材料科学基础：回复与再结晶

材料科学基础：回复与再结晶

回复与再结晶是材料科学中重要的热处理过程，对于改善金属材料的性能具有重要作用。本文将详细介绍冷变形金属在加热时的组织与性能变化、回复机制、再结晶过程及其动力学、晶粒长大以及再结晶织构等内容。

一、冷变形金属在加热时的组织与性能变化

1. 组织变化：经历三个变化阶段：

   冷变形金属加热时的组织变化：升高加热温度或在一定温度下延长保温时间

   

2. 性能变化

二、回复

1. 回复时各种变化特点

• 显微组织不发生改变，晶粒内部亚结构发生改变（位错密度下降较小，点缺陷密度明显下降）。

• 储存能平缓、部分释放。

• 回复时力学性能变化不大，物理性能如电阻率等变化明显。

• 冷变形宏观残余应力完全消除，微观残余应力（位错应力）部分消除。

  工程上，对冷冲件、冷拉钢丝、弹簧、切削件常用加热去除内应力，称去应力退火。

2. 回复动力学

   研究冷变形金属回复过程中性能、回复程度与时间的关系。

   回复动力学特点：

• 无孕育期。

• 一定温度下，初始回复速率大，随后减慢。

• 对应于一定回复加热温度，存在一个回复极限值。温度越高，回复极限值越高（或低）。

• 回复加热温度越高，回复速率越快。

  变形量不同的铁在不同温度下屈服强度的回复

3. 回复机制

   回复是点缺陷和位错在加热过程中发生运动，从而改变其组态、分布和数量的过程。加热温度不同，回复机制也不同。

   定义：约化温度TH=T（加热温度K）/Tm（熔点K）

• 低温回复（0.1<TH<0.3）

  主要涉及点缺陷的运动，过饱和点缺陷密度显著下降。

  ※空位或间隙原子移动到晶界、表面或位错处消失；
  ※空位与间隙原子相遇复合。

• 中温回复（0.3＜TH<0.5）

  ①点缺陷浓度继续下降；
  ②位错开始通过滑移而使位错密度下降：
  ※位错在滑移面上滑移或交滑移，使异号位错相遇消失；
  ※位错缠结重新排列组合，使位错胞转化亚晶（亚晶规整化）。

• 高温回复（TH＞0.5）

  涉及位错滑移和攀移。

  ①位错经滑移和攀移，由多边化形成亚晶。
  ②位错胞形成的亚晶经亚晶界位错攀移实现合并长大。

  小结：

  通过以上几种回复机制：

  ※点缺陷数目减少；
  ※许多位错从滑移面转入亚晶界，位错密度大大降低，并形成能量低的位错组态；
  ※亚晶尺寸增大，使亚晶粒之间的位向差变大。

三、冷变形金属的再结晶

再结晶：加热冷变形金属到一定温度，在变形组织中形成新的无畸变晶核并长大而完全替代原有变形晶粒，且各种性能恢复到变形前状态的过程。

注意：再结晶不是相变。

再结晶的工程意义：加热金属进行再结晶退火，消除加工硬化，恢复金属组织和性能至冷变形前的状态。

1. 再结晶过程

   （1）再结晶形核（形成低能态，且具有高迁移率界面的区域）

   三种形核机制：

   ※原有晶界弓出形核：易发生于冷变形量较小时。
   ※亚晶合并形核：发生于冷变形量较大，层错能较高的金属中。
   ※亚晶长大形核：发生于冷变形量较大而层错能较低的金属中。

