什麼是再結晶

加熱累積加工應變的金屬時,生成並成長無應變新晶粒的現象。強度下降,延性恢復。

日文名稱: 再結晶

「再結晶」出現在4領域的7道練習題中(熱處理與金屬材料, 金屬材料與合金, 材料的加工與接合等)。

這個名詞所屬的領域: 金屬材料與合金

驅動力與核的生成方式

再結晶的驅動力,是加工時累積的差排能量。加熱時,在應變大的區域,回復所形成的次晶粒中有一部分成長得比周圍快,成為具有大角度晶界的新晶粒(再結晶核)。這些晶粒一邊吞食周圍差排多的組織、一邊使晶界移動而擴展,最後整體被應變少的晶粒取代。再結晶的進行,對時間呈S形曲線,常以Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK)方程式 X = 1 − exp(−ktⁿ) 表示。

再結晶溫度與加工度

再結晶溫度通常定義為1小時內完成再結晶的溫度,標準為熔點(絕對溫度)的0.3〜0.5倍。純度越高溫度越低,例如高純度的銅約在120℃、也就是熔點的約0.3倍再結晶。少量的溶質會阻礙晶界的移動,使再結晶溫度大幅上升。此外,加工度越大,累積能量與核的數目越多,因此再結晶溫度下降,再結晶後的晶粒也變細。完成再結晶所需的時間強烈依存於溫度,溫度只要稍微提高就會大幅縮短。

與晶粒成長、二次再結晶的區別

再結晶完成後繼續加熱時,為了減少晶界能,大晶粒會吞食小晶粒而成長。它的驅動力是晶界能,是與以累積能量為驅動力的再結晶不同的階段。只有一部分晶粒異常變大的現象稱為二次再結晶(異常晶粒成長),在方向性電磁鋼板中,以析出物抑制一般的晶粒成長,只讓Goss方位的晶粒二次再結晶,使方位一致。剛再結晶的晶粒也多半偏向特定方位(再結晶織構),會影響板材的成形性。

在熱加工與製造工程中的角色

熱加工與冷加工,以是否在再結晶溫度以上加工來區分。在熱軋或鍛造中,變形途中或剛變形後會發生再結晶(動態再結晶、靜態再結晶),使粗大的鑄造組織變成細小的晶粒。在冷加工的工程中,對加工硬化而伸長率變少的材料進行中間退火使其再結晶,恢復延性後再進入下一道加工。改變最終退火的溫度與時間就能調整晶粒的大小,藉由霍爾-佩奇關係分別做出不同的強度與成形性。

練習再結晶的題目

關於將冷加工金屬加熱時的再結晶,下列敘述何者正確?

  1. A生成應變少的新晶粒,強度下降而延性恢復
  2. B加工度越大,再結晶溫度越高
  3. C再結晶結束後,即使繼續加熱,晶粒也不會變大
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正確答案:A. 生成應變少的新晶粒,強度下降而延性恢復

加熱冷加工的金屬時,首先發生以差排重新排列降低內部應力的回復;在更高溫下,則以累積的應變能為驅動力,產生並成長應變少的新晶粒,即發生再結晶。由於差排密度大幅下降,強度與硬度降低,延性恢復。加工度越大,累積的能量越大,因此再結晶溫度越低。再結晶溫度的標準約為熔點(絕對溫度)的0.3〜0.5倍,但會隨加工度與純度而改變。再結晶後若繼續加熱,為了降低晶界能,晶粒成長會持續進行。

將冷加工的金屬以不發生再結晶程度的溫度加熱時所發生的回復,下列敘述何者正確?

  1. A差排重新排列使內部應力下降,但硬度與強度下降不多
  2. B生成無應變的新晶粒取代加工組織,差排密度降低而硬度大幅下降
  3. C晶界移動使晶粒粗大化到數倍大小,硬度與強度都大幅下降
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正確答案:A. 差排重新排列使內部應力下降,但硬度與強度下降不多

回復是加工時增加的差排消滅,或重新排列成低能量配置(形成小角度晶界的多邊形化)的過程。差排的總量不會大幅減少,因此硬度與強度下降不多,但內部應力(殘留應力)會下降,並因點缺陷減少等使電阻明顯恢復。想保持加工品的形狀而只去除應力時所用的應力消除退火,就是利用這種回復。生成無應變的新晶粒、差排密度大幅下降而使硬度降低的,是在更高溫發生的再結晶。晶粒的成長是接在再結晶之後的晶粒成長,兩者都是與回復不同的階段。

常見問題

再結晶溫度是熔點的幾倍?

標準是熔點(絕對溫度)的0.3〜0.5倍。不過它會隨純度、加工度、加熱時間而大幅改變,因此各材料的值需要以實驗確認。

再結晶會改變晶體結構嗎?

不會。再結晶是在相同的相中,應變多的晶粒被應變少的晶粒取代的現象。與鋼變態為沃斯田鐵這類晶體結構改變的變化是不同的。

臨界加工度是什麼?

是發生再結晶所需的最小加工度,多半約為數%。以這附近的加工度退火時,生成的核少,晶粒會變得非常粗大,成為表面橘皮或強度下降的原因。

解析中的「再結晶」

出現「再結晶」的題目(7題)

  1. 關於將冷加工金屬加熱時的再結晶,下列敘述何者正確?
  2. 將冷加工的金屬以不發生再結晶程度的溫度加熱時所發生的回復,下列敘述何者正確?
  3. 設再結晶溫度的標準為熔點(絕對溫度)的0.4倍時,下列何者屬於熱加工?熔點為鉛327℃、鎢3422℃、鐵1538℃。
  4. 將直徑10.0 mm的銅線抽拉成直徑8.0 mm。冷加工度(斷面縮減率)為下列何者?
  5. 用於變壓器鐵芯的方向性電磁鋼片(Fe-約3%Si),沿軋延方向磁化時損失特別小且磁導率高,其原因何者正確?
  6. 以鑄造與熱鍛造分別製作相同形狀的碳鋼零件時,一般而言鍛造件的韌性與疲勞強度較優。其原因何者正確?
  7. 下列關於摩擦攪拌焊接(FSW)之特徵的敘述,何者正確?

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