• 7.4.3 再结晶退火极其组织控制 • 7.4.3.1 再结晶退火：再结晶可消除冷变形 金属的加工硬化效果及内应力，因此被用 作冷变形加工的中间工序，软化冷变形金 属或细化晶粒，改善显微组织。 • 7.4.3.2 再结晶组织：再结晶退火过程中， 回复、再结晶及晶粒长大往往是交错、重 叠进行，综合作用的结果有时会产生退火 孪晶和再结晶织构。
300º C 时微量 Sn对 高纯 Pb晶 界移动 速度的 影响
• (4) 晶粒间位向差：一般情况下，晶界能越 高则晶界越不稳定，原子迁移率也越大。 晶粒间位向差越大，晶界能也越大，因此 迁移率越大。 • 另外，有些金属的晶粒间位向差对迁移率 的影响还与温度有关，比如铅，当温度低 于200º C时，大角度晶界范围内只有某些特 殊位向的晶界移动速度较大；在300º C时随 晶粒间的位向差增大而增大，到达一定角 度后趋于稳定。这是较高温度时，杂质在 晶界偏聚的现象不明显所致。
• Fe-Si(wSi=0.03)合金在800º C加热时，由于 合金中分布有细小的MnS颗粒(体积分数为 0.01，直径 • 约0.1μm), • 晶粒长大 • 时，晶界 • 受其钉扎， • 长大到一定 • 尺寸就停止 • 了。
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从式7-16可以看出：分散相粒 子数量越多，越细小，对晶界 的阻碍越大。如果晶界移动的 驱动力完全来自晶界能(即界面 两侧的压应力差△p=2σ /r晶), 则当晶界能提供的驱动力等于 分散相粒子的总约束力时，正 常晶粒长大停止。此时的晶粒 平均尺寸称为极限平均晶粒尺 寸Rm。
• 7.5 金属的热变形 • 金属在再结晶温度以上的加工变形称为热变形。 其实质是变形中加工硬化与动态软化同时进行， 两者作用相抵消，不显示硬化效果。 • 动态软化包括动态回复和动态再结晶两种方式。 热变形停止后，高温下还会发生静态回复和静态 再结晶。 • 热变形没有强化作用，塑性变形量很大，还可以 改善铸锭组织，消除气孔、偏析、粗大晶粒等等。 但也会因高温氧化导致表面粗糙，因热涨冷缩而 不易控制加工精度。
• 退火孪晶是在再结晶过程中因晶界迁移出现层错 形成的。面心立方金属晶界迁移时，{111}面某层 原子错排，就会出现孪晶界。如果孪晶界面能远 小于一般的大角度晶界能，则该层错将稳定下来 成为孪晶核 • 并随大角度晶界的移动 • 而长大。当{111}面再 • 次错排而恢复原有堆垛 • 顺序，则又出现一个孪 • 晶界，两个孪晶界之间 • 形成一个孪晶。

Fe-Si合金中MnS粒子限 制晶粒长大的显微照片
• 由Fmax=3φσ /2r = 2σ /Rm, 可得： • Rm=4r/3φ (7-17) • 此式表明：晶粒的极限平均尺寸决定于分散相粒 子的尺寸及其所占的体积分数。当分散相粒子的 体积分数一定时，粒子尺寸越小，极限平均晶粒 尺寸也越小。 • 在钢中加入少量的Al, Ti, V, Nb等元素，可形成适 当数量的AlN, TiN, VC, NbC等分散相粒子，有效 阻碍高温下钢的晶粒长大，保证钢在焊接和热处 理后仍有良好的机械性能。
• 7.5.1 动态回复与动态再结晶 • 7.5.1.1 动态回复：图7-37为纯铁的动态回复热变 形应力-应变曲线。与冷变形的应力-应变曲线不 同，开始时应力随应变增大而增大，但增大速率 逐渐减小，最后达到一个几乎恒定值。表明形变 初期的加工硬 • 化大于动态软化，随变 • 形发展加工硬化减小， • 当硬化与软化平衡时， • 变形在几乎恒定的流变 • 应力作用下继续进行， • 此阶段称为稳定阶段
