上一期我们讲解了塑性变形对材料组织与性能的影响，本期将继续对上海交通大学版《材料科学基础》第5章内容：回复和再结晶，进行讲解。

01 再结晶

冷变形金属加热到一定温度或保温足够时间后，无畸变的等轴晶粒取代变形后的畸变晶粒，位错密度显著下降，性能也发生显著变化，并恢复到冷变形前的状态。

再结晶阶段发生的变化：

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，储存能得以释放，使性能恢复到变形前的程度。

再结晶动力学：

再结晶过程有一孕育期，且再结晶开始时的速度很慢，随之逐渐加快，至再结晶的体积分数约为50％时速度达到最大，最后又逐渐变慢，这与回复动力学有明显的区别。

再结晶的驱动力是储存能的释放，即再结晶的形核与长大都受储存能驱动

【注】虽然再结晶是形核-长大的过程，但再结晶不是相变！再结晶的晶核不是结构不同的新相，而是无畸变的新晶粒的核心。

再结晶过程：

再结晶是一种形核和长大过程，即通过在变形组织的基体上产生新的无畸变再结晶晶核，并通过逐渐长大形成等轴晶粒，从而取代全部变形组织的过程。

（1）形核

再结晶晶核是现存于局部高能量区域内的，以多边化形成的亚晶为基础形核。

形核的三种机制：

①亚晶迁移机制：在变形度很大的低层错能金属中，多以这种机制形核。亚晶界易于迁移，通过亚晶合并和亚晶长大，使亚晶界与基体间的取向差增大，直至形成大角度晶界，便成为再结晶的核心。

②亚晶合并机制：在变形程度较大且具有高层错能的金属中，多以这种机制形核。亚晶界上的位错，通过攀移和滑移（不易迁移），转移到其他亚晶界上，使亚晶界消失，合成为一个大的亚晶。合并后的晶界上吸收更多位错，转化为易动性大的大角度晶界，这种亚晶就成为再结晶晶核。

③晶界弓出形核机制：对变形度较小的金属，多以这种方式形核。变形程度较小时，金属的变形不均匀，各晶粒的位错密度不同，原有晶界两侧的胞状组织粗细各异。退火时在原来的大角度晶界中可能有一小段突然向位错密度大、胞状组织细的一侧弓出，并形成一小块无位错区，此区域成为再结晶晶核，降低了系统的自由能，如图2所示。

（2）长大

晶核形成之后，借界面的移动而向周围畸变区域长大，直到全部形成无畸变的等轴晶粒为止，再结晶即告完成。界面迁移的推动力是无畸变的新晶粒与周围畸变的母体之间的应变能差。

02 再结晶温度及其影响因素

再结晶温度：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度。

对纯金属：T再＝0.4T熔（K）

如Fe：T熔＝1538℃T再＝0.4(1538＋273)－273＝451.4℃

一般再结晶退火温度比再结晶温度要高出100～200℃，目的是为了消除加工硬化。

影响再结晶温度的因素：

（1）变形程度：随冷变形程度增加，储存能增多，再结晶的驱动力增大，再结晶容易发生，再结晶温度低。当变形量达到一定程度，T再趋于一定值。

（2）原始晶粒尺寸：原始晶粒越细小，晶界越多，有利于形核；另外，晶粒越细小，变形抗力越大，变形储能高，再结晶驱动力越大，容易发生再结晶，使T再降低。

（3）微量溶质原子：微量溶质原子可显著提高T再，原因是溶质原子与位错和晶界间存在着交互作用，使溶质原子在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起阻碍作用，不利于再结晶的形核和长大，阻碍再结晶过程，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。当第二相粒子尺寸和间距都较大时，变形中阻碍位错运动，提高变形储能，提高再结晶驱动力，易发生再结晶，使T再降低；当第二相粒子尺寸和间距都很小时，阻碍位错重排构成亚晶界，阻碍晶界迁移，阻碍了再结晶，使T再提高。

（5）再结晶退火工艺参数：加热速度过慢或极快，均使T再升高（过慢有足够的时间回复，点阵畸变度降低，储能减小，使再结晶驱动力减小，T再升高；极快因各温度下停留时间过短而来不及形核与长大，使T再升高）。保温时间越长，T再越低。

