材料科学基础 西北工业大学 王永欣93讲

• 今天我们开始上课，学习新的一章第七章：回复和再结晶。
• 前一章我们学了冷变形和冷缩性变形。
• 冷缩性变形会导致组织能量、力学性能和物理化学性能的变化。
• 经冷缩性变形后，金属内部形成大量缺陷，会影响性能。
• 回复和再结晶的处理是为了调整组织和性能。

今天我们开始上课，今天咱们开始学习新的一章——第七章回复和再结晶。

在前一章，我们学了冷变形和冷缩性变形。在第六章的最后一节，我们总结了冷缩性变形的组织能量、力学性能和物理化学性能的一系列变化。

我们一般说有四大变化，对吧？通过总结，我们知道冷缩性变形后，在晶体内部会形成大量的位错、空位以及各种各样的缺陷。这些缺陷上的原子具有很高的能量，所以体系的能量不仅因为位错和空位等缺陷引起的点阵畸变而增加，还有由于不同部分变形不均匀产生的宏观引力，以及微观引力之间因变形不协调而产生的变化。

这样一来，体系在组织上和能量上都是处于一种高能量的状态，一种活跃的状态，这对性能会有很明显的影响。这样一种高能状态使体系处于不稳定的状态，一旦遇到适合的环境，高能状态的体系就会自发地发生转变，以降低体系的能量，逐渐回复到一种稳定的状态。

因而，组织和能量的变化会进一步使得性能发生变化。在实际使用的过程中，这会导致性能不稳定。所以，经过冷缩性变形之后，尤其是经过较大量的冷缩性变形后，我们必须给它一定的处理，以防止使用过程中的性能变化造成损失。

我们可以通过人为的施加一定的处理，达到调控组织和性能的目的。这就是我们今天要讲的回复和再结晶。

在讲回复和再结晶之前，我们先大致看看冷变形后的金属在加热时会发生什么样的现象。在介绍现象时，我们先需要有一个总体的思路：金属经过冷缩性变形后，会产生大量的机变，体现在空位浓度上升、位错数量密度的上升。

外力做的功使得一部分能量存储在晶格内，这使得晶格的内能升高。其中有**20%到10%**的能量以弹性能的形式储存。当我们给它施加一定的温度并加热时，外加的能量会促进原子的活性，提高原子的活性，使得原子有可能越过一些势垒而发生运动，也就是说，亚稳态的原子从压稳态向稳态变化。

当然，在这个过程中必须克服一定的势垒。因为我们知道，原子在扩散的过程中需要扩散的激活能，实际上就是越过势垒的那部分能量。于是这两部分本身处在高能态，再加上外部的热量能量，这两方面结合起来便会使得原子发生运动。

其结果是原子的重排，重排后晶体当中的缺陷，包括空位和位错，有一部分会消失，有一部分会重新分布、重新排列，从而降低体系的能量，消除一部分缺陷，使得晶体的能量和组织回复到冷变形前的应力水平和状态。

这一系列变化是冷变性后加热必然的过程，根本上是因为它自身的高能状态而要降低自身的能量。这个过程我们称之为内因。

在这个过程中，原子扩散需要能量，需要克服势垒。因此，在一般的室温下，原子的活性往往不足以克服势垒。我们必须通过加热来提供外部推动，从而使其产生后续的一系列变化。因此，内因和外因共同作用导致最终的变化，而根本的原因是由于它内部本身处在一个高能的状态。

接下来，我们来看在加热时它会产生什么样的变化。这是一个纯铝经过大概80%变形后，在加热过程中产生的一系列变化。

第一张照片是我们冷变性后形成的纤维组织，看到精力已经被拉长了。加热后，组织开始逐渐变化。第二张照片中，在拉长的精力的周围，可以看到一些小的精力。

继续加热，或者在某个温度上保温，会看到越来越多的等轴状精力。到这一时刻，基本全是这种等轴晶了，但我们还能隐约看到有一些精力的排列方向及变形时的方向。继续保温，晶粒会逐渐变大。

这就是前两张照片基本上属于回复的状态。第二张照片中则已经开始出现再结晶。这边的区域都是再结晶的过程，最后一张照片是在结晶完成后的晶粒长大，晶粒的尺寸明显变大了。

这是我们对纯铜的观察，这也是经过50%变形的组织。此时我们看到铜的晶粒沿着变形方向被拉长的迹象。然后角色放到150度进行保温，此时的组织开始逐渐形成一些小的等轴晶。到350度继续上升，这时等轴晶的形成越来越多，被拉长的晶粒的迹象越来越少。

