强，原因：金属熔点高，原子之间的结合力强，

21、原子难以扩散。原子难以扩散。如：如：Fe:1538 450;W:3300 11001200。金属的纯度金属的纯度 金属中杂质或合金元素，尤其是高熔点元素，金属中杂质或合金元素，尤其是高熔点元素，阻碍原子的扩散、位错的运动和晶界的迁移，阻碍原子的扩散、位错的运动和晶界的迁移，使最低再结晶温度显著提高。使最低再结晶温度显著提高。变形金属的晶粒度变形金属的晶粒度 变形金属晶粒越细小，单位体积晶界总面积变形金属晶粒越细小，单位体积晶界总面积越多，位错在晶界塞积，导致晶格畸变区域越多，位错在晶界塞积，导致晶格畸变区域越多，为再结晶形核提供场所越多，再结晶越多，为再结晶形核提供场所越多，再结晶温度越低。温

22、度越低。五、再结晶晶粒度的控制五、再结晶晶粒度的控制 再结晶晶粒的平均直径再结晶晶粒的平均直径d可用下式计算可用下式计算 d=K（G/N）1/4 再结晶后的晶粒大小取决于再结晶后的晶粒大小取决于G/N比值。比值。凡使凡使G/N的因素，都能细化晶粒。的因素，都能细化晶粒。加热温度和保温时间加热温度和保温时间 加热温度越高，保温时间越加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。热温度的影响尤为显著。再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温度对晶粒度的影响 预先变形度的影响，实质上预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。是变形均匀程度的影响。当

23、变形度很小时，晶格畸变当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶，晶小，不足以引起再结晶，晶粒大小没有变化。粒大小没有变化。当变形度达到某一数值当变形度达到某一数值（2%10%）时，再结晶晶）时，再结晶晶粒特别粗大。这时只有部分粒特别粗大。这时只有部分晶粒变形，变形极不均匀，晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，再结晶晶粒大小相差悬殊，容易互相吞并和长大，再结容易互相吞并和长大，再结晶后晶粒特别粗大，这个变晶后晶粒特别粗大，这个变形度称为临界变形度。形度称为临界变形度。预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度预先变形度 当超过临界变形度后，随变形程度增

24、加，变形越来越均当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而且均匀，使再结晶后晶粒细而匀，再结晶时形核量大而且均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形度后，晶粒度基本不变化。均匀，达到一定变形度后，晶粒度基本不变化。l某些金属当变形量相某些金属当变形量相当大（当大（90%90%）时时，再结晶后晶粒可能再再结晶后晶粒可能再次出现异常长大，一次出现异常长大，一般认为这种现象与形般认为这种现象与形变织构有关。这种现变织构有关。这种现象只有在特殊条件下象只有在特殊条件下产生，不是普遍现象。产生，不是普遍现象。预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响 拉深

25、零件，拉深零件，A区未变形，区未变形，B区变形很大，区变形很大，C区的变形区的变形量刚好在临界变形度范围。再结晶退火后，量刚好在临界变形度范围。再结晶退火后，A区晶区晶粒大小不变，粒大小不变，B区晶粒细化，区晶粒细化，C区晶粒显著粗化。区晶粒显著粗化。原始的晶粒度原始的晶粒度 原始晶粒度越细，单位体积晶界总面积越多，原始晶粒度越细，单位体积晶界总面积越多，晶界往往是再结晶形核的有利区域，再结晶晶界往往是再结晶形核的有利区域，再结晶后晶粒越细。后晶粒越细。金属的纯度金属的纯度 金属中杂质或合金元素，尤其是高熔点元素，金属中杂质或合金元素，尤其是高熔点元素，阻碍晶界的迁移，细化晶粒。阻碍晶界的迁移

26、，细化晶粒。晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，晶粒粗化后塑性会下降。预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。合理制定热加工工艺，使流线与应力方向分布合理。T，晶粒长大速度越快。力学性能得到，热加工组织优于铸态组织。异常长大导致晶粒分布严重不均，长大后期可能造成材料晶粒尺寸过于粗大，对材料的性能带来十分不利的影响，使机械性能降低，尤其是塑性和韧性。当形变度大而加热温度低时，由变形引起的硬化工程占优势，随着加工过程的进行，金属强度、硬度上升，塑性逐渐下降。当形变度大而加热温度低时，由变形引起的硬化工程占优势，随着加工过程的进行，金属强度、硬度上升，塑性逐渐下降。缺陷：表面易氧化、粗糙、尺寸精

