再结晶程序：铝合金微观结构演变的精彩历程
再结晶过程可以借助一张图来清晰阐释，热处理型合金与加工型合金在这个过程中的本质是基本一致的，不过，它们之间可能存在一些差异，其中较为明显的差异体现在再结晶形状上。通常情况下，热处理型合金的再结晶温度相对较高，这使得在再结晶过程中，晶粒可能会呈现出更明显的方向性。
我们以5182（Al - Mg合金）冷轧延材料为例，当冷加工量超过80%，合金处于H19状态时，对5182 - H19合金进行245℃的退火处理。在1h到7h的不同处理时间内，我们能够得到展示再结晶开始、进行中以及完成等不同阶段组织的金相图，这些金相图如同一个个微观世界的“快照”，清晰地呈现出再结晶的程序：
- 图(a)：此图呈现的是冷轧延加工量超过80%时典型的纤维组织。想象一下，此时的合金内部，晶粒就像被整齐排列拉伸的纤维，这是冷加工赋予它们的独特形态。
- 图(b)：这是245℃退火1h后的金相图，仔细观察，我们可以发现一些微小的亮点，这些就是再结晶的晶核，它们如同星星之火，预示着再结晶过程的开始。
- 图©和(d)：分别对应245℃退火2h及3h的金相图。在这两张图中，我们能看到更多的再结晶晶核，而且晶核开始逐渐长大。与此同时，随着时间的推移，原本加工形成的纤维晶在逐渐减少，就好像新生命在慢慢取代旧的形态。
- 图(e)：245℃退火4h后的金相组织图，此时已接近再结晶完成阶段。大部分组织已经转变为再结晶晶粒，不过，仍然有少量加工纤维组织（也就是亚晶，recovered sub - grain）残留，这仿佛是旧时代留下的一点痕迹。
- 图(f)：该图显示245℃退火7h后再结晶完成，最终形成了等轴晶。当再结晶完成的那一刻，也就意味着退火结束。此时的材料就像经过一场蜕变，处于最软的状态，拥有最低的机械强度及硬度。在加工硬化型合金1000、3000及5000系列合金中，图(f)所示的金相组织代表着完全退火状态，也就是说，加工形成的纤维晶（亚晶结构）已经完全消失，材料内部呈现出均匀的等轴晶结构。
再结晶的晶粒大小是可以直接测量的，一般我们依据ASTM E112 - 96平均晶粒度标准测试方法的规范，来了解再结晶晶粒大小的号数或者等轴晶的号数。ASTM晶粒号数如下表所示。
| 晶粒号数 | #0 | #1 | #2 | #3 |
|---|---|---|---|---|
| 定义[100倍时每平方英寸（6.45cm²）的晶粒数目] | 0.5 | 1 | 2 | 4 |
| 晶粒实际大小（约） | 0.13mm² | 0.065mm² | 0.03mm² | 0.016mm² |
| 晶粒号数 | #4 | #5 | #6 | #7 |
|---|---|---|---|---|
| 定义[100倍时每平方英寸（6.45cm²）的晶粒数目] | 32 | 64 | 8 | 16 |
| 晶粒实际大小（约） | 0.002mm² | 0.001mm² | 0.008mm² | 0.004mm² |
| 晶粒号数 | #8 | #9 | #10 | #11 |
|---|---|---|---|---|
| 定义[100倍时每平方英寸（6.45cm²）的晶粒数目] | 128 | 256 | 512 | 1024 |
| 晶粒实际大小（约） | 0.0005mm² | 0.00025mm² | 0.00013mm² | 0.000065mm² |
这里有一个有趣的规律，晶粒越小，号数越高。一般来说，当再结晶的晶粒号数等于或大于#4时，我们就可以称其为细晶；而当晶粒号数等于或小于#4时，我们称其为粗晶。这是因为等于或小于#4的晶粒，我们用肉眼就能够清晰地辨识。无论是铸造晶粒还是再结晶晶粒，只要是用肉眼能清楚分辨的晶粒，通常都被叫做粗晶。
Altenpohl对再结晶的成核及核成长机理进行了详细阐述，具体如下：
- 图(a)：当再结晶温度刚刚开始作用时，加工变形的金属内部主要还是以加工形成的纤维晶为主，但就在这个时候，已经开始有再结晶的核悄然产生，它们就像在黑暗中孕育的种子。
- 图(b)：随着时间的推移，更多的核开始形成，之前产生的核也在继续成长，与此同时，纤维晶在整个组织中的比例开始降低，就像新的生命力量在逐渐壮大，旧的结构在慢慢被取代。
- 图©：在这个阶段，晶粒不断成长，它们相互碰触，纤维晶的比例变得更低，整个组织就像一个充满活力的微观世界，各种晶粒在不断地生长和融合。
- 图(d)：最终，再结晶完成，加工形成的纤维晶组织已经完全不见，就像一场华丽的变身，全新的组织结构诞生了。而且，当再结晶程序完成时，加工过程中残留的应力也会完全消失，此时的材料仿佛获得了新生。如果继续对材料加热，再结晶完全的晶粒可能会继续成长，加热的时间越长或者温度越高，再结晶的晶粒数目会越少，而晶粒尺寸会越大，就好像晶粒在不断地“膨胀”。
Altenpohl还对再结晶的晶粒成长情况进行了说明：
- 图(1)：此图显示再结晶刚刚完成，此时的晶粒分布均匀，呈现出一种崭新而有序的状态。
- 图(2)：当处于更高的温度或者经过更长时间的作用后，再结晶完成的晶粒开始成长，它们变得更大，仿佛在吸收更多的能量，不断壮大自己。
- 图(3)：这张图展示了二次再结晶（secondary recrystallization）的情况，其中出现了单晶异常成长。二次再结晶中，单晶异常成长粗大的情况可能发生在更高温度、更长时间的加热处理中，比如长时间的固溶处理或退火处理，而且加热前材料可能处于少量或大量加工的状态。为什么会出现这种异常粗大的单晶呢？这可能是由于其周围没有适当大小异质的弥散体（dispersoids）或化合物（如金属间化合物）来阻碍它的成长，而与之邻近的较小晶粒可能存在异质的化合物或弥散体颗粒，这些颗粒限制了小晶粒的成长，从而使得这颗单晶能够“脱颖而出”，变得异常粗大。
我们通过体视显微镜及光学显微镜观察6061合金挤压件（固溶后），可以看到左图显示次表层存在异常粗大单晶，右图表明该单晶周围是未完全再结晶的组织，并且这个组织中存在许多次晶组织。这个6061工件是在高温及少量加工量的条件下成型的，在成型后又于高温（535℃）长时间进行固溶处理，淬火后便产生了这种异常粗大的单晶。左图是经过氢氧化钠腐蚀后呈现出的次表层异常粗大的单晶，右图则是经过Keller腐蚀后，单晶周围未完全再结晶的次晶组织。这些微观结构的变化，就像一部微观世界的“成长史”，生动地展示了铝合金在再结晶过程中的奇妙演变。