第4章 金属的塑性变形与回复再结晶

一文看懂回复和再结晶回复和再结晶一、冷变形金属在加热时的组织与性能变化金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能（晶体缺陷所储存的能量）的升高将使其处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能会发生一系列变化。

这一变化过程随加热温度的升高可表现为三个阶段：回复：指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。

在此阶段，组织：由于不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同，仍为纤维状或扁平状。

性能：强度与硬度变化很小，内应力、电阻明显下降。

（回复是指冷塑性变形的金属在（较低温度下进行）加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。

）再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。

在此阶段，组织：首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。

性能：强度与硬度明显下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢复到变形前的程度。

晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。

在此阶段，在晶界表面能的驱动下，新晶粒相互吞食而长大，最后得到较稳定尺寸的晶粒。

显微组织的变化：回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化。

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。

性能变化：回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度变化不大，电阻明显下降。

再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；密度急剧升高。

晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高；粗化严重时下降。

二、回复1. 回复动力学上图同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈服强度的回复动力学曲线特点：（1）没有孕育期；（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直至趋近于零；（3）每一温度的恢复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此一极限值所需的时间则越短；（4）预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快。

实验名称：金属的塑性变形与再结晶实验类型：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、实验步骤与实验结果（必填）五、讨论、心得（必填）一、实验目的1.了解冷塑性变形对金属材料的内部组织与性能的影响；2.了解变形度对金属再结晶退火后晶粒大小的影响。

二、实验原理金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。

在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动，这种变形方式称为滑移；在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形，且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系，这种变形方式称为孪生。

(一) 冷塑性变形对金属组织与性能的影响若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。

冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。

金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。

当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。

同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。

金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。

(二) 冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。

但在室温下，由于原子活动能力不足，恢复过程不易进行。

若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。

1．回复当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持着纤组织的特征。

此时，因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。

但造成加工硬化的主要原因未消除，故其机械性能变化不大。

2．再结晶当加热温度较高时，将首先在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸变严重的地带，通过晶核与长大方式进行再结晶。

根据加热温度不同，发生回复、再结晶及晶粒长大过程，经塑性变形后的金的过程称之为“退火”.回复阶段，从光学显微镜下观察的组织几乎没有变化，晶粒仍是冷变形之后的纤维状；在再结晶阶段，首先是出现新的无畸变的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止；晶粒长大阶段，是在界面能的驱动下，再结晶的新晶粒相互吞并而长大，以获得该温度下更为稳定的晶粒尺寸回复和再结晶的驱动力是内部储存的畸变能（内应力），在回复和再结晶过程中全部释放出来，不同的金属类型，再结晶以前释放的储能不同，从纯金属→不纯金属→合金，储能的释放增加；由于杂质和溶质原子阻碍再结晶的形核和长大，推迟再结晶过程.三个阶段金属的性能变化如图所示：①电阻率在回复阶段就已明显下降，到再结晶时下降更快，最后恢复到变形前的电阻；②强度和硬度在回复阶段下降不多，再结晶开始后硬度急剧下降，降低的规律因金属的种类不同而不同；③内应力在回复阶段明显下降,宏观内应力在回复时可以全部或大部分被消除，微观内应力部分消除；在再结温度以上，微观内应力被全部消除.④材料的密度随退火温度升高而增加.所谓回复是指冷变形金属在加热时，在新的无畸变晶粒出现之前，所产生的亚结构与性能的变化过程.回复动力学研究材料的性能向变形前回复的速率问题：①回复过程没有孕育期；②在一定的温度下，初期的回复速率很高，以后逐渐减慢，直到最后回复的速率为零.③每一个温度的回复过程都有一个极限值，退火温度越高，这个极限值越高，需要时间越短.R为回复时已恢复的加工硬化，σm σr σ0分别为变形后、回复后以及完全退火的屈服应力，R越大，（1-R）越小，表示回复阶段性能恢复程度越大.回复过程的组织变化与回复机制多边形化：金属塑性变形后，滑移面上塞积的同号刃型位错沿原滑移面水平排列，高温时通过滑移和攀移使位错变成沿垂直滑移面的排列，形成所谓的位错墙，每组角度晶界分割晶粒成亚晶，这一过程称为位错的多边形化.只在产生単滑移的晶体中，多边形化过程最典型，多滑移情况下可能存在，更易形成胞状组织.胞状组织的规整化：过剩空位消失，变形胞状组织内的位错被吸引到胞壁，并与胞壁中的异号位错互相抵消位错密度降低，位错变得平直较规整，当回复继续时，胞胞壁中的位错缠结逐渐形成能量较低的位错网，胞壁变薄，单胞有所长大，构成亚晶粒.亚晶粒的合并：可能通过位错的攀移和位错壁的消失，从而导致亚晶转动来完成.去应力退火：冷变形金属经回复后使内应力得到很大程度的消除，同时又能够保持效果，因此回复退火又称为去应力退火.工件中内应力的降低可以避免工件的变形或开裂，②异号位错在热激活作用下相互吸引而抵消③亚晶粒长大；①位错攀移和位错环缩小；②亚晶粒合并；③多边形化；中温回复（0.3-0.5T m ）高温回复（≧0.5T m ）不同温度下对应的回复机制（T 表示熔点）温度回复机制低温回复（0.1-0.3T m ）①点缺陷移至晶界或位错处消失；②点缺陷①缠结中的位错重新排列而构成亚晶；.冷加工”塑性变形后的金属再进行加热仍是冷变形之后的纤维状；在周围的变形基体而长大，直到阶段，是在界面能的驱动粒尺寸的过程.回复和再结晶过程中全部释放金属→不纯金属→合金，储能，推迟再结晶过程.这个极限值越高，需要时间越短.后以及完全越大.沿原滑移面水平排列，高温时，每组位错墙均以小可能存在，更易形成胞状组织.被吸引到胞壁，并与胞壁中的时，胞内几乎无位错，单胞有所长大，构成亚晶粒.导致亚晶转动来完成.够保持冷变形的硬化开裂，并提高其耐腐蚀性.而抵消，位错密度下降；熔点）点缺陷合并；；0σσσσ--=m r m R质原子被吸附在晶界，织；②加工温度范围在速率敏感系数.状；抛光表面没有显示滑移线；，晶粒长大越明显；。