• 7.5.1.2 动态再结晶：层错能较低的材料，如铜及 铜合金、镍合金及奥氏体钢等，不发生位错交滑 移。此时动态再结晶成为动态软化的主要方式， 其热应力-应变曲线如图7-39。
• 从图上可以看出：在较高的应变速率火较 低变形温度下，曲线有一个峰值，可分为 三个阶段：初始阶段为加工硬化阶段，应 变达到某一值后开始发生动态再结晶，硬 化率下降；第二阶段，应力达到最大值后， 动态软化超过加工硬化，曲线下降；第三 阶段，随真应变的增加，动态软化与加工 硬化平衡，流变应力趋于衡定。
• 7.4.1.4 影响晶粒正常长大的因素： • (1) 温度：退火温度是影响晶粒长大的最主要因素。 原子扩散系数D=D0exp(-Q/kT),显然Ｔ越高，Ｄ 越大，晶界越容易迁移，晶粒越容易粗化． • (2) 分散相粒子：分散相粒子会阻碍晶界迁移，降 低晶粒长大速率。若分散相粒子为球状，半径为r, 体积分数为φ ，晶界表面张力为σ ，则晶界与粒 子交截时，单位面积晶界上各粒子对晶界移动所 施加的总约束力为： • Fmax=3φσ /2r (7-16)
• 在较低的应变速率或较高的变形温度下，由于位 错密度增加速率较小，动态再结晶后，必须有进 一步的加工硬化，才能再一次积累位错密度发生 再结晶。因此，动态再结晶与加工硬化交替进行， 应力－应变曲线呈波浪形。 • 动态再结晶也是通过形成新的大角晶界及随后的 晶界移动所完成的。但再结晶过程也是不断变形 的过程，因此具有反复形核，有限生长的特点。 长成的晶粒等轴、细小，而且有较高的位错密度 和位错缠结存在，强度和硬度比静态再结晶组织 要高。
• 7.5.2 热变形引起组织、性能的变化 • 7.5.2.1 改善铸造状态的组织缺陷：气孔、 疏松等缺陷再热变形过程中消失，偏析部 分消除，粗大的铸态柱状晶和树枝晶变为 细小均匀的等轴晶，夹杂物或脆性相的形 态及分布得以改善。由此提高了材料致密 性和机械性能，特别是塑性和韧性显著提 高。
• 图7-28： 200º C和300º C时，区域提纯的铅 的双晶体中的倾斜晶界的移动速度与晶体 间的位向差的关系。
• (5) 表面热蚀沟：金属长时间加热时，晶界 与表面相交处因张力平衡而形成热蚀沟。 热蚀沟是该处界面最小，界面能最低的体 现，如果晶界移动就会增加晶界面积和增 加界面能，因此对晶界移动有约束作用。 材料越薄，表面积越大，热蚀沟越多，对 晶界迁移的约束力越大。
• (4) 一次再结晶后的组织，由于某些原因产 生了局部区域不均匀现象而存在个别尺寸 很大的初始晶粒，其晶界迁移率高于其他 晶界，就会迅速长大。 • 二次再结晶并没有再形核过程，只是某些 因素导致少数晶粒异常长大而已。 • 在条件适宜时，有可能发生三次再结晶， 其规律及机制与二次再结晶相同。
• 二次再结晶不仅会降低材料强度和塑、韧 性，还会增大再次冷加工工件的表面粗糙 度。因此，一般情况下应避免发生二次再 结晶。但作为电感材料的硅钢片，却需要 利用二次再结晶获得粗大晶粒，加强其导 磁性能。
• 当变形温度一定时，应变速率ε越大，达到 稳定的应力和应变也越大；当ε一定时，变 形温度越高，达到稳定态的应力和应变越 小。 • 动态回复引起软化是通过刃形位错攀移、 螺形位错交滑移使异号位错对消、位错密 度下降的结果。 • 动态回复时也发生多边化而形成亚晶。亚 晶尺寸受变形速率与温度影响，变形速率 越小，变形温度越高，亚晶尺寸也越大。 在稳定阶段，亚晶保持等轴和恒定尺寸。