到650度时，晶粒不仅变成了等轴晶，而且长得也比较大。纯铝和纯铜都有类似的规律。我们简单画个示意图，来总结冷变形金属在加热保温或连续加热过程中所发生的变化。

经过冷变形的金属，在不断加热、保温的过程中，冷变形产生的拉长精力在热量与高能状态的催动下，组织上首先逐渐形成一些小的精力，之后这些精力逐渐长大，吞噬掉原来变形的精力，形成一种等轴晶，相对均匀且细小的等轴晶。

继续加热和保温，晶粒会逐渐长大。经过冷变形后的金属，会经历回复、再结晶和晶粒长大这三个连续过程。值得注意的是，这三个过程之间并没有明确的界限，不如说在某个时间点回复就结束了，后面就是再结晶了。

在这个过程中，它们是互相交错、交叉的，因此是一个模糊的概念。而什么时候再结晶完成、开始晶粒长大，也并没有明确的界限，而是一个连续的过程。

下面，我们列了加热后产生的一系列变化，供大家有个概念。至于为什么会发生这些现象，我们后面的几节将逐一进行解释。关于这三个连续的过程——回复、再结晶和晶粒长大，我们将分别讨论其组织变化、力学性能变化、物理性能变化和内应力变化。

如同我们在第六章总结的，组织变化、能量变化、力学性能变化和物理化学性能变化这四个方面，再看其与冷变形之后的变化有怎样的转变。

在回复阶段，光学镜像组织一般在倍数比较低的情况下，其组织看不出变化，和冷变形后一样，就像刚才我们看到的纯铝和纯铜的第一张照片。在这些变化当中，最明显的特征是被拉长的精力变形都消失了，重新形成了一些均匀的等轴精力。

长大是新形成的再结晶精力逐渐长大，变成一些大尺寸的精力。这就是组织上的变化。

当然，我们在总结冷变形时，已经提到过更加微观的一些组织，比如变形亚结构、织构等，在后续的三个过程中也会有所变化。对于力学性能，回复阶段基本保持不变，与冷变形后的力学性能基本一致。

这是什么意思？我们讲，经过一定量变形之后，大部分金属材料会产生加工硬化。因此，回复后的力学性能仍然保持在变形后那种高强度、高硬度、韧性较低的状态，基本保持不变，略微会有一点点下降，但是不明显。

而再结晶后，强度会明显下降，这是与冷变形后产生明显变化有关，而韧性会得到恢复。晶粒长大阶段，强度继续下降，而韧性则表现为先升后降。这是由于晶粒变化、尺寸变化引起的。

随着晶粒的长大，强度会越来越低，细晶强化的效果会损失。不仅加工硬化消失，细晶强化的作用也会消失。晶粒越大，组织强度就越低。

至于塑性，之所以表现出先升后降，实际上是延续了再结晶的过程。再结晶后，与冷变形时相比，塑性会有所恢复。对吧？它会逐渐回升。

继续加热时，晶粒开始逐渐长大。因为刚完成再结晶时，晶粒一般还是比较细小的，所以在刚开始晶粒长大的时候，塑性恢复的势头不减，维持一段时间，但当晶粒变大后，塑性也会下降。

我们讲，细晶强化不仅提高强度，也提高塑性；然而，当晶粒变大时，细晶强化对韧性的改善作用也会减弱，所以晶粒变大的时候，韧性是先升后降的。

物理性能恢复后，基本上恢复到冷变形前的状态。这是物理性能，与力学性能相比，差别较大。力学性能在恢复阶段基本保持不变，而物理性能则已经基本恢复到冷变形前的状态。

因为在恢复过程中，已经恢复到冷变形前的状态，到了再结晶之后，则保持原来的状况。晶粒长大的时候，已然恢复到初始状态，晶粒长大后不再变化。

所以说，物理性能通过恢复阶段已基本完成，后面的阶段不再有明显变化。内应力回复时，绝大部分内应力被消除。

注意，这里我们只讨论内应力的问题，不包括点阵机变。经过再结晶后，内应力会完全消除，经历的过程基本会重新形成，并基本会把变形的效果完全消除。而内应力通过再结晶可以完全消除。

所以在晶粒长大的过程中，内应力就不会再有明显变化了。冷变形产生的四个方面变化，在恢复、再结晶和晶粒长大的过程中，基本都是恢复到冷变形前的水平。

此时，不是具体数值完全回归，晶粒组织及其内部结构与冷变形前仍有差异，但其硬度和韧性水平大致上会回归。此时的应力场是一个什么样的状态呢？是一个压应力场。

这里，每个位错的上方都是一个压应力场，它显得特别拥挤，而应力场得到了相互叠加。位错的下半截实际上都是一个拉应力场，这里显得特别宽松，拉应力场也得到相互加强。

在这种位错状态下，受到加热的作用，位错将受到应力场和外加热量的激活。位错会产生攀移与滑移的效果。位错先攀移，然后再滑移，先到第一个位错的上方，再滑移到第二个位错的上方，如此类推。

