什么是回复和再结晶?

[拼音]：huifu he zaijiejing

[外文]：recovery and recrystallization

经范性形变的金属或合金在不同温度加热后，会发生结构、组织和性能的变化。在较低温度发生回复；温度较高时发生基体的再结晶和晶粒长大。通过回复和再结晶，金属或合金从热力学上不稳定的冷变形状态转变为热力学上较稳定的新的组织状态。

经范性形变的金属或合金在室温或不太高的温度下退火时，金属或合金的显微组织几乎没有变化，然而性能却有程度不同的改变，使之趋近于范性形变之前的数值，这一现象称为回复。由于加热温度比较低，回复时原子或点缺陷（见晶体缺陷）只在微小的距离内发生迁移。回复后的光学显微组织中，晶粒仍保持冷变形后的形状，但电子显微镜显示其精细结构已有变化；由范性形变所造成的形变亚结构中，位错密度有所降低，同时，胞状组织逐渐消失，出现清晰的亚晶界和较完整的亚晶。回复时形成亚结构主要借助于点缺陷间彼此复合或抵销，点缺陷在位错或晶界处的湮没，位错偶极子湮没和位错攀移运动，使位错排列成稳定组态，如排列成位错墙而构成小角度亚晶界（见界面）此即所谓“多边形化”。回复过程的驱动力来自变形时留于金属或合金中的贮能。回复后宏观性能的变化决定于退火温度和时间。温度一定时，回复速率随退火时间增加而逐渐降低。力学性能（硬度、强度、塑性等）的回复速率通常要较物理性能（电阻、磁性、内应力等）的回复速率慢（见图1）。

当退火温度足够高、时间足够长时，在变形金属或合金的显微组织中，产生无应变的新晶粒──再结晶核心。新晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失，金属或合金的性能也发生显著变化，这一过程称为再结晶。过程的驱动力也是来自残存的形变贮能（见图1）。与金属中的固态相变类似，再结晶也有转变孕育期，但再结晶前后，金属的点阵类型无变化。

再结晶核心一般通过两种形式产生。其一是原晶界的某一段突然弓出，深入至畸变大的相邻晶粒，在推进的这部分中形变贮能完全消失，形成新晶核。其二是通过晶界或亚晶界合并，生成一无应变的小区──再结晶核心。四周则由大角度边界将它与形变且已回复了的基体分开。大角度边界迁移时，核心长大。核心朝取向差大的形变晶粒长大，故再结晶过程具有方向性特征。再结晶后的显微组织呈等轴状晶粒，以保持较低的界面能。开始生成新晶粒的温度称为开始再结晶温度，显微组织全部被新晶粒所占据的温度称为终了再结晶温度或完全再结晶温度。再结晶过程所占温度范围受合金成分、形变程度、原始晶粒度、退火温度等因素的影响。实际应用中，常用开始再结晶温度和终了再结晶温度的算术平均值作为衡量金属或合金性能热稳定水平的参量，称为再结晶温度。

再结晶完成后，随退火温度的升高或保温时间的延长，金属或合金显微组织中有新晶粒通过晶界的迁移而将相邻的其他新晶粒吞并掉，发生了形成更大尺寸的再结晶晶粒的过程，这个过程称为晶粒长大。晶粒长大的驱动力是晶界能。晶粒长大的过程是金属或合金单位体积中晶界能不断减小的过程。通常有两种情况，即晶粒的正常长大(normal grain growth)和晶体的异常长大(anomaly grain growth)。前者以晶粒长大速率较均匀、长大时晶粒的形状和尺寸分布基本不变为特征；后者则以基体的某一小范围内只有很少几个晶粒发生快速长大为特征。为区别起见，将正常长大称为聚合再结晶，异常长大称为二次再结晶；异常长大前则称一次再结晶或加工再结晶。晶体的正常长大多出现于纯金属或单相合金中。若金属基体中含有第二相弥散质点，或很强的单一取向结构时，则发生异常长大。纯铝冷变形后在不同退火阶段中显微组织变化的金相照片，（见彩图)。

金属或合金进行范性形变时的温度，可低于或高于再结晶温度。前种变形常称冷作、冷变形或冷加工；后者称热加工。金属或合金在热加工的同时伴有回复、再结晶或晶粒长大等过程，这些也可能产生于变形后的保温或冷却过程中。热加工过程中所伴生的回复和再结晶，称动态回复与动态再结晶。

工业上常借助回复完成消除应力的退火，提高合金的抗腐蚀性；借助再结晶消除形变组织，使合金具有某种特定的性能，如一些经受大变形的软磁合金即可借此获得有利的再结晶织构而有最佳的磁导率（见硅钢片）。金属的再结晶和晶粒长大是制订合理的热加工工艺规范的重要依据。工业上还称金属或合金在指定时间内（一般0.5～1小时）完成或达到规定程度的再结晶所需要的最低温度为再结晶温度。由于在一小时内完成再结晶过程所需的温度范围很窄（在典型情况下，提高退火温度10℃，再结晶过程所需时间便可缩一半），所以往往将其看作某一固定的温度：高于它可完成再结晶；低于它则无再结晶。但实际上它受时间、材料断面尺寸等因素影响，不应视为金属的一种特性。对特定材料于一小时的保温条件下，描述再结晶退火后晶粒尺寸、变形量和退火温度三者关系的再结晶图，是制定生产工艺的重要参考依据。图2是纯铁退火1小时的再结晶图，由该图可知：温度一定时，当范性形变量达到某一临界值（称临界形变度，一般在2～10％左右）时会出现晶粒的急骤长大，在金属塑性加工的生产中通常要力求避免这种临界形变度；有时也可利用这种特性生产大晶粒（甚至单晶）材料。一般来说，形变量越大，晶粒越小；形变量一定时，温度越高，晶粒越大。

回复过程的常用的检验方法有硬度法、密度法、电阻法等;检验再结晶的方法有强度法、金相法、X射线衍射法等。

参考书目

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.