第七章 回复与再结晶 引言 金属经过冷变形后，其组织和性能都发生了 一系列变化。 光学显微组织变化 亚结构变化 力学性能变化 储存能： 第七章 回复与再结晶 引言 金属经过冷变形后，其组织和性能都发生了 一系列变化。 光学显微组织变化 亚结构变化 力学性能变化 储存能： 残余应力 点阵畸变

结果： 经深度冷加工的零件不能直接使用； 限制了塑性变形的加工量； 自由能升高，处于热力学亚稳定状态。 存在的倾向： 恢复到稳定状态。 实现途径：加热。

第一节 冷变形金属在加热时的变化 一、显微组织的变化 第一节 冷变形金属在加热时的变化 一、显微组织的变化 再结晶：冷变形金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。 回复：冷变形金属加热时，在光学显微组织发生变化之前，所产生的某些亚结构及性能的变化过程 晶粒长大：再结晶后形成的晶粒，继续加热时发生的长大过程. 冷作后 经时间t1 经时间t2 经时间t3 经时间t4 经时间t5 |←------------------加热至大约Tm/2----------------→| 晶粒长大| 纯铁冷拔90%后在550℃加热不同时间后的显微组织 回复---→|←----------再结晶------------→|

问题：在回复、再结晶与晶粒长大过 程中有无晶体结构的变化？

二、储存能及性能的变化 储存能变化 △P：能量的释放 冷拉伸变形后的工业纯铜在以6℃/min的速度加热到不同温度后的硬度HV、电阻变化率△R/R、密度变化率△D/D和功率差△P 0 100 200 300 400 500 加热温度，℃ HV 25 85 75 65 55 45 35 8 0.6 0.4 0.2 0.8 mW 100 50 104 储存能变化 △P：能量的释放

性能变化 回复、再结晶及晶粒长大阶段中性能的变化示意图 电阻变化率 密度 变化率 伴随着组织的变化，必然发生性能上的变化。

1、力学性能的变化： 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有上升； 再结晶阶段：强度、硬度显著下降，塑性急剧上升； 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性在晶粒粗化不严重时，仍继续升高，晶粒粗化严重时，塑性也下降。 2、物理性能的变化： 密度：回复阶段略有增大，再结晶阶段急剧升高，在晶粒长大阶段继续上升。 电阻：回复阶段已明显下降，再结晶阶段仍有显著下降，晶粒长大阶段变化不大。 3、内应力的变化：在回复阶段明显下降，在再结晶阶段完全消除。

研究回复再结晶的意义 回复： 去除大部分应力，恢复部分塑性，保 留较高强度、硬度。使经深冷加工的零 件可以使用。 再结晶： 使冷变形金属的性能恢复到冷变形前 的水平，可以继续变形，广泛用于金属 冷变形时的中间工序。

第二节 回复 一、回复过程中微观结构的变化机制 1、低温回复：过饱和空位消失，点缺陷密度明显下降。 第二节 回复 一、回复过程中微观结构的变化机制 1、低温回复：过饱和空位消失，点缺陷密度明显下降。 2、中温回复：异号位错互相抵消，位错密度明显下降。 3、高温回复(0.3Tm) ：同号刃位错沿垂直于滑移面的方向排成小角度晶界→多边化。 多边化形成亚晶界，对再结晶形核很重要。

多边化的观察 示意图 攀移 滑移 多边化前、后刃型位错的排列情况 (a)多边化前；(b)多边化后 刃型位错的攀移和滑移 同号位错排列的稳定位置 多边化前、后刃型位错的排列情况 (a)多边化前；(b)多边化后 攀移 滑移 刃型位错的攀移和滑移

光学显微镜观察 经弯曲变形的Fe-3.25%Si单晶体的多边化过程 (铬酸-醋酸电解腐蚀)×750 光镜观察用单晶体的位向 a) b) a)回复退火前晶体表面接近中性轴处腐蚀坑的分布 c) d) e) b)、c)、d)、e)分别于700℃、775℃、925℃和1000℃退火1小时后晶体表面的腐蚀图象

电镜观察 在室温经5%塑性变形的多晶体纯铝于200℃回复不同时间后的透射电子显微组织 a) 回复退火前 的冷变形状态； 缠结位错 a) 伸直了的位错 b) 在室温经5%塑性变形的多晶体纯铝于200℃回复不同时间后的透射电子显微组织 a) 回复退火前 的冷变形状态； b) 经0.1小时回 复退火后； c) 经50小时回 复退火后； d) 经300小时回 复退火后 位错网络 c) 大的稳定网络 d)

4、根据回复机制对性能变化的解释 电阻率的显著下降：空位减少、位错应变能 的降低； 内应力的降低：晶体弹性应变能基本消除； 硬度和强度下降不多：位错密度下降不大。

