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（冷变形基体上重新形核与篚的过程（无结构变化）。

8.1.2储存能——回复与再结晶的驱动力

形变—形变功：

外部消耗——金属与模具间摩擦消耗

内部消耗——改变零件形状，产生热

其中热：

80％左右储存能：

10～20％左右。

一．储存能的结构形式

1.材料内部的弹性应变（占储存能的3％～12％）

2.晶体缺陷：

空位、间隙原子、位错、层错、孪晶界

空位：

形变使空位浓度增大，脱位原子10％左右储存能

位错：

形变增大，位错浓度增大，缠结→胞壁→胞状结构80～90％的储存能。

二。

、储存能是回复、再结晶的驱动力

内能ΔU=Q+WQ：

形变中的热效应W：

形变功

ΔH=ΔU+PΔVΔV=0

∴ΔH=ΔU而ΔG=ΔH-TΔS可证明：

ΔS<

<

ΔH

ΔF=ΔU-TΔS∴TΔS可忽略不考虑。

所以：

ΔG=ΔH=ΔU=ΔF

储存能——形变前后两种状态下的自由能差。

形变后自由能增大，重新加热，引起自由能下降，发生回复与再结晶。

如图所示：

A为纯金属B为不纯金属C为合金

这三条曲线，其共同点是都有一个能量释放的最大值，在最大值行将出现之前，释放能量急剧增大的温度对应着等轴晶晶核出现的温度，称为再结晶温度。

不同点有：

1.不同材料达到最大值的温度，即再结晶明显进行的温度不同，纯金属再结晶温度最低，而合金最高，这一点说明在金属中存在杂质或加入合金元素会明显地提高再结晶湿度；

2.在开始再结晶以前的回复阶段，纯金属释放的能量很少。

据资料介绍，纯金属释放的能量仅占总储存能的0.03，绝大部分能量在再结晶时才释放，所以纯金属再结晶时驱动力大，再结晶易进行，再结晶所需的温度也低，而合金在回复时却释放出相当大的一部分能量，这样，再结晶的驱动力就减少了，所以再结晶进行时所要求的温度必须相应提高。