从刚才的水平分布状态，到这种垂直分布状态，分布状态有何区别呢？我们再看一下它的应力场分布。

对于底下这个位错来讲，它的上半截是压应力场，下半截是拉应力场。第二个位错的上半截是压应力场，下半截是拉应力场。两个位错的拉应力场和压应力场产生的相互抵消，继续重叠，产生相互抵消的效果。

所以这种位错状态，由于拉应力场与压应力场的相互抵消，所产生的应力叠加效果与刚才水平放置的状态有很大区别。

我这里画了五个位错的示意。刚才是五个压应力场正向叠加，五个拉应力场也正向叠加；这时一正一负正好相互抵消。剩下的就是上面一个压应力场，底下一个拉应力场。当然，位错的应力场并非完全如此，但大部分应力场得到了相互抵消，进而降低了体系的能量。

这个时候，体系的能量已开始降低，这形成了一个位错墙。我们将这个过程称为多边化。

为何称作多边化？实际上在晶体当中的位错排列情况我们就可以清晰看到。冷变形后，位错会在滑移面上水平分布；而在后期的加热过程中，位错通过攀移、滑移等方式，将会形成一个个的位错墙。

实际上，这就是形成了小角度晶界。我们在讲晶体结构缺陷时，知道小角度晶界由一系列不同密度的位错所构成。位错墙形成后，随着亚晶界的合并，最终形成一个个的亚晶。

接下来有了单晶体的概念，我们可以将单晶体看作每一个多晶体组织里的经历过程。再看多晶体中，高温恢复与单晶体的主要区别在于它有结合位相差。在多晶体变形过程中，则因为存在取向差，不会出现简单的单滑移过程。

因此，在后续的高温恢复过程中，多晶体中的每个晶粒形成的多边化位错状态，最终形成位错网络。然后再合并形成的多边化亚晶，会逐渐消除位错间的较高应力水平，进而降低体系的能量。这就是机制。

高温恢复的过程中，热量对不同缺陷运动的影响变化各有不同。例如，低温恢复主要针对的是空位运动；中温恢复主要对应位错的滑移；而高温恢复则是针对位错的攀移和滑移。

最终，通过多边化过程形成一系列亚晶，这实际上是在为后续变化做着组织准备。

我们讲到回复的热力学，它也涉及到驱动力这个概念。回复过程的热力学主要在探讨推动晶体内部的一系列组织变化的力量。我们可以回过头去追究冷缩性变形的来源：它是外力做工的结果。

外力做的功，大部分会耗散，同时有一部分会存储到晶体内部，成为存储能。存储能大概是外力做功的2%到10%，也就是很少的一部分存储了下来，这部分存储能也可以分成两大部分。第一个部分叫做内应力，第二部分则是新产生的空位、位错等缺陷。这些缺陷具有点阵机能的能力。

外力做的功中，有20%-10%能源存储下来，而这*2%到10%*的存储能中，*80%-90%*是以点阵机能存储的。内应力在这个过程中占比较少，但对后续的变形过程影响很大。

在回复过程中，体系处于一种高能的不稳定状态，看似存储的能量不多，但已足以驱动一系列组织变化。目的是要释放存储能，尽量把这*2%到10%*的存储能释放掉，以达到降低体系的能量，实现稳定。

简单来讲，回复的动态特征表现为不同环境的推动。所以，通过外加的加热使得原子发生扩散，导致一些缺陷的减少或重新排列。这就是动力学过程的表现。

我们可以总结出，回复的过程具有以下特点：

1. 没有孕育期，无需等待，加热后性能立即下降。
2. 速度先快后慢，越早速度越快。
3. 随着时间延长，性能趋于稳定。
4. 此过程是一种热激活过程，温度越高，速度越快。

在实际应用中，趋应力退火是一个主要用途，目的在于消除内应力，稳定加工零件的尺寸和形状，确保维持高的强度和硬度水平。

至于最后部分是关于回复的总结：

1. 回复过程联系了缺陷的移动与重排，导致位错主要发生重排并产生一定量的减少。
2. 总体的宏观表现为：物理性能基本恢复；力学性能基本保持加工后不变；内应力得到基本消除。

我们也举了回复过程中的热力学与动力学作为具体例子。在此过程中，通过位错的重排为后续的变化做了组织上的准备。

接下来，有几个思考题：

1. 不同温度加热对缺陷运动的影响。
2. 若继续升高温度，会引起哪些缺陷的运动？
3. 加热推动缺陷运动的驱动力来源。
4. 最后的应用实例，比如趋应力退火等。

好了，这节课就到这里。