5 材料的形变和再结晶材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都要受到外力的作用。

材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。

本章主要内容：一．晶体的塑性变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对材料组织与性能的影响二．回复和再结晶冷变形金属在加热时的组织与性能变化回复再结晶晶粒长大再结晶织构与退火孪晶5.1 晶体的塑性变形塑性加工金属材料获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得一定形状、尺寸和机械性能的型材、板材、管材或线材。

塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。

金属在承受塑性加工时，当应力超过弹性极限后，会产生塑性变形，这对金属的结构和性能会产生重要的影响。

5.1.1 单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的两种方式：滑移孪生滑移:滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动。

滑移线：为了观察滑移现象，可将经良好抛光的单晶体金属棒试样进行适当拉伸，使之产生一定的塑性变形，即可在金属棒表面见到一条条的细线，通常称为滑移线.滑移带：在宏观及金相观察中看到的滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平行的更细的线所组成的，称为滑移带。

滑移系：塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。

一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。

滑移的临界分切应力τk晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力。

滑移的特点晶体的滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分同时做整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动的结果，因此实际滑移的临界分切应力τk 比理论计算的低得多。

（滑移面为原子排列最密的面）单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动。

第四章金属的塑性变形与回复再结晶第一节金属的塑性变形金属的一项重要特性是具有塑性，能够在外力作用下进行塑性变形。

外力除去后，永久残留的变形，称为塑性变形。

塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种，最常见的是滑移。

下面我们就讨论：一、光学金相显微镜下滑移带、变形孪晶与退火孪晶的特征滑移：所谓滑移即在切应力作用下晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑动。

所沿晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。

1．滑移带经表面抛光的金属单晶体或晶粒粗大的多晶体试样，在拉伸（或压缩）塑性变形后放在光学显微镜下观察，在抛光的晶体表面上可见到许多互相平行的线条，称为滑移带，如图4一1所示。

ａ黄铜的滑移带600⨯b 纯铁的滑移带 400⨯图4-1 滑移带的光学显微形貌由图可见，纯铁的滑移带特征与黄铜的略有不同，往往呈波纹状。

这主要由于纯铁本身层错能较高，其扩展位错容易束集，加之体心立方晶体可进行滑移的晶面多，因而产生大量交滑移的缘故。

如果用电子显微镜作高倍观察，会发现每条滑移带（光学显微镜下的每根线条）是由许多密集在一起的滑移线群所组成。

实际上，每条滑移线表示晶体表面上因滑移而产生的一个小台阶，而滑移带是小台阶累积的大台阶。

正因为晶体表面有这些台阶的出现才显示出上述的微观形貌。

如果将这些小台阶磨掉，即使重新抛光并浸蚀也看不出滑移带，因为滑移面两侧的晶体位向不随滑移而改变，故只能借助晶体表面出现的小台阶来观察。

1．变形孪晶孪生通常是晶体难以进行滑移时而发生的另一种塑性变形方式。

以孪生方式形变的结果将产生孪晶组织，在面心立方晶体中一般难以见到变形孪晶，而在密排六方晶体中比较容易见到。

因为密排六方晶体的滑移系少，塑性变形经常以孪生方式进行。

图4一2a为锌的变形孪晶，其形貌特征为薄透镜状。

纯铁在低温下受到冲击时也容易产生变形孪晶，其形貌如图4一2b所示，在这种条件下萌生孪晶并长大的速度大大超过了滑移速度。

a 锌的变形孪晶100⨯b 铁的变形孪晶 100⨯图4—2 变形孪晶光学显微形貌如果将变形孪晶试样重新磨制、抛光、浸蚀，是否如同滑移带那样也会消失呢？并不是这样的。

