晶粒长大及其影响因素

三、晶粒长大及其影响因素

(一)晶粒的正常长大与二次再结晶

冷变形金属在加热过程中，若再结晶完成后继续升温或延长保温时间，新形成的等轴晶粒便会长大。晶粒长大使晶界减少，能量降低，组织变得更为稳定。研究表明，再结晶晶粒长大主要靠晶界迁移，小晶粒逐渐被其相邻的较大晶粒吞并而进行的。晶粒长大过程中，晶界逐渐趋于平直化，三晶界的交角趋于120°。晶粒长大会使金属的力学性能下降。

一般情况下，再结晶晶粒长大是随着温度升高或保温时间延长而均匀连续地进行的，这种长大称为正常长大。但有时在加热到较高温度或保温较长时间后，少数晶粒会吞并周围许多晶粒而急剧长大，导致晶粒大小越来越悬殊，这样就更加有利于大晶粒吞食周围的小晶粒，直至这些迅速长大的晶粒相互接触为止。这种现象称为反常长大(或称二次再结晶)。在一般情况下，这种异常粗大的晶粒只是在金属材料的局部区域出现，使金属内部出现明显不均匀的晶粒尺寸。图5-17为二次再结晶过程示意图。

图5-17　二次再结晶过程示意图(保温时间τ₁＜τ₂＜τ₃)

一般认为，晶粒出现反常长大的原因是变形金属再结晶后，晶界存在着弥散细小的杂质粒子或变形织构等其他因素，这些粒子等在温度较低时能够稳定存在，对晶粒长大起阻碍作用，但当温度过高或在较高温度下长时间保温时，这些弥散质点发生了溶解，阻止晶界迁移的因素消失，晶粒便会突然长大。二次再结晶将导致金属晶粒异常粗大，使金属的强度、塑性和韧性降低。尤其是当晶粒很不均匀时，往往会造成很大的危害。零件使用过程中，在粗大晶粒处很易产生裂纹，导致其早期损坏。因此，在制定材料的再结晶退火工艺时，应注意避免二次再结晶现象。但对某些软磁材料，反而可以利用二次再结晶，以形成所希望的晶粒择优取向，获得具有合适织构的粗晶粒以提高其磁性。如硅钢片在加工中就是利用二次再结晶促使其形成变形织构，使硅钢片沿某方向具有最佳的导磁性。

(二)影响晶粒长大的因素

粗大的晶粒组织会严重影响金属的力学性能。因此，再结晶退火时如何控制晶粒大小有着十分重要的意义。实践证明，影响再结晶晶粒大小的因素主要有以下几个方面。

1．变形度

金属的冷变形程度是影响再结晶后晶粒大小的最重要因素之一。在其他条件相同的情况下，金属的晶粒大小与其变形度之间的关系如图5-18所示。由图可见，当变形度很小时，金属的畸变能很小，不足以引起再结晶，所以晶粒大小几乎没有变化;当变形度达到某一数值时，由于此变形度下再结晶时的形核率很低，长大速度又较快，再结晶后的晶粒特别粗大，通常将这个能使金属获得粗大晶粒的变形度称为临界变形度;当变形度超过临界变形度后，则变形度越大，再结晶晶粒越细小。这是由于变形度增加，使再结晶晶核数目增多的缘故;当变形度达到一定数值后，再结晶晶粒大小基本保持稳定不变。然而对于某些金属或合金，当变形度相当大时，再结晶晶粒又会出现重新粗化的现象。一般认为这与织构的形成有关，因为晶粒取向大致相同时，给晶粒沿一定方向迅速长大提供了条件。这种现象只是在某些特定的条件下才出现，不带有普遍性。

图5-18　变形度对再结晶晶粒大小的影响

一般金属的临界变形度在2%～10%。铁为2%～10%，钢为5%～10%，铜及黄铜为5%。为使金属获得细晶粒组织和良好的力学性能，应在压力加工时尽可能避开这个变形度。但有时为了某种特殊的需要，也可以利用这种现象。冷轧无取向硅钢片最后一道轧制变形量就取在临界变形度范围内，以便退火后得到尽可能粗大的晶粒。

2．加热温度与保温时间

加热温度越高，保温时间越长，晶粒便越粗大，但两者之间加热温度的影响更大。提高加热温度还可使临界变形度的数值减小。

3．金属原始晶粒大小

当变形度一定时，金属冷变形前的原始晶粒越细，则再结晶后的晶粒也越细。这是由于细晶粒金属存在着较多的晶界，而晶界又为再结晶的形核提供了有利的条件，所以原始细晶粒金属再结晶后一般仍会得到细晶粒组织。