5.4-热变形和动态回复再结晶

第五章材料的变形与再结晶5.4热变形和动态回复再结晶压力加工是利用塑性变形的方法使金属成形并改性的工艺方法。由于在常温下进行塑性变形会引起金属的加工硬化，即出现变形抗力增大、塑性下降，这使得对某些尺寸较大或塑性低的金属在常温下难以进行塑性变形。生产上通常采用在加热条件下进行塑性变形。热变形或热加工指金属材料在再结晶温度以上的加工变形。工业生产个，高温进行的锻造，轧制等压力加工属热加工。热加工过程中，在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。第五章材料的变形与再结晶1.热加工与冷加工从金属学的角度，将再结晶温度以上进行的压力加工称为热加工，发生硬化、回复、再结晶。而将再结晶温度以下进行的压力加工称为冷加工，发生加工硬化。例如钨的再结晶温度约为1200℃，因此，即使在1000℃进行变形加工也属于冷加工。热加工温度：T再T热加工T固－100～200℃2.热加工特点在热加工过程中，金属同时进行着两个过程：形变强化和再结晶软化(如下图)。塑性变形使金属产生形变强化，而同时发生的再结晶(称为动态再结晶)过程又将形变强化现象予以消除。因此，热加工时一般不产生明显加工硬化现象。热加工过程中的动态再结晶示意图第五章材料的变形与再结晶热加工时，硬化过程与软化过程是同时进行的，按其特征不同，可分为下述五种形式：•(1)动态回复•(2)动态再结晶（1）、（2）是在温度和负荷联合作用下发生的。•(3)亚动态再结晶•(4)静态再结晶•(5)静态回复（3）、（4）、（5）是在变形停止之后，即在无负荷作用下发生的。第五章材料的变形与再结晶5.4.1动态回复和动态再结晶在金属冷形变后的加热过程中发生的，称为静态回复和静态再结晶。若提高金属变形的温度,使金属在较高的温度下形变时，金属在热变形的同时也发生回复和再结晶，这种与金属热变形同时发生的回复和再结晶称为动态回复(dynamicrecovery)和动态再结晶(dynamicrecrystallization)。动态回复：在热加工过程中，塑性变形使金属产生形变强化的同时发生的回复的现象。动态再结晶：在热加工过程中，塑性变形使金属产生形变强化的同时发生的再结晶的现象。这是在通常的热加工时发生的过程。在发生回复和再结晶时，由形变造成的加工硬化与由动态回复，动态再结晶造成的软化同时发生。第五章材料的变形与再结晶一、动态回复1.动态回复时的真实应力－真实应变曲线,分为三段第Ⅰ阶段—微应变阶段:应力增加很快,但应变量不大(小于1%),加工硬化开始出现。第Ⅱ阶段—均匀变形阶段:曲线的斜率逐渐下降，金属材料开始均匀塑性变形，即开始流变，并发生加工硬化，且随加工硬化作用的加强,开始出现动态回复并逐渐加强,其造成的软化逐渐抵消加工硬化作用,使曲线的斜率下降并趋于水平，加工硬化率为零，进入第三阶段。第Ⅲ阶段—稳态流变阶段:在达到第三阶段后，即可实现持续形变。表现为由变形产生的加工硬化与动态回复产生的软化达到动态平衡,流变应力不再随应变的增加而增大,曲线保持水平状态。达到稳态流变时应力值与变形温度和应变速率有关,增高变形温度或降低应变速率,都将使稳态流变应力降低。•这一特性已用于钢材，如在750℃以下的热加工。•注意：当应变速率增大时：曲线整体移向上方，即稳态流变应力增大；温度升高时：曲线下移，稳态流变应力减小。第五章材料的变形与再结晶2.动态回复机制第Ⅰ阶段,金属中的位错密度由退火态的1010~1011m-2增至1011~1012m-2。第Ⅱ阶段位错密度继续升高,但因动态回复的出现,位错消失率也增大。第Ⅲ阶段，位错的增殖率和消失率达到平衡，位错密度维持在1014~1015m-2。和冷形变时相同，随着位错密度的增大，金属中形成位错缠结和位错胞。位错密度的增大导致了回复过程的发生，位错消失的速率随应变的增大不断增大，最后终于使位错增殖与位错消失达到平衡，不再发生加工硬化的稳态流变阶段。•动态回复机制是位错的攀移和交滑移，攀移在动态回复中起主要的作用。层错能的高低是决定动态回复进行充分与否的关键因素。