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1、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。,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
2、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100200,2.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,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）、（
3、5）是在变形停止之后，即在无负荷作用下发生的。,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(dynamic recovery)和动态再结晶(dynamic recrystallization)。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
4、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。,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
5、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。,2.动态回复机制,第阶段,金属中的位错密度由退火态的10101011m-2增至10111012m-2。第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。第阶段，位错的增殖率和消失率达到平衡，位错密度维持在10141015m-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
6、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。,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、的关系如下：1/d=a+blogexp（Q/R
7、T）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。,（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se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（0c）。,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
8、当以低速率进行时，曲线出现波动，其原因主要是位错密度变化慢引起。（s）,第二阶段动态再结晶开始阶段：应变达到临界值c，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max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（c s）。,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
9、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,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
10、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。,动态再结晶组织,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
11、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。,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
12、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。,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）,
13、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。,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。,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。,一、蠕变曲线,按 分成：瞬态或减速蠕变阶段：蠕变第一阶段，过渡蠕变阶段。
14、：稳态(恒速)蠕变阶段：蠕变第二阶段，稳态蠕变阶段。：加速蠕变阶段：蠕变第三阶段，加速蠕变阶段。,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,1、位错蠕变机制,条件：温度较低,T0.5Tm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。,条件：温度高，应
15、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5.75 C为一常数，3-4之间；Q为自扩散的激活能,2、扩散蠕变机制,3、晶界滑动蠕变机制,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,为使
16、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10m)。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，这就要求有适当的变形温度和非常细小的晶粒组织相配合(如下图)。(3)通常需要较低的应变速度率。通常控制在10-210-4s-1范围内。,超塑成形过程中晶界滑动示意图,一、超塑性的特征,在温度T，应变量T一定的条件下，真应力与应变速率的关系为：=Km(K:常数)不产生缩颈和获得高延伸率是衡量材料超塑性的