二、回复动力学 回复动力学：研究冷变形金属在回复过程中性能恢复的速率。 σ0—冷变形前的屈服强度, σm—冷变形后的屈服强度 σr—回复后的屈服强度, (σm - σ0)—冷变形导致的加工硬化增量， (σm - σr)—已回复的加工硬化量， —已回复的百分数 X=（1-R）—回复后的残余加工硬化百分数 -50℃进行约8%剪切变形的锌单晶， 不同温度等温退火后的性能变化曲线 σr=σm，R=0，x=1-R=1=100%，没有回复； σr=σ0，R=1，x=0，残余加工硬化为0，完全回复。 σ0=100MPa，σm=200MPa，σr=170MPa，R=0.3=30%，X=70%

回复动力学的特点：

③长时保温后，十分缓慢趋于平衡值（极限值）； 经拉伸变形的纯铁在不同温度下加热时，屈服强度的回复动力学曲线 ①无孕育期； 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0.4 ②开始变化速率快，随后减慢； ④只能部分回复。 时间，分 经拉伸变形的纯铁在不同温度下加热时，屈服强度的回复动力学曲线

回复动力学方程： 回复是一种弛豫过程，在恒温下，开始快，随后减慢。这种特征可用一级反应方程表达。 dx/dt =－cx (1) c-与材料和温度有关的比例常数，c值与温度的关系具有典型热激活过程的特点： c =c0e-Q/RT (2) 将(2)式带入(1)式并积分，以x0表示开始时性能增量的残留分数，t=0，x=x0，则可积分： X—冷变形导致的性能增量经加热后的残留分数； t—加热时间； R—理想气体常数； Q—激活能； C0—比例常数； T— 绝对温度。 （4） （3）

回复过程的激活能 若取x为一常数，则温度与时间的关系为： C为常数。当x一定时，将lnt对1/T作图，可得 一直线。由此直线的斜率即可求出回复过程的激活 能Q。 对铁的实验研究表明，在短时间回复处理时求 得的激活能与空位迁移能相近；而在长时间回复 处理时求得的激活能与自扩散激活能相近。 因此，回复开始阶段，以空位的迁移为主，而 在后期则以位错的攀移为主。

温度的影响 时间一定时， T↑，e-Q/RT↑，x负的越多， 回复越快，即回复的速率随温度升高而增大。 由曲线也可见此。

如采用两个温度将同一冷变形金属的性能回复到 同样程度,则： 例7.2.1 已知锌单晶的回复激活能Q为 8.37×104J/mol。0℃回复到残留75%的加工硬化需要 5min，问在27℃和-50 ℃回复到同样程度各需要多 长时间？ 解：T1= 273 K，t1 = 5 min， T2= 300 K， T3= 223 K 则：t2 =0.185 min， t3 =18500 min≈13天 。

时间的影响 在一定温度下，将方程（3）两边取指数可得： 由此可见：冷变形导致的性能增量经加热后的残留分数与时间的关系为指数关系。 实验曲线也显示了两者的关系为指数关系。 t→∞，x不可能为零，这是指数函数的特征。

三、回复的应用—去应力退火 实际生产中，冷冲件、冷拉件、冷成型弹簧等 都需要经过去应力退火后，才能使用。 目的：避免工件的变形或开裂，并提高其耐蚀 性。 例：深冲黄铜弹壳，放置一段时间后自动开裂。 原因：应力腐蚀开裂。 解决措施：250～300℃去应力退火。

变形10% 100× 变形40% 100× 工业纯铁不同变形度的显微组织 变形80%　纤维组织　100× 23

铜材经不同程度冷轧后的光学显微组织

α铁于冷变形过程中位错缠结和胞状组织的发展过程 a)应变1%；b)应变3.5%；c)应变9%；d)应变20% 黑线表示位错

铜材经不同程度冷轧后的薄膜透射电镜像

金属棒弯曲后的残余应力 金属拉丝后的残余应力

过饱和空位消失的方式： ①迁移到界面； ②与间隙原子复合； ③与刃位错结合 ④积聚成片崩塌成位错环。 空位聚合形成的位错

位错在晶体表面露头处形成的蚀坑 a)刃位错附近圆柱带表示其物理、化学性质不同于周围晶体；b)缺陷区优先浸蚀，在刃型位错附近形成的锥形坑；c)螺型位错露头位置；d)在螺型位错附近形成的螺旋坑 锗中形成小角度晶界的位错浸蚀坑

b)同一滑移面上异号位错攀移过夹杂物后相消 a) b) 回复中异号位错相消 a)两平行滑移面上异号位错通过攀移相消 b)同一滑移面上异号位错攀移过夹杂物后相消

两刃位错在X-轴方向上的交互作用 (a) 同号位错； (b)异号位错

用电子显微镜观察位错