回復和再結晶

 

一、冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化

 

金屬和合金經塑性變形后，由于空位、位錯等結構缺陷密度的增加，以及畸變能（晶體缺陷所儲存的能量）的升高將使其處于熱力學不穩定的高自由能狀態，具有自發恢復到變形前低自由能狀態的趨勢，但在室溫下，因溫度低，原子活動能力小，恢復很慢，一旦受熱，溫度較高時，原子擴散能力提高，組織、性能會發生一系列變化。這一變化過程隨加熱溫度的升高可表現為三個階段：

 

回復：指新的無畸變晶粒出現之前所產生的亞結構和性能變化的階段。

 

在此階段，

 

組織：由于不發生大角度晶界的遷移，晶粒的形狀和大小與變形態相同，仍為纖維狀或扁平狀。

 

性能：強度與硬度變化很小，內應力、電阻明顯下降。

 

（回復是指冷塑性變形的金屬在（較低溫度下進行）加熱時，在光學顯微組織發生改變前（即在再結晶晶粒形成前）所產生的某些亞結構和性能的變化過程。）

 

再結晶：指出現無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程。

 

在此階段，

 

組織：首先在畸變度大的區域產生新的無畸變晶粒的核心，然后逐漸消耗周圍的變形基體而長大，直到變形組織完全改組為新的、無畸變的細等軸晶粒為止。

 

性能：強度與硬度明顯下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢復到變形前的程度。

 

晶粒長大：指再結晶結束之后晶粒的繼續長大。

 

在此階段，在晶界表面能的驅動下，新晶粒相互吞食而長大，最后得到較穩定尺寸的晶粒。

 

顯微組織的變化：

回復階段：顯微組織仍為纖維狀，無可見變化。

 

再結晶階段：變形晶粒通過形核長大，逐漸轉變為新的無畸變的等軸晶粒

 

晶粒長大階段：晶界移動，晶粒粗化，達到相對穩定的形狀和尺寸。

 

性能變化：

 

回復階段：

 

強度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度變化不大，電阻明顯下降。

 

再結晶階段：

 

強度、硬度明顯下降，塑性明顯提高；密度急劇升高。

 

晶粒長大階段：

 

強度、硬度繼續下降，塑性繼續提高；粗化嚴重時下降。

 

二、回復

1. 回復動力學

 

上圖同一變形程度的多晶體鐵在不同溫度退火時，屈服強度的回復動力學曲線

 

特點：（1）沒有孕育期；（2）在一定溫度下，初期的回復速率很大，隨后即逐漸變慢，直至趨近于零；（3）每一溫度的恢復程度有一極限值，退火溫度越高，這個極限值也越高，而達到此一極限值所需的時間則越短；（4）預變形量越大，起始的回復速率也越快，晶粒尺寸減小也有利于回復過程的加快。

 

2. 回復機制

 

（1）低溫回復：主要與點缺陷的遷移有關，點缺陷運動通過與位錯交互作用、空位與間隙原子重新結合，以及空位聚合、空位群、空位片塌陷成位錯環而消失，從而使點缺陷密度明顯下降，故電阻率明顯下降。

 

（2）中溫回復：主要與位錯的滑移有關，同一滑移面上的異號位錯可以相互吸引而抵消，位錯偶極子的兩條位錯線相抵消。

（3）高溫回復：刃型位錯產生攀移。攀移：①使滑移面上不規則的位錯重新分布，垂直排列成墻，降低了位錯的彈性畸變能；②形成沿垂直滑移面方向排列并具有一定取向差的位錯墻，產生亞晶，即多邊化結構。

多邊化的產生條件：①塑性變形使晶體點陣發生彎曲；②在滑移面上有塞積的同號刃型位錯；③需要加熱到較高的溫度，使位錯能產生攀移運動。

 

從回復機制可以理解：

 

