金属及合金的回复与再结晶

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金属及合金的回复与再结晶

1．回复和再结晶的概念：
形变后的金属和合金处于不稳定的高自由能状态，具有一种向着形变前低自由能状态自发恢复的趋势，因此，只要动力学条件允许，例如温度较高，原子具有相当的扩散能力时，形变后的金属和合金就会自发的向着自由能降低的方向转变。进行这种转变的过程称回复和再结晶。前者是指在较低温度下或在较早阶段所发生的转变过程；后者则指在较高温度下或较晚阶段发生的过程。
2．退火：
将金属材料加热到某一规定温度，并保温一段时间，而后缓慢冷却至室温的一种热处理过程。其目的在于足够提高金属材料组织和结构的热力学稳定性，以保证所要求的各种性能指标，形变金属和合金的退火主要由回复、再结晶和晶粒长大三个过程综合组成的。
3．形变金属或合金退火过程中发生的一般变化：
①显微组织的基本变化  回复阶段：显微组织的基本变化看不出任何变化，晶粒保持伸长状或扁片状；再结晶阶段：形变晶粒内部发生了新晶粒的生核和成长过程，直到形变组织完全改组为新的等轴晶粒；晶粒长大阶段：新晶粒逐步相互吞食而长大，直到一个较为稳定的尺寸。 ②储存能的变化  供金属和合金形变而施加的外部能量有相当一部分以弹性能和缺陷能的形式储存在金属内部，这一部分储存能在加热退火过程中应释放出来，成为回复和再结晶的推动力。 ③性能的变化  硬度、强度变化：回复过程中，位错密度的减小有限，只有达到再结晶阶段时，位错密度才会显著下降，因此回复阶段强度变化有限，再结晶阶段变化很大。电阻、密度变化：在回复阶段，点缺陷密度显著下降，因此回复阶段电阻显著减小，密度逐步增大。总之，回复过程中，硬度和强度等力学性能等变化率很小，而电阻和密度等一些物理性能变化率却相当大；再结晶过程中，各种变化都是比较剧烈的。
4．回复机理：   
经范性形变的金属或合金在室温或不太高的温度下退火时,金属或合金的显微组织几乎没有变化,然而性能却有程度不同的改变，使之趋近于范性形变之前的数值，这一现象称为回复。由于加热温度比较低，回复时原子或点缺陷（见晶体缺陷）只在微小的距离内发生迁移。回复后的光学显微组织中，晶粒仍保持冷变形后的形状，但电子显微镜显示其精细结构已有变化；由范性形变所造成的形变亚结构中,位错密度有所降低,同时，胞状组织逐渐消失，出现清晰的亚晶界和较完整的亚晶。回复时形成亚结构主要借助于点缺陷间彼此复合或抵销，点缺陷在位错或晶界处的湮没，位错偶极子湮没和位错攀移运动，使位错排列成稳定组态，如排列成位错墙而构成小角度亚晶界（见界面）此即所谓“多边形化”。回复过程的驱动力来自变形时留于金属或合金中的贮能。回复后宏观性能的变化决定于退火温度和时间。温度一定时，回复速率随退火时间增加而逐渐降低。力学性能（硬度、强度、塑性等）的回复速率通常要较物理性能（电阻、磁性、内应力等）的回复速率慢  
5．再结晶与相变：
再结晶形似相变，但并非相变。一般来说，再结晶前后各晶粒的晶体类型不变，成分也不变。从转变过程来看与相变有很多相似之处。相变是自由能较低的新相在自由能较高的旧相中进行生核和成长的过程，驱动力是体积自由能差，阻力主要来自异相间的界面能；而再结晶则是无畸变能或畸变能较低的晶粒在畸变能较高的基体中进行生核和成长的过程，驱动力是畸变能差，阻力则来自晶界能。
6．再结晶过程的形核：
再结晶形核一般有两种方式：一是原晶界的某些部位突然迅速成长而变为核心，二是某些亚晶的迅速成长而变为核心。所谓再结晶核心是通过某些现成的活动性较大的界面突发式的移动而形成的，这些现成界面可以是原始大角晶界、通过亚晶长大而逐步形成的大角亚晶界、已存在与形变基体中的大角亚晶界。   
7．再结晶晶核的长大：
当再结晶晶核出现后，晶核成长总是通过晶界向着畸变能较高的基体中扩散移动而进行的，晶界移动的驱动力主要是两晶粒间的畸变能差，晶界向着其曲率中心的反方向移动。由于形变基体中的畸变能分布不均，而晶界总是优先想畸变能大的地方推移，所以在长大过程中，界面总是参差不齐的甚至呈锯齿状。
8．再结晶温度：
再结晶温度不象结晶或其它相变温度那样确定不变，它受许多因素影响，可以随条件的不同而在一个相当宽的范围内变化。通常所说的再结晶温度是指在规定时间内（如一小时）能够完成再结晶，或再结晶达到规定程度（如95%）的最低温度。即再结晶温度包含时间和再结晶量两个因素在内。  
9．再结晶晶粒大小：
再结晶晶粒的平均直径d=K[G/N]1/4-K为比例常数。   a)        预形变量：预形变量增大可使N/G增大，因此原始晶粒度相同时，预形变量越大，晶粒尺寸越小。 b)        原始晶粒尺寸： 预形变量一定时，原始晶粒越小，则再结晶后晶粒越细。 c)        退火温度：G/N理论上受温度影响小，但实际生产中，退火温度升高往往会引起晶粒粗大。 d)        杂质：杂质一般使G/N减小，可以起细化晶粒的作用。 e)        形变温度：预形变时温度越高，则回复的程度也越大，即金属形变后储存能减小了，因而G/N增大，晶粒尺寸也随之而增大。                        
10．再结晶后的晶粒长大。   
二次再结晶：在某些情况下再结晶完成后晶粒的长大表现出一种反常现象：即出现少数较大的晶粒优先快速成长，逐步吞食掉其周围的大量小晶粒，最后形成非常粗大的组织，它好象在再结晶过程中以一些较大的亚晶为核心快速长大，并逐步吞食其周围大量小的亚晶，最后形成新的组织一样，好象也是一个生核与长大的过程，因此，称为二次再结晶。 11．再结晶退火后的组织：
再结晶退火后的晶粒大小——主要取决于形变程度和退火温度。晶粒大小、形变量及温度的关系可用一个“再结晶”图来表示，可做生产工艺的参考。 退火织构——形变可以产生各种织构，具有形变织构的材料经再结晶退火后，在大多数情况下，仍然会具有织构，这种织构称为再结晶织构，又称退火织构。退火织构既可以和形变织构一致，也可以有新的织构轴，新织构轴大多与形变织构有一定关系，但有时则是任意的，找不出确定关系。 退火孪晶——许多不易于产生形变孪晶的、具有面心立方结构的金属或合金，经常在退火组织中发现孪晶，这种在退火过程中形成的孪晶称退火孪晶，或再结晶孪晶。

硕之学者