   ①原始晶界弓出形核（发生于冷变形量较小时）

   变形不均使相邻晶粒位错密度相差很大→晶界两边存在储存能差→驱使原始晶界的一段向位错密度高的一侧弓出，形成再结晶核心。

   设晶界弓出体积为dV，弓出面积为dA，晶粒A、B单位体积自由能差为dGv，晶界能为γ。

   原始晶界弓出热力学条件为：

   弓出为球状（半径为r）时，dA/dV=2/r，因此

   r=L时，曲率最小，晶界弓出有最大阻力：2γ/L

   晶界克服最大阻力弓出前所需时间再结晶形核的孕育期。晶界弓出后将自发向晶界的反曲率中心方向生长。

   ②亚晶合并形核

   冷变形量较大、层错能高的金属通过亚晶合并形核。

   位错攀移出亚晶界，相邻亚晶协调转动，使小亚晶逐步合并成大亚晶成为再结晶核心。

   ③亚晶生长形核

   冷变形量大、层错能低的金属通过亚晶生长形核。

   在高位错密度区域中形成低位错密度亚晶，亚晶向周围高位错密度区域生长，最终由小角度晶界演变成大角度晶界。

   （2）再结晶晶核的长大

   再结晶晶核通过界面移动向周围畸变区长大，直至晶核长大直到无畸变的等轴晶粒消耗掉变形晶粒并相互接触为止。

   ※再结晶晶核界面迁移的驱动力主要是相邻晶粒间的畸变能差。

2. 再结晶动力学

   特点：

• 等温下再结晶存在孕育期：

• 温度越高，孕育期越短；

• 再结晶速率开始很小，随再结晶体积分数的增加而增大，在再结晶体积分数𝛷R=0.5处达到最大，然后逐渐减小。

  再结晶速率V再（单位时间内发生再结晶的体积）与温度T关系符合阿累尼乌斯公式关系。

  式中：A-常数，Q-再结晶激活能，R-气体常数。

  因再结晶速率V再与完成一定体积分数的再结晶所需时间t成反比，

  故有：

  ，式中：B-常数

  即

  可见，温度越高，完成一定再结晶体积所需时间越短。

  对

  两边取对数，得：

  作ln1/t-1/T曲线图，由直线斜率可求出再结晶激活能。

3. 再结晶温度及影响再结晶因素

   （1）再结晶温度：冷变形金属可开始再结晶的最低温度。

   变形量越大，再结晶温度越低；当变形量增大到一定程度后，再结晶温度趋于稳定。

   ※工业上规定再结晶温度为冷变形量大于70%的金属在1小时内能够达到再结晶体积分数＞0.95的最低温度。

   ※工业纯金属的再结晶温度T再与熔点Tm之间存在下列经验关系：T再≈（0.35-0.4）Tm（K）

   （2）影响再结晶的因素

   ①变形量

   变形量越大，再结晶驱动力越大，则再结晶温度越低（但有一个量低值），再结晶形核率和长大率越高，再结晶速率越快。

   ②原始晶粒大小

   变形量相同时，原始晶粒越小，变形抗力越大，储存能越高，则再结晶温度越低，再结晶形核率和长大率越高。

   ③溶质或杂质

   溶质或杂质阻碍变形，增加储存能，但也强烈钉扎晶界，降低再结晶晶核形核率及长大率，能明显升高再结晶温度。

   ④温度

   再结晶加热温度越高，则形核率和长大率越高，再结晶速率越快。

   ⑤第二相粒子

   既可能促进（增加储存能）基体金属的再结晶，也可能阻碍（阻碍晶界迁移）再结晶，如下表所示：

4. 再结晶晶粒大小

   再结晶晶粒大小指再结晶刚结束时的晶粒大小。

   影响再结晶晶粒大小主要因素：

   （1）冷变形量

   当变形量很小（＜𝜀c）时不发生再结晶，晶粒大小不变；
   当𝜀=2%～8%时，再结晶后的晶粒粗大，此时的变形量即所谓临界变形量𝜀c；
   当变形量大于临界变形量后，随变形量增加，晶粒逐渐细化。