回復過程中電阻率的明顯下降主要是由于：過量空位的減少和位錯應變能的降低；內應力的降低主要是由于晶體內彈性應變的基本消除；硬度及強度下降不多是由于位錯密度下降不多，亞晶還較細小。

 

三、再結晶

 

1. 再結晶過程

 

冷變形后的金屬加熱到一定溫度后，在原變形組織中重新產生了無畸變的新晶粒，而性能也發生了明顯的變化并恢復到變形前的狀況，這個過程稱為再結晶。

 

再結晶是一種形核和長大過程，即通過在變形組織的基體上產生新的無畸變再結晶晶核，并通過逐漸長大形成等軸晶粒，從而取代全部變形組織的過程。

 

（1）形核再結晶晶核是現存于局部高能量區域內的，以多邊化形成的亞晶為基礎形核。

無畸變的晶粒取代變形晶粒的過程。

 

形核有三種機制：

 

①晶界弓出形核機制：對變形度較小的金屬，多以這種方式形核，如下圖，A、B的變形量不同，儲存的能量不同，A低能向B擴散，降低整體的能量。

②亞晶合并機制：在變形程度較大且具有高層錯能的金屬中，多以這種機制形核。

 

③亞晶遷移機制：在變形度很大的低層錯能金屬中，多以這種機制形核。

 

（2）長大

 

長大：晶核形成之后，借界面的移動而向周圍畸變區域長大，直到全部形成無畸變的等軸晶粒為止，再結晶即告完成。界面遷移的推動力是無畸變的新晶粒與周圍畸變的母體之間的應變能差。

 

2. 再結晶動力學

 

以經冷軋的純銅為例，特點：再結晶過程有一孕育期，且再結晶開始時的速度很慢，隨之逐漸加快，至再結晶的體積分數約為50％時速度達到最大，最后又逐漸變慢，這與回復動力學有明顯的區別。

 

3. 再結晶溫度及其影響因素

 

再結晶溫度：冷變形金屬開始進行再結晶的最低溫度稱為再結晶溫度。

 

對純金屬：

 

T再＝0.4T熔（K）

 

K＝℃＋ 273

如：Fe：

 

T熔＝1538℃

T再＝0.4(1538＋273)－273＝451.4℃

一般再結晶退火溫度比T再要高出100～200℃，目的：消除加工硬化現象。

 

影響再結晶溫度的因素有：

 

（1）變形程度：隨冷變形程度增加，儲能增多，再結晶的驅動力增大，再結晶容易發生，再結晶溫度低。當變形量達到一定程度，T再趨于一定值。

 

（2）原始晶粒尺寸：原始晶粒越細小，晶界越多，有利于形核；另外，晶粒越細小，變形抗力越大，變形儲能高，再結晶驅動力越大，容易發生再結晶，使T再降低。

 

（3）微量溶質原子：微量溶質原子可顯著提高T再，原因是溶質原子與位錯和晶界間存在著交互作用，使溶質原子在位錯及晶界處偏聚，對位錯的滑移與攀移和晶界的遷移起阻礙作用，不利于再結晶的形核和長大，阻礙再結晶過程，因而使T再提高。

 

（4）第二相粒子：既可提高T再，也可降低T再。當第二相粒子尺寸和間距都較大時，變形中阻礙位錯運動，提高變形儲能，提高再結晶驅動力，易發生再結晶，使T再降低；當第二相粒子尺寸和間距都很小時，阻礙位錯重排構成亞晶界，阻礙晶界遷移，阻礙了再結晶，使T再提高。

 

（5）再結晶退火工藝參數：加熱速度過慢或極快，均使T再升高（過慢有足夠的時間回復，點陣畸變度降低，儲能減小，使再結晶驅動力減小，T再升高；極快因各溫度下停留時間過短而來不及形核與長大，使T再升高）。保溫時間越長，T再越低。

 

4. 再結晶后的晶粒大小

 