27、度低。当原子从多余半原子面下端原子转移到别处，或空位从别处转移到半原子面的下端时，位错线便向上攀移了正攀移；金属的最低再结晶温度与其熔点之间有近似关系:T再=T熔（2）截面尺寸大、精度要求低、变形量大的工件。动态再结晶是边加工边发生再结晶过程，晶界迁移速度较慢。异常长大导致晶粒分布严重不均，长大后期可能造成材料晶粒尺寸过于粗大，对材料的性能带来十分不利的影响，使机械性能降低，尤其是塑性和韧性。冷变形后的金属加热到低于Ac1的较高温度或保温足够长时间，通过新晶核的形成与长大，由畸变晶粒变为相同晶格类型等轴新晶粒的过程。加热温度较高TT再。晶粒的长大是一种自发过程，其驱动力是晶粒长大前后总的界面能

28、差。平直晶界最稳定六、再结晶的应用六、再结晶的应用再结晶退火再结晶退火目的目的 中间退火消除加工硬化效果；中间退火消除加工硬化效果；冷拔铁铬铝电阻丝生产中在氢气保护下再结冷拔铁铬铝电阻丝生产中在氢气保护下再结晶退火。晶退火。细晶强化（如细晶强化（如Al、Cu等）等）冷塑性变形冷塑性变形+再结晶退火再结晶退火细小的再结晶晶细小的再结晶晶粒。粒。生产中把消除加工硬化现象、恢复金属塑性变生产中把消除加工硬化现象、恢复金属塑性变形能力的热处理工艺称为再结晶退火。形能力的热处理工艺称为再结晶退火。为缩短热处理时间，实际再结晶退火温度比最为缩短热处理时间，实际再结晶退火温度比最低再结晶温度通常高出低再结晶

29、温度通常高出100-200100-200。再结晶阶段刚刚完成时，得到的是无畸变再结晶阶段刚刚完成时，得到的是无畸变细小的等轴晶粒。若继续提高退火温度或细小的等轴晶粒。若继续提高退火温度或延长保温时间，就会发生晶粒的长大现象。延长保温时间，就会发生晶粒的长大现象。晶粒长大分为两种类型：晶粒均匀连续的晶粒长大分为两种类型：晶粒均匀连续的正常长大和晶粒不均匀不连续的异常长大正常长大和晶粒不均匀不连续的异常长大（又称为二次再结晶）。（又称为二次再结晶）。7.47.4 晶粒长大晶粒长大 再结晶完成后的晶粒是细小的，随加热温再结晶完成后的晶粒是细小的，随加热温度度，保温时间，保温时间t，晶粒发生长大现象。

30、，晶粒发生长大现象。界面减少细晶界面减少细晶粗晶；粗晶；界面能，与界面形态有关界面能，与界面形态有关 平直晶界最稳定平直晶界最稳定一一、晶粒、晶粒的的正常长大正常长大晶粒的长大是一种自发过程，其驱动力是晶粒晶粒的长大是一种自发过程，其驱动力是晶粒长大前后总的界面能差。细晶粒晶界多，界面长大前后总的界面能差。细晶粒晶界多，界面能高。长大过程中，晶粒变大，则晶界的总面能高。长大过程中，晶粒变大，则晶界的总面积减小，总界面能降低。所以细晶长大是一个积减小，总界面能降低。所以细晶长大是一个自由能降低的自发过程自由能降低的自发过程 晶界的驱动力与界面能和晶界的曲率有关。在长大晶界的驱动力与界面能和晶界的

31、曲率有关。在长大过程中，驱动力与界面能成正比，与曲率半径成反过程中，驱动力与界面能成正比，与曲率半径成反比。即界面能越大，曲率半径越小，晶界移动的驱比。即界面能越大，曲率半径越小，晶界移动的驱动力越大。动力越大。在足够高的温度下，原子具有较高的扩散能力，原在足够高的温度下，原子具有较高的扩散能力，原子不断的由一个晶粒向另一个晶粒扩散，原子运动子不断的由一个晶粒向另一个晶粒扩散，原子运动的结果，界面朝着原子运动的反方向运动，晶界趋的结果，界面朝着原子运动的反方向运动，晶界趋于平直化。于平直化。影响晶粒长大的因素影响晶粒长大的因素（1 1）加热温度）加热温度 T T，晶粒长大速度越快。，晶粒长大速

32、度越快。原因晶界迁移过程就是原子扩散过程。原子扩原因晶界迁移过程就是原子扩散过程。原子扩散能力强，晶界迁移容易进行。散能力强，晶界迁移容易进行。（2 2）合金元素、杂质）合金元素、杂质杂质及合金元素均阻碍晶界运动杂质及合金元素均阻碍晶界运动细化晶粒。细化晶粒。晶粒长大是通过晶界迁移来实现的。晶粒长大是通过晶界迁移来实现的。如：灯泡钨丝中加钍形成弥散分布的如：灯泡钨丝中加钍形成弥散分布的ThO2);ThO2);阻止阻止钨丝高温下晶粒长大，提高灯丝寿命。钨丝高温下晶粒长大，提高灯丝寿命。如：钢中加少量的如：钢中加少量的AlAl、TiTi、V V、NbNb，形成第二相，形成第二相质点，保持本质细晶粒

