在冷变形金属中，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，存在着趋于稳定的倾向。但是在室温或低温下，原子扩散能量不足，这种不稳定状态能得以长期保存。一旦对变形金属加热，提高原子活动能力，它就会以多种方式释放多余的内能，恢复到变形前低内能的稳定状态。然而随着各种退火加热温度的不同，恢复的程度也不同。为了正确地掌握不同目的的退火工艺，有必要了解变形金属在加热时的组织和性能的变化。
2．6．1 变形金属加热时的组织和性能的变化
实践证明，变形金属在加热时一般经历3个阶段，如图2．20所示。
（1）回复
在加热温度较低时，晶格中的原子仅能做短距离扩散，空位和位错的运动使得点缺陷数量减少，位错密度有所降低，从而使晶格畸变减轻，残余应力显著下降。
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、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只会使内应力及电阻率降低，抗蚀性得到改善。因此对变形金属所进行的低温退火通常用于保留产品的加工硬化效果条件下，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，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，即冷变形组织完全消失。这一过程称为“再结晶”。再结晶实质上是一个新晶粒重新生核和成长的过程，但新、旧晶粒的晶格类型不变，故不是相变过程。
图2．20 变形金属在不同的加热温度时晶粒大小和性能变化
再结晶形成的是等轴晶粒。通过新的等轴晶粒晶核的形成和成长以及把全部破碎晶粒代替后，再结晶过程便完成。如图2．21所示为黄铜经33％冷轧后，在580℃加热时所发生的显微组织变化，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。
通过再结晶，位错等晶体缺陷大大减少，故其强度和硬度显著降低，塑性和韧性重新提高，加工硬化现象得以消除。因此再结晶退火主要用于金属在变形之后或在变形的过程中，使其硬度下降，塑性升高，便于进一步加工。
（3）晶粒长大
塑性变形的金属经再结晶后，一般都会得到细小均匀的等轴晶粒。但若继续升高温度或过分延长加热时间，晶粒便会继续长大。因为晶粒长大是一个自发过程，它可减少晶界的面积，使表面能降低，使组织处于更稳定的状态。
晶粒长大实质上是一个晶界迁移的过程，如图2．22所示，即通过一个晶粒的边界向另一个晶粒中迁移，把另一晶粒中的晶格位向逐步改变成为与这个晶粒相同的位向，于是，另一晶粒便逐步地被这一晶粒“吞并”而合并为一个大晶粒。
通常再结晶后获得细而均匀的等轴晶粒，晶粒长大的速度并不很大。但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，就会由于大小晶粒之间的能量相差悬殊，很容易发生大晶粒吞并小晶粒而越长越大的现象，从而得到异常粗大的晶粒，使金属的机械性能显著降低。为了与通常的晶粒正常长大相区别，常把晶粒的这种不均匀急剧长大现象称为“二次再结晶”。
由此可知，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金属的加工变形度与再结晶退火后晶粒度之间的关系。
图2．21 经33％冷轧变形的黄铜在580℃加热时的再结晶过程
图2．22 晶粒的长大示意图
2．6．2 金属的再结晶温度
变形金属的再结晶不是在恒温下完成的。金属学中通常把能够发生再结晶的最低温度称为金属的再结晶温度。但是这样定义再结晶温度不便于实际运用和测量。因此，工业上通常又把在1h之内能完成再结晶过程的最低温度称为再结晶温度。
发生并完成再结晶的驱动力是塑性变形给金属内部所增加的内能。没经过冷加工变形的金属在加热时是不会发生再结晶的。金属的再结晶温度与下列因素有关：
（1）预先变形程度
如图2．23所示，金属的预先变形程度越大，产生的位错等晶格缺陷越多，组织越不稳定，因此再结晶温度越低。当变形量达到一定程度（＞60％）时，再结晶温度将趋于某一最低极限值，称为“最低再结晶温度”。大量的实验资料证明，各种纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的关系为
T再≈0．4T熔
式中的温度均按绝对温度计算。由该式可知，金属的熔点越高，其再结晶的温度越高。
图2．23 金属的再结晶温度与金属预先变形程度之间的关系
（2）化学成分
金属中的微量杂质或合金元素（特别是高熔点元素），常会阻碍原子扩散或晶界的迁移，提高再结晶温度。如纯铁的最低再结晶温度约为450℃，而低碳钢提高为500～650℃。在钢中再加入少量的W、Mo、V等合金元素，还会更进一步提高其再结晶温度。不过杂质或合金元素的作用在低含量时表现最为明显，当其含量增至某一浓度后，往往便不再继续提高再结晶温度，有时反而会降低再结晶温度。
（3）退火加热速度和保温时间
因为再结晶过程需要有一定时间才能完成，故提高加热速度会使再结晶温度提高。保温时间越长，原子的扩散移动越充分，再结晶温度便越低。
为了充分消除冷变形强化及缩短退火周期，工业生产一般把再结晶退火工艺温度取为最低再结晶温度以上100～200℃。
表2．5列出了常见工业金属材料的再结晶退火及去应力回火的加热温度。
表2．5 常见工业金属材料的再结晶退火及去应力回火的加热温度
2．6．3 再结晶退火后的晶粒度
晶粒大小对金属机械性能影响很大，为了正确掌握变形金属的退火质量就必须了解决定再结晶退火后晶粒度的因素有哪些。
（1）加热温度和保温时间
再结晶退火的加热温度越高，金属的晶粒便越大，如图2．24所示。此外，在加热温度一定时，保温时间过长，也会使晶粒长大，但其影响不如加热温度的影响大。
图2．24 再结晶退火时加热温度对晶粒度的影响
图2．25 再结晶退火时晶粒度与预先变形程度的关系
（2）预先变形度
变形度的影响实际上是一个变形均匀度的问题。变形度越大，变形便越均匀，再结晶后的晶粒便越细。如图2．25所示，当变形度很小（＜2％）时，由于晶格畸变很小，不足以引起再结晶，故晶粒大小保持原样。当变形度在2％～10％时，再结晶后的晶粒度异常粗大，称这个变形度为“临界变形度”。在此情况下，金属中仅有部分晶粒发生变形，变形极不均匀，因而再结晶时的形核数目很少，再结晶后的晶粒很不均匀，晶粒极易相互吞并长大。生产中应尽量避免这一范围的加工变形。当变形大于临界变形度时，随着变形度的增加，变形便越均匀，再结晶时的形核率便越大，再结晶后的晶粒便会越细越均匀。不过，如果预先变形度过大（≥90％），某些金属再结晶后又会出现晶粒异常长大的现象。一般认为这与金属中的织构形成有关，由于晶粒位向大致相同，给晶粒沿一定方向迅速长大提供了条件。
综合以上加热温度和变形度两个因素对再结晶后晶粒大小的影响于一个立体坐标图中，如图2．26所示，称为“再结晶全图”。各种金属的再结晶图是制订金属加工变形和退火工艺的重要参考资料。
图2．26 低碳钢的再结晶全图
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