总之，储存能是回复与再结晶的驱动力，在再结晶阶段才出现释放能量最大值。

回复与再结晶储存能释放比例与材料有关，也与加热速度有关，加热速度快，大部分能量在再结晶阶段释放，有利于再结晶。

三、影响储存能的因素

1.外界条件：

形变量大，储存能多；

形变速度大，加工硬化率高，则储存能大。

形变温度高，储存能小，形变速率高，储存能高。

加工状态：

加工状态越简单，储存能越低。

2.材料自身条件：

1）自身性质：

金属材料熔点越高，储存能越多；

2）金属材料纯度：

纯度越高，储存能越低。

3）晶粒大小：

晶粒越小，储存能越高。

4）取向关系：

愈易发生多系滑移，储存能越大

5）第二相粒子：

阻碍形变，所以储存能升高。

四．回复与再结晶时的性能变化

力学性能——回复阶段变化甚小；

HV与位错密切相关。

物理性能——密度，电阻率在回复阶段变化很大，与点缺陷有密切关系。

由于再结晶可使冷变形金属的性能恢复到冷形变前的水平，所以再结晶处理被广泛用于金属冷形变加工的中间工序。

原因：

当需要进行大量冷塑性变形的工件冷形变到一定程度后塑性大幅度下降，强度大幅度上升，使继续加工时设备功率消耗增大，模具损耗增加，而且易于使工件开裂。

此时进行一次中间再结晶退火，工件的塑性可得到恢复，材料强度大幅度下降，即可顺利地继续进行冷形变加工。

当要求冷形变成型后的金属具有形变前的性能时，也采用再结晶退火处理。

8.2回复

指经冷塑性变形的金属，在随后加热时冷变形基体尚未发生变化时的退火过程。

（在冷变形基体上出现等轴晶之前的全部退火现象称之为回复）

回复过程，金属的组织发生了在光学显微下观察不到的变化，力学性能只有少许的变化，而物理和化学性能却有明显的改变。

8.2.1回复动力学

尽管回复过程中晶体缺陷密度变化不大，但总会减少，其中尤以冷形变过程中产生的过量空位的消失更为显著。

晶体缺陷密度减小的速率dCd/dt是缺陷密度Cd和缺陷迁移速率的函数，而缺陷的迁移又是热激活过程，因此，这个问题可按化学动力学处理。

即：

①

式中，K为常数，Q为缺陷迁移激活能，K为波兹曼常数。

T为温度。

当温度给定时，为一恒量。

令＝B，代入式①，通过积分，整理，可以得出：

式中c为积分常数②

式①和②表明，随着时间的处长，Cd逐渐减小，而且温度越高，下降速率越高，可以认为冷形变造成的晶体缺陷增值与性能的增值正比

P171图8-4是冷拉伸变形纯铁在不同温度加热发生回复时，剩余屈服强度增值与原有屈服强度增值的比值（称为剩余加工硬化分数，用1-R代表）随保温时间变化的曲线。

该曲线上回复程度以屈服应力来表示，纵坐标为算为剩余应变硬化分数（1-R），

其中，σm、σr、σ0分别代表冷变形后，回复后和完全退火后的屈服应力。

为退火时性能恢复量；

为形变时性能增量，R为性能回复分数；

（1-R）则为退火后性能尚未回复的部分，称为性能残留分数或剩余应变硬化分数。

（1-R）愈小，则R越大，回复程度愈大，回复得愈彻底。

而图中的这些曲线表明了上述分析的正确性，同时表明，回复阶段不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。

从图中可见，在一定的温度下，随着时间的延长，回复程度增加；

回复开始速度较大，随时间增长速度减慢，直至速度为零时回复即可停止；

在每一温度，回复程度大致都有一个极限值，温度越高，这个极限值越大，而且达到极限的时间也越短，即回复的速度也越大。

8.2.2回复机制

回复过程可分为低温，中温和高温三个阶段。

对应温度。

TH=0.1~0.3低温回复TH=0.3～0.5中温回复

TH>

0.5高温回复

回复阶段：

物理性能变化，力学性能没变化，内应力有明显变化。

1.低温回复：

主要是点缺陷的变化，即空位浓度的降低。

机制：

a）空位运动到晶体表面与晶界

b）空位与间隙原子、点缺陷等复合

c）空位与位错的交互作用

d）空位聚集成空位片

这些因素都会使空位数量急剧减少，因而使与点缺陷敏感的电阻率发生不同程度的下降。

2.中温回复：

主要是位错的滑移及其组合，导致位错重新结合，异号位错的汇聚而抵消以及亚晶的长大。

●位错沿着滑移面的运动——滑移运动

●位错作垂直滑移面的运动——攀移运动（刃位错）

这时，半原子面尺寸发生变化

●正攀移：

尺寸减小

●负攀移：

尺寸增大

经过塑变后，位错不断增殖和塞积，位错密度明显增大，加热后，各位错之间相互作用，使同一滑移面上异号位错相互吸引而抵消，从而使亚晶内部的位错数目减少，且胞壁变得明晰，形成回复亚晶

3.高温回复：

位错滑移和攀移，形成位错墙，发生多边形化的过程。

多边形化：

由于位错的攀移运动，使同号的刃位错在垂直滑移面的方向上竖直地排列起来形成的位错墙。

该过程称之为多边形化。

同一滑移面上的异号位错已在中温回复时互相抵消而只留下同号位错，但其分布排列并不均匀，且多层相互平行的滑移面上的位错数目并不相同。

在高温回复阶段，位错运动的动力学条件充分，不但容易发生滑移并能够进行攀移，由于攀移的结果使多层滑移面上的位错密度趋于相同，各位错之间作用力又使同一滑移面上的位错分布均匀，间距大体相等，并且使各层滑移面上的位错在与滑移面垂直的方向上形成规则排列的位错墙。