33、度钢，。质点，保持本质细晶粒度钢，。弥散的第二相质点阻碍晶界运动弥散的第二相质点阻碍晶界运动细化晶粒。细化晶粒。第二相愈弥散、愈细小、数量愈多，第二相愈弥散、愈细小、数量愈多，细化效果愈明显。细化效果愈明显。（3）第二相质点）第二相质点小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而界面移动的而界面移动的驱动驱动力与界面能成正比，因此前者力与界面能成正比，因此前者的迁移速度要小于后者。的迁移速度要小于后者。（4 4）相邻晶粒的位向差）相邻晶粒的位向差再结晶晶粒通常缓慢均匀长大，但如果有少数晶粒处在特别再结晶晶粒通常缓慢均匀长大，但如果有少数晶粒处在特别有利

34、的环境，具有特别大的长大能力，它们将逐步吞食周围有利的环境，具有特别大的长大能力，它们将逐步吞食周围大量的小晶粒，迅速长大，尺寸超过原始晶粒的几十甚至上大量的小晶粒，迅速长大，尺寸超过原始晶粒的几十甚至上百倍。早期的研究以为异常长大也是形核和长大过程，因此百倍。早期的研究以为异常长大也是形核和长大过程，因此称为称为“二次再结晶二次再结晶”。二二、晶粒的异常长大、晶粒的异常长大 大量研究表明，异常长大的实质是一次再结晶后某些晶粒大量研究表明，异常长大的实质是一次再结晶后某些晶粒处于特殊环境而优先长大，实际不存在再次形核的过程。处于特殊环境而优先长大，实际不存在再次形核的过程。某些金属经过严重的冷

35、变形后，在较高温度下退火时，可能某些金属经过严重的冷变形后，在较高温度下退火时，可能发生晶粒的异常长大现象，得到晶粒异常粗大的组织，使金发生晶粒的异常长大现象，得到晶粒异常粗大的组织，使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能显著降低。这是一属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能显著降低。这是一种不均匀、不连续的长大过程。种不均匀、不连续的长大过程。晶粒的异常长大是通过晶界迁移进行的，是大晶晶粒的异常长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞食周围大量小晶粒的过程。严格说来是在特粒吞食周围大量小晶粒的过程。严格说来是在特殊条件的晶粒长大过程，并非再结晶。殊条件的晶粒长大过程，并非再结晶。原子穿过原子穿过

36、晶界扩散晶界扩散晶界迁晶界迁移方向移方向二次再结晶的基本条二次再结晶的基本条件件:晶粒正常长大过程被晶粒正常长大过程被(弥散的夹杂物、第二弥散的夹杂物、第二相粒子、织构等）强相粒子、织构等）强烈阻碍。烈阻碍。二次再结晶的驱动力：二次再结晶的驱动力：界面能的差异。界面能的差异。高纯高纯FeSi 箔材于箔材于1200真空退火时真空退火时所产生的二次再结晶现象所产生的二次再结晶现象二次再结晶的特点二次再结晶的特点:一次再结晶完成后，一次再结晶完成后，在继续加热或保温时，在继续加热或保温时，绝大多数晶粒长大缓绝大多数晶粒长大缓慢，只有少数晶粒长慢，只有少数晶粒长大异常迅速，造成晶大异常迅速，造成晶粒大

37、小越来越悬殊，粒大小越来越悬殊，从而更加有利于大晶从而更加有利于大晶粒吞食周围的小晶粒。粒吞食周围的小晶粒。高纯高纯FeSi 箔材于箔材于1200真空退火时真空退火时所产生的二次再结晶现象所产生的二次再结晶现象异常长大导致晶粒分布严重不均，对产品性能非常有害。异常长大导致晶粒分布严重不均，对产品性能非常有害。零件服役时往往在粗大晶粒处产生裂纹，导致零件的破零件服役时往往在粗大晶粒处产生裂纹，导致零件的破坏。在制定材料的再结晶退火时应避免二次再结晶。坏。在制定材料的再结晶退火时应避免二次再结晶。异常长大导致晶粒分布严重不均，长大后期可能造成材异常长大导致晶粒分布严重不均，长大后期可能造成材料晶粒

38、尺寸过于粗大，对材料的性能带来十分不利的影料晶粒尺寸过于粗大，对材料的性能带来十分不利的影响，使机械性能降低，尤其是塑性和韧性。响，使机械性能降低，尤其是塑性和韧性。7.5 7.5 金属的热加工金属的热加工金属学中冷热加工的界限是以再结晶温度来划分。金属学中冷热加工的界限是以再结晶温度来划分。在再结晶温度以下的加工称为冷加工。在再结晶温度以下的加工称为冷加工。在再结晶温度以上的加工称为热加工。在再结晶温度以上的加工称为热加工。一、热加工与冷加工的区别一、热加工与冷加工的区别 实质是否有再结晶软化过程。实质是否有再结晶软化过程。衡量依据衡量依据T再。再。如如FeFe的再结晶温度为的再结晶温度为4