17、两项指标。不产生缩颈的抗缩颈能力用应变速率敏感系数m表示。m越高，越有利于获得超塑性。超塑性合金，m0.3-0.9;对上式求对数：lg=lgK+mlg。则m即 lg-lg 关系曲线的斜率 经数学退到可得：,二、超塑性的本质,目前倾向于认为是晶界滑动和晶粒回转为主，伴有原子的扩散。微晶超塑变形机制（a）晶粒转换机制的二维表示法（b）伴随定向扩散的晶界滑动机制，虚线箭头代表体扩散方向,三、超塑性变形时组织结构变化,1超塑性变形时有明显的晶界滑动和晶粒转动，没有明显的晶内滑移，也没有位错密度的显著升高；看不到晶内亚结构;2.超塑性变形时尽管变形量很大，晶粒保持为等轴状，但晶粒会有所长大(产生粗化)；
18、3超塑性变形后原来的两相仍均匀分布；4不产生织构。,材料的强化理论,实际使用的结构材料一般是多晶体。从影响强度的各种因素看，最常见的强化方法有形变强化、固溶强化、第二相强化和细晶强化。材料的实际强化措施，如钢中的马氏体强化等，往往是上述强化手段的综合。,一.形变强化,金属材料经塑性变形后，其强度和硬度升高，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化。变形过程中，位错密度升高，导致形变胞的形成和不断细化，对位错的滑移产生巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高，这是产生形变强化的主要原因。,二.固溶强化,溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使金属的强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降，这一现象称为固溶强
19、化。例如单相的黄铜、单相锡青铜和铝青铜都是以固溶强化为主来提高合金强度和硬度的。固溶体合金的曲线：由于溶质原子加入使s 和整个曲线的水平提高，同时提高了加工硬化率n。固溶强化的实质是由于溶质原子造成了点阵畸变，其应力场将与位错应力场发生弹性交互作用、化学交互作用和静电交互作用，并阻碍位错运动，,三.第二相强化,只通过单纯的固溶强化，其强化程度毕竟有限，还必须进一步以第二相或更多的相来强化。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将阻碍位错运动,产生显著的强化作用。如果第二相微粒是通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化，则称为沉淀强化或时效强化；如果第二相微粒是通过粉末冶金方法加入
20、并起强化作用，则称为弥散强化。,（一）沉淀强化,时效强化是个普遍现象，具有重要的实际意义，工业上广泛应用的时效硬化型合金，如铝合金、耐热合金、单相不锈钢、马氏体时效钢等，都是利用这一强化理论来调整性能的。1.固溶处理:具有时效强化现象合金的最基本条件是在其相图上有固溶度变化，并且固溶度随温度降低而显著减小。如图所示。当组元B含量大于B0的合金加热到略低于固相线的温度，保温一定时间，使B组元充分溶解后，取出快速冷却，则B组元来不及沿CD线析出，而形成亚稳定的过饱和固溶体，这种处理称为固溶处理。2.时效:经固溶处理的合金在室温或一定温度下加热保持一定时间，使过饱和固溶体趋于某种程度的分解，这种处理
21、称为时效。在室温下放置产生的时效称为自然时效，加热到室温以上某一温度进行的时效称为人工时效。,3.时效状态 时效时，在平衡的第二相析出之前还可能出现几个中间的过渡相，一般的析出顺序为:32+GP区1+式中3是过饱和固溶体,2和1是有一定过饱和度的固溶体,是饱和固溶体,GP区是溶质偏聚区，是亚稳过渡相,是平衡相。如图TC4合金540时效硬化曲线。,（二）弥散强化,1.弥散型合金 利用弥散强化是提高金属材料力学性能的有效方法，尤其对耐热材料有更大的应用价值。例如常用的弥散型合金是以金属为基体，弥散相为稳定性高、熔点高的各种化合物粉末，粉末颗粒直径约为0.10.01 m，间距为0.010.03m。2
22、.粉末冶金原理与工艺 粉末冶金法与金属熔铸法不同，它是利用金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作原料，经过压制成型和烧结两个主要工序来生产各种金属制品的方法。粉末冶金生产的主要工艺过程有粉末的制备、压制成型、烧结及后处理(如图粉末冶金的工艺流程图)。,四.细晶强化,实验表明，晶界强度明显高于晶内(如图)。材料在外力作用下发生塑性变形时，通常晶粒中心区域变形量较大，晶界及其附近区域变形量较小。多晶体的金属细丝在拉伸变形时在晶界附近出现竹节状就反映了常温下晶界的强化作用(如图低碳钢的b与d的关系)。,1.Hall-Petch公式 理论和实验表明，屈服强度s与晶粒直径d存在如下关系:s=0+Kd-
23、1/2 式中0、K是材料常数。可见，对不同材料，细化晶粒都使其屈服强度有不同程度的提高。材料的屈服强度与其亚晶尺寸之间也满足上述关系。当晶粒尺寸减小到纳米级时形成的所谓纳米材料，其强度与公式有较大偏离，但是仍然表明细化晶粒，可有效提高材料的强韧性。2.细化晶粒方法(1)对铸态使用的合金：合理控制冶铸工艺，如增大过冷度、加入变质剂、进行搅拌和振动等。(2)对热轧或冷变形后退火态使用的合金：控制变形度、再结晶退火温度和时间。(3)对热处理强化态使用的合金：控制加热和冷却工艺参数,利用相变重结晶来细化晶粒。,金属材料的性能，可利用变形和退火结合起来进行控制。金属进行冷加工变形时会产生形变强化效果，但
24、同时其延展性下降，还会产生有害的残余应力。回复退火可消除应力而不降低强度，再结晶退火可消除全部形变强化效果。把热加工与冷加工结合在一起，既可将材料加工成有用的形状，又可使其性能得到控制和改善。固溶强化是通过合金化对材料进行的最基本的强化方法。其强化效果取决于引入的点缺陷类型（置换式、间隙式）和浓度（合金元素的固溶度）。第二相强化通过粉末冶金或固溶和时效处理可在材料基体中获得大量均匀分布的、细小的第二相粒子，从而产生有效的强化效果。细晶强化是唯一的使材料的强度和塑性同时提高的强化方法。控制铸造工艺来细化晶粒、调整变形度和再结晶退火温度来细化晶粒、控制奥氏体化温度，利用相变重结晶来细化晶粒。,本章小结,