   （2）原始晶粒尺寸

   变形量一定时，原始晶粒越细，则再结晶后晶粒越细。

   （3）退火温度

   提高退火温度，使再结晶晶粒粗大，且还降低临界变形量。

   （4）微量溶质原子和杂质

   微量溶质原子和杂质阻碍晶界的迁移，一般起细化再结晶晶粒的作用。

四、再结晶后的晶粒长大

再结晶刚完成时得到细小等轴晶粒。如继续提高退火温度或保温，会发生晶粒互相吞并而长大的现象，称为“晶粒长大”。

※晶粒长大的驱动力来自总界面能的下降。

晶粒的两种长大方式：

1. 晶粒正常长大（均匀长大）

   晶粒长大过程中，晶粒尺寸比较均匀。

   可以证明在恒温下晶粒长大时，晶粒平均直径与保温时间有如下关系：

   （C、n为与材料相关常数，n通常小于1/2）

   凡是影响晶界迁移的因素皆影响晶粒长大。

   （1）温度的影响

   晶界的迁移率与热激活因子exp（Qm/RT）成正比，在恒温下

   积分上式，可得

   取对数，得：

   通过试验曲线lg1/t-I/T，

   可求得晶界迁移的激活能Qm。

   （2）第二相粒子的影响

   晶界围绕第二相粒子形成圆环长2πrcosθ，圆环上总界面张力大小2πrcosθγ。

   界面张力在晶界迁移方向上的总分力为：

   F=2πrcosθ·f=2πrcosθ·γsinθ。

   F驱使第二相粒子随晶界向前移动，则第二相粒子阻碍晶界迁移的力（与F方向相反）

   F阻=F=2πrcosθ·γsinθ=πrγsin2θ

   当θ=45°时，一个第二相粒子对晶界的迁移阻力有最大值：F阻max=πrγ

   可见，粒子越大，阻力越大。

   可以证明，极限晶粒平均直径与第二相粒子半径r和粒子体积分数𝜑有如下关系：

   ※第二相粒子体积分数越多，极限晶粒平均直径越小；
   ※当第二相粒子体积分数一定时，粒子越小、极限晶粒平均直径越小。

   （3）相邻晶粒位向差的影响

   晶粒位向差接近孪晶位向时，晶界具有小的迁移率；大角度晶界因具有高的晶界能和扩散系数而具有更大的迁移率。

   （4）溶质与杂质原子的影响

   溶质与杂质原子易在晶界处平衡偏析降低晶界能，因而阻碍晶界迁移。

   （5）晶界边数对晶粒稳定性的影响

   为满足120°晶界夹角的要求，周边数分别小于6和大于6的晶粒分别具有外凸和内凹的晶界形态。

   ※周边数小于6的晶粒因晶界外凸，晶界平直化趋势使晶界朝着其曲率中心方向发生迁移，导致晶粒缩小趋于消失；
   ※六边形晶粒因晶界平直故保持稳定；
   ※周边数大于6的晶粒因晶界内凹，晶界平直化趋势促使晶界向其曲率中心一侧迁移，导致晶粒趋于长大。

2. 晶粒的异常长大（不均匀长大，二次再结晶）

   现象：经过严重变形的某些金属材料，在较高温度下，会出现少数晶粒的异常长大。该过程好像在再结晶结束后，细小、均匀的等轴晶粒中又重新发生了形核和长大，故称之为“二次再结晶”。

   产生异常长大的原因：

   存在不均匀分布的强烈阻碍晶粒长大的因素，如第二相粒子、变形织构、热蚀沟等。

   高温条件下，少数对晶粒长大阻力小处的少量晶粒得以异常长大。异常长大晶粒界面内凹，促使晶界进一步向外迁移。

   二次再结晶

五、再结晶织构与退火孪晶

1. 再结晶织构

   再结晶过程中所形成的织构称为再结晶织构。

   金属中变形织构在再结晶过程中的几种可能变化：

   （1）变形织构消失。
   （2）形成取向与原变形织构一致的新织构。
   （3）形成取向不同于原变形织构的新织构。

   再结晶织构形成的两个主要理论：

   （1）择优形核理论

   变形织构的存在使再结晶晶核选择与变形织构保持一定的取向关系，这些晶核长大后形成再结晶织构。

   （2）择优长大理论

   在存在变形织构的情况下，形成的再结晶晶核取向随机而无规律。但这些晶核中只有与变形织构呈某种特殊取向关系的晶核具有较高晶界迁移率，因而择优长大、形成再结晶织构。

   较多的研究表明择优长大理论比较符合实际，也有认为在择优长大的基础上有时也存在择优形核的晶粒。

2. 退火孪晶

   一些面心立方的金属经再结晶退火后会出现孪晶，称退火孪晶。

   其形成于再结晶完成之后的晶粒长大过程中。