39、51451，其在，其在400400以下的加工为冷加工。以下的加工为冷加工。如如SnSn的再结晶温度为的再结晶温度为-71-71，其在室温下，其在室温下的加工为热加工。的加工为热加工。如如WW的再结晶温度为的再结晶温度为12001200，其在，其在10001000的加工为冷加工。的加工为冷加工。钢材的塑性加工通常在单相奥氏体区进行，钢材的塑性加工通常在单相奥氏体区进行，因为此时钢材的塑性好。因为此时钢材的塑性好。钢材热加工过程中，金属内部发生塑性变形钢材热加工过程中，金属内部发生塑性变形引起加工硬化的同时，发生回复再结晶的软引起加工硬化的同时，发生回复再结晶的软化过程，即加工硬化和回复再结晶软化

40、两个化过程，即加工硬化和回复再结晶软化两个相反的过程同时发生，即发生所谓的动态回相反的过程同时发生，即发生所谓的动态回复与动态再结晶过程。复与动态再结晶过程。二、动态回复与动态再结晶二、动态回复与动态再结晶 热加工的优点热加工的优点（1 1）热加工不会带来加工硬化。）热加工不会带来加工硬化。（2 2）可持续大变形量的加工。）可持续大变形量的加工。（3 3）动力消耗小。）动力消耗小。（4 4）可提高材料质量和性能。）可提高材料质量和性能。1、改善铸态组织、改善铸态组织气泡焊合、疏松压实、微裂纹的焊合气泡焊合、疏松压实、微裂纹的焊合 宏观宏观组织致密化；组织致密化；破碎粗大的铸态晶粒破碎粗大的铸态

41、晶粒再结晶过程晶粒、组再结晶过程晶粒、组织细化；织细化；减轻枝晶偏析减轻枝晶偏析实际热加工温度远高于再结实际热加工温度远高于再结晶温度，使成分均匀化。晶温度，使成分均匀化。力学性能得到力学性能得到，热加工组织优于铸态组织。，热加工组织优于铸态组织。三三、热加工对材料组织性能的影响热加工对材料组织性能的影响 2、纤维组织、纤维组织纤维组织（流线）纤维组织（流线）铸态组织的枝晶偏析、夹杂物分铸态组织的枝晶偏析、夹杂物分布沿着加工方向伸长、破碎形成的组织布沿着加工方向伸长、破碎形成的组织。纤维组织（流线）钢的力学性能呈现各向异性。纤维组织（流线）钢的力学性能呈现各向异性。合理制定热加工工艺，使流线与

42、应力方向分布合理制定热加工工艺，使流线与应力方向分布合理。合理。3、带状组织、带状组织带状组织复相合金中各个相沿着热加工方向交带状组织复相合金中各个相沿着热加工方向交替呈带状或层状组织。替呈带状或层状组织。力学性能呈现各向异性。力学性能呈现各向异性。铁素体铁素体珠光体珠光体 正常的热加工一般可得到细正常的热加工一般可得到细小的晶粒。但晶粒能否细化小的晶粒。但晶粒能否细化还取决于变形量、加热温度还取决于变形量、加热温度等许多因素。等许多因素。一般认为，增大变形量有利一般认为，增大变形量有利于细化晶粒。于细化晶粒。特别注意不要在临界变形度特别注意不要在临界变形度范围进行热加工，否则会达范围进行热加

43、工，否则会达到粗大的晶粒到粗大的晶粒 变形度不均匀，热加工后晶变形度不均匀，热加工后晶粒大小往往也不均匀。粒大小往往也不均匀。预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响4、晶粒大小、晶粒大小 四、热加工与冷加工的应用四、热加工与冷加工的应用热加工优点：改善组织，塑性好，变形抗力小。热加工优点：改善组织，塑性好，变形抗力小。缺陷：表面易氧化、粗糙、尺寸精度低。缺陷：表面易氧化、粗糙、尺寸精度低。热加工的热加工的应用应用:（1）室温下硬度较大、脆性较大的金属；室温下硬度较大、脆性较大的金属；（2）截面尺寸大、精度要求低、变形量大的工件。）截面尺寸大、精度要求低、变形量大的工件。冷加工的应用：冷加工的应用：（1）用于）用于塑性好的金属；塑性好的金属；（2）截面小，精度与表面质量要求高的工件。）截面小，精度与表面质量要求高的工件。谢谢观看！