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图7-32是Fe-Si(wSi=0.03) 合金的晶粒长大曲线。 高纯材料只发生正常长 大(1)；含MnS颗粒的材 料中有的晶粒迅速长大， 有的仍保持细小(2)(3)。 二次再结晶晶粒是在约 930º C时突然长大的，在此温度时MnS熔化，晶 界迁移障碍消失，晶粒得以迅速长大。温度高于 930º C后，二次再结晶的数量增多，晶粒平均尺 寸反而下降了。
• 曲线3是在二次再结晶时保持细小的晶粒的 长大特性，可以看出它仍为正常长大，只 是由于MnS颗粒的拖曳作用，起始长大的 温度更高而已。 • (2) 一次再结晶后如果形成织构，则多数晶 界为小角晶界，迁移率小，比较稳定，只 有少数大角晶界有较高迁移率，相应的晶 粒能迅速长大。 • (3)若金属为薄板，则加热时会出现热蚀沟， 若大部分晶界被热蚀沟钉扎，仅有少数晶 界可迁移，便容易发生二次再结晶。
• 7.4.2 晶粒的反常长大：再结晶完成后，晶粒应该 均匀、连续地长大，这种过程称为一次再结晶。 在某些特定情况下，再结晶完成后，少数晶粒突 发性地迅速粗化，使晶粒之间的尺寸差别显著增 大，这种不正常的晶粒长大称为反常长大。也称 为二次再结晶。
• 二次再结晶中少数晶粒可以迅速长大的主 要原因是组织中存在使大多数晶粒边界比 较稳定或被钉扎，而少数晶粒边界容易迁 移的因素： • (1) 细小而弥散的第二相粒子的钉扎作用限 制了大多数晶粒的长大，少数未受钉扎或 钉扎作用小的晶粒便得以异常长大。
• (2) 退火孪晶：Cu, Ni, α黄铜，γ不锈钢等 不易产生变形的面心立方金属经再结晶退 火后，会出现孪晶，称为退火孪晶。 • 图7-34为冷变形 • α黄铜退火时形 • 成的退火孪晶组 • 织。
• 面心立方金属的退火孪晶有图7-35所示的 ABC三种典型形态。其中B是贯穿晶粒的 完整退火孪晶；C为一端终止于晶内的不 完整退火孪晶；A为晶界交角处的退火孪 晶。孪晶两侧互 • 相平行的晶面是共 • 格孪晶界面，由 • (111)面组成。孪晶 • 终止于晶粒内的界 • 面是非共格孪晶界。
• (3) 微量熔质或杂质：固熔体中的微量熔质 或杂质往往偏聚在位错或晶界处，形成柯 氏气团，能钉扎或拖曳位错运动。图7-27 显示了微量Sn在300º C时对纯Pb晶界移动 的作用。 • 需要注意的是：微量Sn对纯Pb的某些特殊 取向晶界运动影响较小。原因是在这些特 殊取向的晶界上，原子排列规整，不利于 杂质原子偏聚，因此晶界活动性不受影响。
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图7-38为铝在400º C挤 压形成的动态回复亚晶。 在动态回复过程中，变 形晶粒不再发生再结晶， 因此仍为纤维状，热变 形后快冷，可保留伸长 晶粒和等轴亚晶组织。 若高温长时间停留，则可发生静态再结晶。
• 动态回复组织比再结晶组织的强度高。因 此建筑用铝镁合金型材都采用热成型工艺 而不用冷压成型后再回火工艺。 • 在层错能较高的金属如铝合金、纯铁、铁 素体钢等进行热加工时，由于位错交滑移 和攀移等原因，容易发生动态回复。