03 再结晶后的晶粒大小及其影响因素

再结晶后的晶粒大小d，取决于形核率N和长大速率G， 形核率（ 1/m3·s ）：单位时间、单位体积内形成的再结晶核心的数目，常以N表示。晶核长大速率（m/s）：再结晶核心单位时间内一维线性尺寸的增加量，常以G表示。它们之间有下列关系：

可见：N↑，G↓，d↓，即增大形核率或减小长大速率可得细小再结晶晶粒。凡影响N、G的因素，均影响再结晶后的晶粒大小。 影响再结晶后晶粒大小的因素：

（1）变形度：

♦ 当变形程度很小时，晶粒大小没有变化，因为变形量过小，造成的储存能不足以驱动再结晶。

♦ 当变形量达到一定值时，再结晶后的晶粒特别粗大，把这个变形量称为“临界变形量”，一般金属的临界变形量为2～10％。因为金属在临界变形量下，只部分晶粒破碎，大部分晶粒未破碎，此时，晶粒不均匀程度很大，最易大晶粒吞并小晶粒，故晶粒很容易粗化。

♦ 当变形量大于临界变形量之后，再结晶后晶粒细化，且变形量越大，晶粒越细化。因为变形量越大，驱动形核和长大的储存能不断增加大，且形核率增大较快，使G/N变小，因此细化。

（2）退火温度：提高退火温度→ 位错攀移，亚晶移动、转动、聚合越容易；晶界迁移率越大 → N、G增大 → 晶粒尺寸越大。

（3）加热速度：加热速度很慢将使晶粒粗化；而加热速度快时会推迟再结晶形核和长大过程，使再结晶晶粒细小。

（4）保温时间：在一定范围内，延长加热时间（降低加热速度）可降低再结晶温度；另外保温时间过程晶粒也可能粗化

（5）原始晶粒：

♦ 金属的原始晶粒尺寸越细小 → 阻碍变形能力越强 → 储存能越高 → N、G增大

♦ 金属的原始晶粒尺寸越细小 → 晶界越多 → 形核位置越多 → N增大

♦ 原始组织晶粒越细 → 冷变形时加工硬化率越大 → 储存能越高，且晶界多有利于再结晶形核 → 再结晶温度降低

♦ 原始晶粒越细，再结晶后晶粒越细 

（6）合金元素和不熔杂质：

♦ 一方面：杂质阻碍变形 → 储存能增大 → N、G增大

♦ 另一方面：杂质钉扎晶界 → 晶界迁移率降低（晶粒长大受阻） → N、G减小

♦ 添加的合金元素与基体的原子尺寸差别越大（固溶度越小）→ 再结晶温度提高的越显著 → 但 G 降低

♦ 凡延缓再结晶及阻碍晶粒长大的合金元素或杂质均使金属再结晶后得到细晶粒组织。

（7）第二相：弥散分布的第二相可能促进再结晶，也可能阻碍再结晶，这取决于基体上第二相粒子的大小及其分布情况。粒子间距 λ，粒子直径 di。

♦ 若 λ ≥1μm， di  ≥0.3μm，第二相粒子降低再结晶温度，提高再结晶速度；

♦ 若 λ ＜1μm， di  ≤0.3μm，第二相粒子提高再结晶温度，降低再结晶速度；

04 重要思考题

层错能与再结晶形核有何关系？

05 易错题分享

有人将工业纯铝在室温下进行大变形量轧制使其成为薄片试样，所测得的室温强度表明试样呈冷加工状态；然后将试样加热到373K，保温12d，再冷却后测得的室温强度明显降低。试验者查得工业纯铣的T再=423K，所以他排除了发生再结晶的可能性。请解释上述现象，并说明如何证明你的设想。

06 上期答案

1.冷变形金属经回复后，（  ）。

A、消除了加工硬化

B、显著降低了内应力

C、细化了晶粒

2.形变后的材料再升温时发生回复和再结晶现象，则点缺陷浓度下降明显发生在（  ）。

A、回复阶段；B、再结晶阶段；C、晶粒长大阶段

【答案】

1.A

2.A

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