动态回复易在层错能高的金属，如铝及铝合金中发生。第五章材料的变形与再结晶3.动态回复时的组织变化动态回复过程随变形的进行金属中的晶粒延伸成纤维状，而通过多边化或位错胞规整化形成大量的亚晶粒组织始终保持等轴状，即使形变量很大也是如此。这被解释为动态回复过程中亚晶界的迁移和多边化的结果。亚晶的尺寸及相互间位向差取决于金属类型、形变温度和应变速率。亚晶平均直径d与T、ε的关系如下：1/d=a+blog[εexp（Q/RT）]a、b为常数动态回复所获得的亚稳组织可通过热变形后的迅速冷却而保留下来，其强度远远高于再结晶组织的强度。但若从高温缓冷下来，则将发生静态再结晶。•对于给定金属材料，动态回复亚晶粒的大小受形变温度和形变速率的影响：形变温度越高或形变速率越低，亚晶粒越大。•动态回复组织已成功地应用于提高建筑合金挤压型材的强度方面。第五章材料的变形与再结晶（二）动态再结晶1.动态再结晶的应力金属在一定温度下以不同应变速率变形并发生动态再结晶时的s—e曲线分成三个阶段：第一阶段—加工硬化阶段：应力随应变上升很快，金属出现加工硬化（0εεc）。第三阶段—稳定流变阶段：随真应变的增加，加工硬化和动态再结晶引起的软化趋于平衡，流变应力趋于恒定。但当ε以低速率进行时，曲线出现波动，其原因主要是位错密度变化慢引起。（ε≥εs）第二阶段—动态再结晶开始阶段：应变达到临界值εc，动态再结晶开始，其软化作用随应变增加而上升的幅度逐渐降低，当σσmax时，动态再结晶的软化作用超过加工硬化，应力随应变增加而下降（εc≤εεs）。第五章材料的变形与再结晶在高应变速率下，随变形量增加位错密度不断增高，使动态再结晶加快，软化作用逐渐增强，当软化作用开始大于加工硬化作用时．曲线开始下降。当变形造成的硬化与再结晶造成的软化达到动态平衡时，曲线进入稳定阶段。在低应变速率下，与其对应的稳定态阶段的曲线呈波浪形变化，这是由于位错增殖速度小，在发生动态再结晶软化后，继续进行再结晶的驱动力减小，再结晶软化作用减弱，以致不能与新的加工硬化平衡，从而重新发生硬化，曲线重新上升。等到位错再度积累到一定程度，使再结晶又占上风时，曲线又重新下降。这种反复变化的过程将不断进行下去，变化周期大致不变，但振幅逐渐衰减。因此这种情况下，动态再结品与加工硬化交替进行：使曲线呈波浪式。层错能偏低的材料如铜及其合金，奥氏体钢等易出现动态再结晶。故动态再结晶是低的层错能金属材料热交形的主要软化机制。2.动态再结晶的机制第五章材料的变形与再结晶3.动态再结晶组织•动态再结晶在应变速率较低时通晶界弓出形核，这是由于晶界局部被缠结位错构成的亚晶界钉扎，同时弓出段两侧存在着较大的应变能差；在应变速率较高时以亚晶合并长大方式形核，这是由于位错缠结形成较多的亚晶粒，使晶界被钉扎点间的距离缩小，可弓出段长度太小，以致弓出形核难以实现。•其长大是通过新形成的大角度晶界及随后移动的方式进行•其特点：反复形核、有限长大，晶粒较细。动态再结晶的晶粒为等轴晶粒组织，晶粒较为细小，大小不均匀，晶界呈锯齿状，等轴的等轴晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒，其尺寸取决于应变速率和变形温度。由于具有较高的位错密度和位错缠结存在，这种组织比静态再结晶组织具有较高的强度和硬度。•应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、快的冷却速度可获得细小晶粒。第五章材料的变形与再结晶动态再结晶组织第五章材料的变形与再结晶4.形变诱发析出与动态再结晶发生塑性变形时，合金中的固溶体内可能析出第二相。这种过程叫作形变诱发析出。合金在高温下形变时，形变诱发析出现象尤为普遍。析出的第二相颗粒对动态再结晶有一定阻碍作用。这种阻碍作用的强弱决定于第二相颗粒的数量与尺寸。应变速率很高时，由于受原子扩散速度的限制，第二相来不及析出。应变速率低时，第二相颗粒粗化，对动态再结晶的阻碍作用不大。只有在中等应变速率形变时，应变诱发析出的第二相既有一定数量，颗粒又比较细小，它们对动态再结晶有较大的阻碍作用。