基于回复及再结晶过程退火的分析

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　　摘 要：在金属制造的过程中，需要根据一定的要求和标准进行热处理，而回复与再结晶是金属热处理的两个重要组成部分，其对金属的强度和耐腐蚀性有着直接的影响。文章将就回复及再结晶过程的退火进行分析。
　　关键词：金属热处理；回复，再结晶
　　中图分类号：TQ139.2 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2011）0020(C)-0204-02
　　回复及再结晶过程的退火，主要是用于消除金属及合金因冷变形而造成的组织与性质亚稳定状态。主要是出于以下几个目的：有效恢复和提高金属塑性，以利于后续工序顺利进行；满足产品使用性能要求，以获取塑性与强度性能的配合，良好的耐蚀性和尺寸稳定性等。一般来说，金属冷变形所消耗的变形功，大部分以热的形式放散，小部分（占总变形功的2%―1%）则以储能的形式留在金属内部。储能的结构形式主要是如点缺陷，位错、亚晶外、堆垛层错等晶格畸变和各种晶格缺陷。一般来说，冷变形储能可以表示为冷变形后金属的自由能增量。冷变形金属加热退火时会发生回复及再结晶过程。根据加热退火时，冷变形金属所发生过程的实质，可以把这类退火分为再结晶退火，复退火和消除内心力退火等基本形式。
　　一、回复
　　（一）回复过程及其动力学特征。述回复过程的本质是点缺陷运动和位错运动与重新组合。低温回复以前者为主，胞状亚组织等细微结构基本上不变。一般来说，在较高的温度下，位错运动及位错重新组合是回复过程的主要变化，其主要包括异号位错的对消，多边化形成亚晶以及变形胞状业组织转变成典型的亚晶粒，上述过程将使金属的微细结构发生明显变化。随着退火温度升高或退火时间延长，多边化和胞状亚组织形成的亚晶会通过亚晶界迁移和业晶粒合并的方式逐渐粗化。在一定的条件下，亚晶可长到很大尺寸，这种情况称为原位再结晶。不过需要注意的是，原位再结晶是在原始变形晶粒的晶体学位向范围内进行的，相邻亚晶（原位再结晶晶粒）仍保持小角度界面，根据其实质还是属于亚晶粗大化范畴，不是真正的再结晶。亚晶及其粗化过程，都需要位错的滑移和攀移，因为攀移激活能比较高，所以此位错攀移过程是最缓慢的转变环节，对过程起着控制性作用。堆垛层错能强烈影响叫复阶段位错重新组合倾向，堆垛层错能愈低，扩展位错愈宽，这就意味着更难发生业晶形成及粗化所必需的交滑移过程。因此，具有高堆垛层错能而位错分裂甚微的铝，这些过程很容易进行，而在具有低堆垛层错能的黄铜中，则一般观察不到亚晶形成及粗化的过程。
　　（二）回复阶段性能变化的倾向。各种金属的本质不同，它们在回复时期的结构变化规律并不一致，所以反映在性能变化上也是有着不同的特点。在恒温下，随着退火时间增加，以及在等时条件下随退火温度升高，不同金属及合金强度性能变化的三种典型情况，即在回复阶段加工硬化可相当完全的保留、部分保留以及几乎完全消失这三种。强度性质与位错结构及晶粒尺寸有关，如果回复时只发生点缺陷运动而位错密度变化不大，则加工硬化将会基本保留。如果回复时发生了亚晶形成即粗化这样的过程，因为消除了亚晶内位错，加工硬化可能会大大的降低，那就是意味着其强度值与亚晶尺寸的关系可用霍芬――佩奇公式来计算。因为多边化等位错重组过程的倾向与金属的堆垛层错能有关，所以回复阶段性能变化的急剧程度，这就力学的性能而言，其实也就是回复时的软化能力。当然，其也与堆垛层错能有直接联系，通常情况下不同金属及合金会表现出不同的软化倾向。由于堆垛层错能较低，不易发生多边化等过程，所以在金属热加工常用的金属及合金中，铜、镍及银等，在回复阶段软化很少。比如说，铝、钛等堆垛层错能高，因此在回复阶段加工硬化会出现明显的降低；又如某些体心立方晶格的难熔金属，如钨、钼等，在回复阶段软化最剧。因为没有再结晶的钨及钼具有较低的冷脆温度，所以可以仅利用回复退火来消除加工硬化并获得良好的塑性。
