变形金属在加热时的组织和性能的变化

6.3.1　变形金属在加热时的组织和性能的变化

在变形金属中，由于晶粒破碎拉长及位错等晶格缺陷大量增加，使其内能升高，处于不稳定的状态，故一旦对其进行加热，造成一定的原子活动能力的条件，便必然会发生一系列的组织和性能变化，趋于稳定。这些变化，如图6-12所示，随加热温度不同，大致可以分为三个阶段：回复、再结晶、晶粒长大。

图6-12　变形金属在不同的加热温度时晶粒大小和性能变化示意图

1．回复

在加热温度较低时，仅因金属中的一点点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化，而变形金属的显微组织基本上没有发生变化，其晶粒仍保持纤维状或扁平状变形组织。

由于回复并不能使金属的晶粒大小和形状发生明显的变化，故金属的强度、硬度和塑性等力学性能变化不大，而只会使内应力及电阻率等理化性能显著降低。

因此，对变形金属所进行的低温退火通常仅用于要求保留产品的加工硬化性能而需要降低其内应力或改善某些理化性能的场合，如冷卷弹簧在卷制之后都要进行一次250℃～300℃的低温退火（或称去应力回火）。

2．再结晶

通过回复，虽然金属中的点缺陷大为减少，晶格畸变有所降低，但整个变形金属的晶粒破碎拉长的状态仍未改变，组织仍处于不稳定的状态。故当它被加热至较高温度，具有较高的原子活动能力时，其晶粒的外形便开始发生变化，从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。

再结晶：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中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，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，该过程称为再结晶。

再结晶并未改变相的结构与成分，所以再结晶引起组织重构，但并非是相变。

再结晶通过重新生核和成长之后，晶粒的外形发生了变化，而晶格的类型并不发生改变，仍与旧晶粒的晶格类型相同。如图6-13所示为黄铜经33%冷轧变形后，在加热时所发生的显微组织的变化，变形后为破碎拉长的晶粒，经过再结晶，得到了新的等轴晶粒。随着保温时间的延长，或加热温度的升高，晶粒将进一步长大。

图6-13　黄铜经33%冷轧变形后，加热时的再结晶过程

（a）冷轧后；（b）580℃加热3s；

（c）580℃加热4s；（d）580℃加热8s;

（e）加热15s；（f）700℃加热10s。

通过再结晶，金属的显微组织发生了彻底的改变，故其强度和硬度显著降低，而塑性和韧性重新提高，加工硬化现象得以消除（如图6-12所示）。

所以再结晶退火主要用于金属在变形之后或在变形的过程中，使其硬度降低，塑性升高，便于进一步加工。

但应注意的是，在进行再结晶退火时，必须正确掌握加热温度，否则一旦温度过高，反而会引起晶粒的进一步长大，使金属的塑性和韧性重新降低。再结晶的形核方式主要有亚晶合并和晶界突出，如图6-14为亚晶合并形核方式。

图6-14　再结晶的形核

3.晶粒长大

再结晶完成后，若再继续升高加热温度或过分地延长加热时间，金属的晶粒便会继续长大。因为通过晶粒长大可减少晶界的面积，使表面能降低，即晶粒长大是一个降低能量的自发过程，只要温度足够高，这一过程便不可避免地会发生。

晶粒长大，实质上是一个晶界位移的过程，如图6-15所示，即通过一个晶粒的边界向另一个晶粒的迁移，把另一晶粒中的晶格位向逐步地改变成为与这个晶粒相同的晶格位向，于是另一晶粒便逐步地被这一晶粒“吞并”，合并成为一个大晶粒。

图6-15　再结晶的长大

通常在再结晶后获得细而均匀的等轴晶粒的情况下，晶粒长大的速度并不很大。

二次再结晶：如果原来的变形不均匀，经过再结晶后得到的是大小不均匀的晶粒，在此情况下，由于大小晶粒之间的能量相差悬殊，便很容易发生大晶粒吞并小晶粒而愈长愈大的现象，从而得到异常粗大的晶粒，使金属的力学性能显著降低。为了与通常的晶粒正常长大相区别起见，常把晶粒的这种不均匀急剧长大的现象称为二次再结晶。

由此可见，要正确掌握再结晶退火后的金属组织和性能，不仅需要知道各种金属发生再结晶过程的温度，而且还有必要进一步讨论一下金属的加工变形度与再结晶退火后的晶粒度之间的关系。