第五章材料的变形与再结晶5.4.2金属热变形的组织和性能1.改善铸造状态的组织缺陷，提高材料的致密性和力学性能。可使铸态组织中的气孔、气泡、疏松及微裂纹焊合，提高金属致密度，还可以使铸态的粗大树枝晶通过变形和再结晶的过程而变成较细的晶粒，某些高合金钢中的莱氏体和大块初生碳化物可被打碎并使其分布均匀、降低偏析等。这些组织缺陷的消除会使材料的性能得到明显改善。提高强度、塑性、韧性。第五章材料的变形与再结晶2.热变形形成流线（纤维组织），出现各向异性。在热加工过程中铸态金属的枝晶偏析、晶界杂质偏聚、夹杂物或第二相粒子、晶界等逐渐沿变形方向延展，在宏观工件上勾画出一个个“流线”，即指动态再结晶形成等轴晶粒而夹杂物(或第二相)仍沿变形方向呈流动状的纤维组织。顺流线方向比横向具有更高的力学性能，特别是塑性和韧性提高明显。在制订热加工工艺时，要尽可能使纤维流线方向与零件工作时所受的最大拉应力的方向一致(如下图)。拖钩的纤维组织（a）模锻钩（合理），（b）切削加工钩（不合理）第五章材料的变形与再结晶3.形成带状组织形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。影响：各向异性。消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高温扩散退火或正火。第五章材料的变形与再结晶4.控制热加工工艺，以获得细小的晶粒组织。通过动态回复和动态再结晶后，在晶粒内部都形成了亚晶粒，具有这种亚组织的材料，其强度、韧性提高，为亚组织强化，其屈服强度与亚晶尺寸ds之间满足Hall-Petch。第五章材料的变形与再结晶5.4.3蠕变•许多构件在高温下工作的，高压锅炉，蒸气轮机，燃气轮机，反应容器等，不能用常温性能衡量高温力学性能。•蠕变：在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下，不断地发生变形。第五章材料的变形与再结晶一、蠕变曲线按分成•Ⅰ：瞬态或减速蠕变阶段：蠕变第一阶段，过渡蠕变阶段。•Ⅱ：稳态(恒速)蠕变阶段：蠕变第二阶段，稳态蠕变阶段。•Ⅲ：加速蠕变阶段：蠕变第三阶段，加速蠕变阶段。ddt第五章材料的变形与再结晶•常温下的变形：可通过位错的滑动，产生滑移和孪晶两种变形方式。•高温下的蠕变：高温位错还可以通过攀移，使位错迁到障碍时作垂直于滑移面的运动，继续变形→软化过程。总之，位错滑动和攀移交替进行的结果。•蠕变变形机制两种：位错蠕变机制扩展蠕变机制这两种蠕变机制之间没有确切的划分界限二、蠕变的变形机制第五章材料的变形与再结晶1、位错蠕变机制•条件：温度较低,T＜0.5Tm应力较高•蠕变过程发生在大多数工业合金，平衡时：•第二阶段：加工硬化率＝回复转化速率即•第二阶段的蠕变速率由位错攀移速率所控。蠕变方程符合5.41式。dddddtddt0d第五章材料的变形与再结晶条件：温度高，应力较小。适用于陶瓷，Ni基超合金。扩散蠕变应力作用下晶内空位流动模型，图5.75C为一常数，3-4之间；Q为自扩散的激活能/QRtCe2、扩散蠕变机制3、晶界滑动蠕变机制第五章材料的变形与再结晶5.4.4超塑性有些合金(如Ti-6Al-4V和Zn-23Al等)经过特殊的热处理和加工后，在外力作用下可能产生异乎寻常的均匀变形(某些材料在特定变形条件下呈现的特别大的延伸率，其延伸率高达1000%)，这种行为称为超塑性。对具有超塑性的材料，只用一个模具或少数几个模具就可将合金成形为非常复杂的形状。•按产生超塑性的冶金因素不同，可将其分为两类：（1）微晶超塑性（组织超塑性），（2）相变超塑性。目前研究最多的是微晶超塑性第五章材料的变形与再结晶为使合金具有超塑性行为，通常应满足如下条件：•(1)合金具有非常细小的等轴晶粒的两相组织(晶粒的平均直径通常10μm)。且在超塑性变形过程中，晶粒不显著长大。•(2)合金需要在较高温度下变形。变形温度通常接近于该合金绝对熔点温度的0.5至0.65倍。此温度范围内，合金的变形主要是由于晶粒发生相互滑动和转动，这就要求有适当的