　　（三）回复阶段硬化现象。某些金属及合金在回复退火温度下，硬度、强度特别是屈服极限和弹性极限不仅不降低，反而升高，这种现象称为低温退火的硬化效应。工业中可利用这种效应提高弹簧及簧膜的弹性极限。大多数铜基及镍基合金存在这种硬化效应。对这些合金的研究表明，硬化值与固溶体成分有关，固溶体浓度增高，硬化值加大。硬化值也与冷变形程度有关，冷变形程度增加，硬化值通常也增加。低温退火的硬化常呈可逆性，即退火后冷变形引起软化，随后退火又重新硬化。引起软化的压缩率为1%―5%。低温退火的硬化效应是较为普遍的现象。目前认为，这种硬化效应有各种不同机制，它们因合金不同而有所区别。
　　二、再结晶
　　从某―退火温度外始，冷变形金属显微组织发生明显变化，在放大倍数不太大的光学显微镜下山能观察到新生的晶粒，这种现象称为再结晶。再结晶时不仅由新的等轴的晶粒代替旧的被拉长的晶粒，而且其内部结构更加完善。再结晶前通常会发生回复过程，回复对再结晶形核的影响有两重性。回复时空位浓度大大减少，这使控制再结晶晶核形成的扩散过程减慢：回复时多边化等过程的影响则较为复杂：在变形程度较小的某些金属中，亚晶将以大约相同的速度在整个体积中形成和长大，并可能达到较为均匀粗大的尺寸和结构的高度完整性？当发生原位再结晶时，亚晶结构极为稳定，这种状态将可能使金属一直到熔点还观察不到再结晶过程发生；若在变形金属中位错分布不均匀，则在条件有利的部位多边化将进行较快而生成粗大的亚晶，这种亚晶就会吞食相邻亚晶而长大，逐步成为再结晶晶核。因此，这种情况下的多边化将成为再结晶的起始阶段，有利于再结晶过程――再结晶晶核是消除了加工硬化、结构上较为完整的新晶粒，但晶核外的基体仍处于变形状态，它们间的储能差就成为晶界迁移的驱动力，在这种驱动力作用下，晶核将以晶界向周围变形基体中推进的方式而长大。
　　三、回复退火及再结晶退火工艺
　　根据退火时的组织变化，退火可以分为回复退火和再结晶退火两种基本的类型。回复退火一般作为半成品或者复制品的最终处理，以便消除应力或者保证材料清单强度与塑性能够实现较好的结合。一般都是用于热处理不强的化合金。此外，在回复时的硬化效应，可以用来提高弹簧或者簧膜的弹性。再结晶退火又可分为完全退火、不完全退火及织构退火。一般来说，完全再结晶退火应用最为广泛，它可用作热变形后冷变形前坏料的预备退火，冷变形过程中的巾间退火以及获得软制品的最终退火；不完全再结晶退火―般用作最终退火以得到半硬制品，主要用于热处理不强化的合金。织构退火目的在于获得有利的再结从纠构，在钢的生产（硅钢片）小应刚较多。在生产中往往将退火分为高温退火及低温退火。高温退火的目的在于让材料充分软化，低温退火则是为了消除应力或得到半硬性质，这种分类只是具有温度及性能上的意义，不能说明退火过程中组织变化的实质。因为，有些合金在回复阶段即可基本软化，因而高温退火可能仍在回复阶段，而有些合金只有产生部分再结晶才能达到半硬状态．
　　结语：在金属热加工的过程中，为了一定的目的，如增强钢的硬度和耐用性能，往往会采取一定的措施来实现。而回复退火和再结晶工艺，是金属热加工中常用的处理方式，能够保证加工后的金属满足不同程度的要求。这就需要金属加工的相关人员要熟悉回复退火和再结晶的相关工序和具体的要求，保证加工的质量。
　　
　　 作者单位：广西百纳工程咨询有限公司
　　参考文献：
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　　[3]刘君,刘郁丽,杨合,高涛.热锻成形过程微观组织模拟技术的研究现状[J].机械科学与技术,2005年05期.
　　

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