实验名称：金属的塑性变形、回复与再结晶一、实验目的•研究金属冷变形后，变形量对材料硬度的影响。

•研究同一退火温度下不同变形量对回复、再结晶后材料硬度的影响。

•研究再结晶温度对冷变形材料进行回复、再结晶后的硬度影响。

二、实验内容说明•金属经塑性变形后不但外形发生变化，而且晶粒内部结构和力学性能也发生明显的变化。

变形量越大，这些变化越明显。

•金属塑性变形后的退火处理可以导致材料产生回复与再结晶，退火温度对回复和再结晶过程有影响。

•冷变形量、热处理温度与时间的差异可导致材料回复与再结晶特征不同。

三、实验步骤1、实验用设备和材料•设备：轧机，游标卡尺，箱式电炉，热电偶及控温仪表，硬度计等；•材料：紫铜板片约20-40块。

2、实验内容与实验过程•紫铜试样作四种不同变形量的轧制变形；变形量20%-80%；•测量变形试样的硬度；•变形试样做不同温度（3-4个）的再结晶退火；温度范围200-500°C；退火时间约0.5小时；•测量退火试样的硬度；•做出材料硬度与变形和热处理工艺参数的关系曲线；•总结规律并且分析原因。

四、实验注意事项•全班学生拟分成3-4组；•先进行安全教育和设备使用的讲解；•关键步骤教师先进行示范，并全程监控学生实验。

五、实验报告要求•写出实验目的、原理和步骤；•绘出硬度与变形量、退火后硬度与变形量、退火后硬度与退火温度的关系曲线；•说明变形量对硬度的影响；•说明在相同的温度与保温时间条件下，变形量不同对再结晶后硬度的影响；•说明在相同的变形量与保温时间条件下，不同温度对再结晶后硬度的影响；•分析其中的原因。

六、思考题•分析金属的堆垛层错能高低对冷变形组织、静态回复、动态回复、静态再结晶和动态再结晶的影响。

•退火温度的升高，变形组织将依次发生哪些变化？•回复和再结晶阶段空位和位错的变化对金属的组织和性能所带来哪些影响？•影响材料的硬度的主要因素有哪些？。

第四章金属的塑性变形与再结晶铸态组织具有晶粒粗大且不均匀、组织不致密及成分偏析等缺陷，需要经压力加工再使用。

金属的压力加工，就是通过使金属产生一定的塑性变形获得制件。

压力加工不仅改变其外形尺寸，且使内部的组织和性能发生改变。

因此研究金属塑性变形以及变形后材料的组织结构的变化规律，对于深入了解金属材料各项力学性能指标的本质，充分发挥材料强度的潜力，正确制定和改进金属压力加工的工艺，提高产品的质量以及合理使用材料等都具有重要意义。

第一节金属的塑性变形[教学目的] 理解单晶体的塑性变形，掌握多晶体的塑性变形。

[教学重点] 多晶体的塑性变形。

[教学难点] 多晶体的塑性变形。

[教学方法] 讲授。

[教学内容]所有变形中，塑性变形对组织和性能的影响最大。

为认识塑性变形的规律，首先研究单晶体的塑性变形。

一单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生方式进行。

1 滑移切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动，称为滑移。

外力在一定的晶面分解为垂直于晶面的正应力σN和平行于晶面的切应力τN。

σN引发弹性变形和脆性断裂，断口呈金属光泽；τN引发弹性变形、弹塑性变形和韧性断裂，断口灰暗无光泽。

滑移变形的5个要点：1)滑移只能在切应力作用下发生；2）滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上,并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。

（原因：最密排晶面之间的距离最远；最密排晶面上原子与邻近原子之间的阻力最小）3）滑移必然伴随着晶体的转动（正应力引起）。

4）滑移是滑移面上的位错运动造成的。

位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。

如铜刚性滑移要1540MPa，实际只有1MPa。

二多晶体的塑性变形1 晶界与晶粒位向的影响①晶界竹节现象多晶体金属中，晶界原子的排列不规则，局部晶格畸变严重，且易产生杂质原子和空位等缺陷的偏聚。

位错运动到晶界附近时容易受到晶界的阻碍。