再結晶后的晶粒大小d，取決于形核率N和長大速率G，它們之間有下列關系：

C為系數

 

可見：N↑，G↓，d↓。即凡影響N、G的因素，均影響再結晶后的晶粒大小。

 

影響再結晶后晶粒大小的因素：

 

（1）變形度：

 

①當變形程度很小時，晶粒大小沒有變化，因為變形量過小，造成的儲存能不足以驅動再結晶。②當變形量達到一定值時，再結晶后的晶粒特別粗大，把這個變形量稱為“臨界變形量”，一般金屬的臨界變形量為2～10％。因為金屬在臨界變形量下，只部分晶粒破碎，大部分晶粒未破碎，此時，晶粒不均勻程度很大，最易大晶粒吞并小晶粒，故晶粒很容易粗化。③當變形量大于臨界變形量之后，再結晶后晶粒細化，且變形量越大，晶粒越細化。因為變形量越大，驅動形核和長大的儲存能不斷增加大，且形核率增大較快，使G/N變小，因此細化。

（2）退火溫度：提高退火溫度，使再結晶速度加快，晶粒長大。

 

（3）原始晶粒：越小，越均勻，則變形后晶粒破碎程度越均勻，再結晶后的晶粒越細。

 

（4）合金元素和不熔雜質：越多，會阻礙再結晶晶粒長大，則再結晶晶粒越細小。

 

（5）加熱速度：越快，再結晶溫度越高，推遲再結晶形核和長大過程，所以再結晶晶粒細小。

 

四、晶粒長大

 

再結晶后，再繼續保溫或升溫，會使晶粒進一步長大。

 

1.正常晶粒長大：表現為大多數晶粒幾乎同時逐漸均勻長大。是靠晶界遷移，相互吞食而進行的，它使界面能減小，是一個自發過程。（2006、2002）

 

晶粒界面的不同曲率是造成晶界遷移的直接原因，實際上晶粒長大時，晶界總是向著曲率中心的方向移動，并不斷平直化。因此，晶粒長大過程就是“大吞并小”和凹面變平的過程。在二維坐標中，晶界平直且夾角為120℃的六邊形是一維晶粒的最終穩定形狀。

 

2.異常晶粒長大：表現為少數晶粒突發性的不均勻長大。是出現少數較大的晶粒優先快速成長，逐步吞食掉其周圍的大量小晶粒，最后形成非常粗大的組織，使力學性能大大降低，稱為二次再結晶。

 

發生異常晶粒長大的基本條件：正常晶粒長大過程被分散相微粒、織構或表面的熱蝕溝等所強烈阻礙。其驅動力來自界面能的降低，而不是來自應變能。

 

五、再結晶退火后的組織

 

1.再結晶退火后的晶粒大小

 

再結晶退火后的晶粒大小主要取決于預先變形度和退火溫度。通常，變形度越大，退火后的晶粒越細小，而退火溫度越高，則晶粒越粗大。

 

2.再結晶織構

 

通常具有變形織構的金屬經再結晶后的新晶粒若仍具有擇優取向，稱為再結晶織構。

 

再結晶織構形成機制：

 

（1）定向生長理論

 

（2）定向形核理論

 

3.退火孿晶

 

某些面心立方金屬和合金如銅及銅合金、鎳及鎳合金和奧氏體不銹鋼等冷變形后經再結晶退火后會出現退火孿晶，原因是因為這些金屬層錯能低，滿足孿晶生長的能量條件。

面心立方的孿晶面為{111}。形成退火孿晶需在堆垛過程中發生層錯，即又正常的…ABCABC…改變為…ABBACBACABABC…，其中與兩面為共格孿晶界面，其間的晶體則構成一退火孿晶帶。

 

退火孿晶的形成機制：

 

一般認為退火孿晶是在晶粒生長過程中形成的。形成退火孿晶必須滿足能量條件，層錯能低的晶體容易形成退火孿晶。