回復和再結晶

回復和再結晶

正文

經範性形變的金屬或合金在不同溫度加熱後，會發生結構、組織和性能的變化。在較低溫度發生回復；溫度較高時發生基體的再結晶和晶粒長大。通過回復和再結晶，金屬或合金從熱力學上不穩定的冷變形狀態轉變為熱力學上較穩定的新的組織狀態。
回復 經範性形變的金屬或合金在室溫或不太高的溫度下退火時,金屬或合金的顯微組織幾乎沒有變化,然而性能卻有程度不同的改變，使之趨近於範性形變之前的數值，這一現象稱為回復。由於加熱溫度比較低，回復時原子或點缺陷（見晶體缺陷）只在微小的距離內發生遷移。回復後的光學顯微組織中，晶粒仍保持冷變形後的形狀，但電子顯微鏡顯示其精細結構已有變化；由範性形變所造成的形變亞結構中,位錯密度有所降低,同時，胞狀組織逐漸消失，出現清晰的亞晶界和較完整的亞晶。回復時形成亞結構主要藉助於點缺陷間彼此複合或抵銷，點缺陷在位錯或晶界處的湮沒，位錯偶極子湮沒和位錯攀移運動，使位錯排列成穩定組態，如排列成位錯牆而構成小角度亞晶界（見界面）此即所謂“多邊形化”。回復過程的驅動力來自變形時留於金屬或合金中的貯能。回復後巨觀性能的變化決定於退火溫度和時間。溫度一定時，回復速率隨退火時間增加而逐漸降低。力學性能（硬度、強度、塑性等）的回覆速率通常要較物理性能（電阻、磁性、內應力等）的回覆速率慢（見圖1）。
再結晶 當退火溫度足夠高、時間足夠長時，在變形金屬或合金的顯微組織中，產生無應變的新晶粒──再結晶核心。新晶粒不斷長大，直至原來的變形組織完全消失,金屬或合金的性能也發生顯著變化,這一過程稱為再結晶。過程的驅動力也是來自殘存的形變貯能（見圖1）。與金屬中的固態相變類似，再結晶也有轉變孕育期，但再結晶前後，金屬的點陣類型無變化。

回復和再結晶

再結晶核心一般通過兩種形式產生。其一是原晶界的某一段突然弓出，深入至畸變大的相鄰晶粒，在推進的這部分中形變貯能完全消失，形成新晶核。其二是通過晶界或亞晶界合併，生成一無應變的小區──再結晶核心。四周則由大角度邊界將它與形變且已回復了的基體分開。大角度邊界遷移時，核心長大。核心朝取向差大的形變晶粒長大，故再結晶過程具有方向性特徵。再結晶後的顯微組織呈等軸狀晶粒，以保持較低的界面能。開始生成新晶粒的溫度稱為開始再結晶溫度，顯微組織全部被新晶粒所占據的溫度稱為終了再結晶溫度或完全再結晶溫度。再結晶過程所占溫度範圍受合金成分、形變程度、原始晶粒度、退火溫度等因素的影響。實際套用中，常用開始再結晶溫度和終了再結晶溫度的算術平均值作為衡量金屬或合金性能熱穩定水平的參量，稱為再結晶溫度。
晶粒長大 再結晶完成後,隨退火溫度的升高或保溫時間的延長，金屬或合金顯微組織中有新晶粒通過晶界的遷移而將相鄰的其他新晶粒吞併掉，發生了形成更大尺寸的再結晶晶粒的過程，這個過程稱為晶粒長大。晶粒長大的驅動力是晶界能。晶粒長大的過程是金屬或合金單位體積中晶界能不斷減小的過程。通常有兩種情況，即晶粒的正常長大(normal grain growth)和晶體的異常長大(anomaly grain growth)。前者以晶粒長大速率較均勻、長大時晶粒的形狀和尺寸分布基本不變為特徵；後者則以基體的某一小範圍內只有很少幾個晶粒發生快速長大為特徵。為區別起見，將正常長大稱為聚合再結晶，異常長大稱為二次再結晶；異常長大前則稱一次再結晶或加工再結晶。晶體的正常長大多出現於純金屬或單相合金中。若金屬基體中含有第二相彌散質點，或很強的單一取向結構時，則發生異常長大。純鋁冷變形後在不同退火階段中顯微組織變化的金相照片，（見彩圖)。

回復和再結晶

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回復和再結晶

金屬或合金進行範性形變時的溫度，可低於或高於再結晶溫度。前種變形常稱冷作、冷變形或冷加工；後者稱熱加工。金屬或合金在熱加工的同時伴有回覆、再結晶或晶粒長大等過程，這些也可能產生於變形後的保溫或冷卻過程中。熱加工過程中所伴生的回覆和再結晶，稱動態回復與動態再結晶。
工業上常藉助回復完成消除應力的退火，提高合金的抗腐蝕性；藉助再結晶消除形變組織，使合金具有某種特定的性能，如一些經受大變形的軟磁合金即可藉此獲得有利的再結晶織構而有最佳的磁導率（見矽鋼片）。金屬的再結晶和晶粒長大是制訂合理的熱加工工藝規範的重要依據。工業上還稱金屬或合金在指定時間內（一般0.5～1小時）完成或達到規定程度的再結晶所需要的最低溫度為再結晶溫度。由於在一小時內完成再結晶過程所需的溫度範圍很窄（在典型情況下，提高退火溫度10℃，再結晶過程所需時間便可縮一半），所以往往將其看作某一固定的溫度：高於它可完成再結晶；低於它則無再結晶。但實際上它受時間、材料斷面尺寸等因素影響，不應視為金屬的一種特性。對特定材料於一小時的保溫條件下，描述再結晶退火後晶粒尺寸、變形量和退火溫度三者關係的再結晶圖，是制定生產工藝的重要參考依據。圖2是純鐵退火1小時的再結晶圖，由該圖可知：溫度一定時,當範性形變量達到某一臨界值（稱臨界形變度,一般在2～10％左右）時會出現晶粒的急驟長大，在金屬塑性加工的生產中通常要力求避免這種臨界形變度；有時也可利用這種特性生產大晶粒（甚至單晶）材料。一般來說，形變數越大，晶粒越小；形變數一定時，溫度越高，晶粒越大。

回復和再結晶

回復過程的常用的檢驗方法有硬度法、密度法、電阻法等;檢驗再結晶的方法有強度法、金相法、X射線衍射法等。
參考書目
　M.B.Bever et al.,Progress in Materials Science,Pergamon Press,Oxford,1973.
　J. G. Byrne, Recovery, Recrystallization and Grain Growth,MacMillan,New York,1965.
　J. E. Burke et al., Progress in Metal PhysicsVo1.4,Pergamon Press,London,1953.
　N. Hansen et al.,Recrystallization and Grain Growth of Multi-phase and Particle Containing Materials, Riso National Laboratory, Roskilde,Denmark,1980.

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