冷轧钢板的再结晶退火

冷轧钢板的再结晶退火

再结晶退火是将经冷塑性变形的金属加热到再结晶温度以上、"7"

以下，经保温后

冷却的热处理工艺。钢材经过冷轧变形后，金属内部组织产生晶粒拉长、晶粒破碎和晶体 缺陷大量存在现象，导致金属内部自由能升高，处于不稳定状态，具有自发地恢复到比较 完整、规则和自由能低的稳定平衡状态的趋势。这是经过冷塑性变形的金属在随后的热 处理过程中能够发生组织和性能变化的内在因素。然而在室温下，金属的原子动能小，扩 散能力差，扩散速度小，这种自发倾向无法实现，必须施加推动力。这种推动力就是将钢 加热到一定温度，使原子获得足够的扩散动能，才能消除晶格畸变，使组织和性能发生变 化。随着加热温度的升高，组织和性能的变化可经过, 个阶段，即回复、再结晶、晶粒长 大，如图" % # 所示。

一、回复

当加热温度不高时冷变形金属中微观内应力显著降低，强度、硬度变化不大，塑性和 韧性稍有上升，显微组织无显著变化，新的晶粒没有出现，这种变化过程称为回复。在回 复阶段，冷变形金属中的主要变化是空位和位错的移动，位错的重新排列，以及由空位、位 错与晶体内界面的相互作用造成的空位和位错数目的减少。位错的运动，使得在晶粒中 原来杂乱分散的位错集中起来，相互结合并按某种规律排列起来，因而在变形晶粒中形成 许多小晶粒。这些小晶粒之间的位向差很小，一般不大于!&，彼此间以亚晶界分开，内部 结构接近完整状态，称为回复亚晶。在回复阶段，位错密度及亚结构尺寸无明显改变，因 而金属的力学性能变化不大。

二、再结晶

冷变形金属加热到较高温度时，将形成一些位向与变形晶粒不同的和内部缺陷较少 的等轴小晶粒，这些小晶粒不断向周围的变形金属扩展长大，直到金属的冷变形组织完全 消失为止，这一过程称为金属的再结晶。再结晶后冷变形金属强度和硬度显著下降，塑性 和韧性大大提高，内应力完全消除，加工硬化消除。图! " # 表示冷变形金属在加热时力 学性能的变化。

冷变形金属的再结晶过程一般是通过形核和长大过程完成的。有人认为再结晶核心 首先在变形晶粒畸变大的地方形成，这些晶核逐渐长大，直到相互接触为止，每个晶核都 形成一个等轴晶粒。然而理论计算得到的形核的激活能很大，不可能依靠热起伏获得。 后来有人提出亚晶粒长大的形核理论，即位相差很小的亚晶粒可逐渐合并长大，当它和基 体形成大角度晶界时，就能作为再结晶的核心，通过大角度晶界的移动来实现进一步长 大。此外当相邻两晶粒由于变形不均匀而畸变能产生差异时，如果其中畸变能较低的晶 粒中亚晶粒长大可以降低另一晶粒的畸变能，则这一亚晶粒将直接长大成为再结晶的核 心。至于亚晶粒究竟如何长大，至今有待进一步研究。

实践证明，当变形组织中存在着尺寸较大的夹杂物或第二相粒子时，由于它们的相界 面处晶格畸变较大，因而再结晶核心优先在夹杂物或第二相粒子的表面上形成。已经形 成的再结晶核心，将通过晶核与基体间界面的推移过程，不断向其周围的变形晶粒中扩展 长大，直到变形组织完全消失，再结晶过程即告结束。

能够进行再结晶的最低温度称为金属的再结晶温度。应特别指出的是，再结晶时新 旧晶粒的晶格结构和成分完全相同，所以再结晶不是相变过程，没有恒定的转变温度，这 是再结晶与重结晶的根本区别。再结晶过程的原动力主要是变形晶粒的畸变能，它的发 展必须通过金属内部原子的扩散移动来完成，因此再结晶过程能否进行主要取决于金属 中畸变能的高低和金属原子扩散过程能否充分进行。具体说再结晶温度与下列情况有 关：

（!）预先的变形程度。变形程度越大，金属畸变能越高，向低能量状态变化的倾向也 就越大，因此再结晶温度低。冷轧薄板厚度不大于!"#$$ 时，压下率大，再结晶温度低， 因而在退火时温度也较低；而厚的钢板压下率较小，再结晶温度相对提高了，退火温度相

应的也有所提高。

（#）原始晶粒度。原始晶粒粗大，变形阻力小，变形后内能集聚较少，所以要求再结晶 温度较高。

（%）金属纯度和成分。金属的化学成分对再结晶温度的影响比较复杂。当金属中含

有少量合金元素和夹杂时，在多数情况下要提高再结晶温度，这可能是由于少量的异类原 子与变形中产生的结构缺陷空位和位错交互作用，阻碍了这些缺陷的运动，使再结晶过程 难以进行。当合金元素含量较高时，则可能提高也可能降低再结晶温度，这主要视合金元 素对基体原子扩散速度的影响，以及合金元素对再结晶形核时表面能的影响而定。钼、铬 等元素可提高钢的再结晶温度，利用这一规律可以改善钢的高温性能。

（&）加热速度的影响。加热速度越快或加热时间越短，再结晶温度越高，因此在生产

中退火温度一般比最低再结晶温度高!’’ ( #’’)。大量实际资料的统计结果表明：当变 形程度较大时，各种金属材料的最低再结晶温度与其熔点的关系可用下式表示： !再*（’"%+ ( ’"&’）!熔

式中，!再及!熔均以绝对温度表示。

三、晶粒长大

再结晶完成后，继续升高温度或延长保温时间，晶粒会继续长大。晶粒长大也是一个 自发的过程，它使晶界减少，能量降低，组织变得更加稳定。晶粒长大主要靠晶界的迁移 来完成。较大的晶粒逐渐吞并相邻的小晶粒，晶界本身趋于平直化，三晶界的交角趋于 !#’,。在一般情况下，晶粒长大是逐渐进行的，称为正常晶粒长大。从再结晶完成到正常 晶粒长大，称为一次再结晶。一次再结晶形成的晶粒称为一次晶粒。但是当加热到较高 温度或保温时间较长时，对有些钢来说，将产生二次再结晶，即有少数晶粒吞并其周围的 一次晶粒并迅速长大，这种现象称为二次再结晶，其晶粒称为二次晶粒。单取向硅钢在高 温成品退火中，高斯织构是通过二次再结晶来形成的。

对于碳素钢，晶粒粗大会降低强度、塑性、冲击韧性及冷弯工艺性能，因此不希望发生 二次再结晶。在生产中一次晶粒长大是不可避免的，重要的任务是要将晶粒度控制在一 定范围之内，尽量获得细小均匀的晶粒，这就是在制定退火制度时应予以考虑的重要问 题。