多边形化构成的位错墙即是小角度晶界（位向差<

10°

）它将原晶粒分隔成若干个亚晶粒。

8.2.3回复作用（回复后金属性能的变化）

1.消除内应力（一、二类内应力），保留加工硬化效果

（一般是采用100℃～200℃低温退火）

2.防止应力腐蚀（消除了内应力从而减轻应力腐蚀）

消除应力退火：

工件加热到较低温度以下的退火。

影响：

I低温回复:

电阻率增加（因空位消失）

机械性能不变。

II．中温回复

第一类内应力消除，使金属构件尺寸稳定。

第二类内应力消除，抗蚀性提高，防止晶界应力腐蚀开裂。

机械性能基本不变（因为位错数量减少不多）

III．高温回复

物，化性能完全恢复。

强度降低，塑性改变。

在消除应力，稳定尺寸前提下，可提高耐蚀性和保留变形硬化效果

8.3再结晶

1.定义：

冷变形金属经加热到一定温度后，在变形组织中重新产生新的无畸变的等轴晶粒，此时性能恢复到冷加工前的软化状态。

（即，重新形核与长大的过程）

2特点：

再结晶后晶体结构无变化；

8.3.1再结晶后晶体结构无变化

一、形核

形核是在多边形化基础上产生的形核方式，它与冷变形度有关：

冷变形量大为亚晶形核机制；

冷形变量小为大角晶界的弓出形核方式（凸出形核）

1、亚晶形核机制

1）亚晶界移动形核

依靠亚晶的移动，不断吞并相邻晶粒，移动中把亚晶之间累积位向差消失，实际使得移动晶界和相邻角度差增大，逐渐变成大角晶界。

层错能很低的金属在变形量大时体内的位错密度很高，并形成缠结位错所构成的形变胞状结构，变形越大则胞状结构取向差愈小。

但在变形晶体中，总会存在某些畸变较轻，位错密度较低并与周围位向差较大的亚结构。

经回复后，这些取向差较大的亚晶边界具有较大的活性，能够直接发生迁移吞并周围位错密度较高的亚晶而长大成为晶核。

2）晶合并形核（层错能较高）

通过晶界上位错运动消失，两个亚晶合并，从而使差不断增大，新亚晶的边界不断有解离的位错汇集，逐渐积累，终成取向差较大的大角度晶界。

2.晶界弓出形核（应变诱导晶界移动机制）

变形度较小（约小于40％）时，金属变形不均匀，各个晶粒内的位错密度互不相同，晶界两边经回复后的多边形化的亚晶大小也不一样，退火时，原大角晶界上一小段突然向组织细密的，位错密度高的一侧弓出，并逐渐形成一无位错区域，该区域就会成为再结晶晶核而继续长大。

二．结晶动力学

一）人们对再结晶动力学做过大量研究，由实验的恒温动力学曲线如图所示。

由该图可知：

1.冷形变金属在恒温下再结晶动力学曲线呈“S”形特征

2.冷形变金属在恒温下再结晶时，开始结晶度很小，然后逐渐加快，再结晶体积分数约为0.5时速度最大，随后又逐渐减慢。

3.温度越高，孕育期越短，转变越快。

二）阿乌拉密方程

式中：

——已发生再结晶的体积分数

B——与温度有关的常数K常数

t——转变所需时间

三．再结晶温度及其影响因素

一）再结晶温度的确定

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。

1.金相法：

以显微镜中观察到第一个新晶粒或者晶界因凸出形核而出现锯齿状边缘的退火温度定为再结晶温度。

2.硬度法：

从硬度-退火温度曲线上硬度开始显著降低的温度定为再结晶温度，有时也将硬度-退火温度曲线上软化50％的退火温度定为再结晶温度。

二）影响再结晶温度的因素

1.金属的纯度：

金属中存在杂质或添加合金元素，明显提高再结晶温度。

原因是异类元素阻碍位错运动，晶界迁移且阻碍原子的扩散，因此，若使再结晶进行就必须提高温度给予更大的激活条件。