5-回复再结晶-热变形-超塑性-孟彬

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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
2.动态再结晶 (1)发生条件 对具有低层错能的材料，如铜及其合金、镍和镍合金，金和钯及 其合金，γ－铁，奥氏体钢及奥氏体合金，以及高纯度的α－铁等， 不易发生交滑移和动态回复，此时，动态再结晶成为动态软化的 主要方式材料在应变量 εT和温度T一定时，流变应力随应变速率变化的程 度。一般金属材料，室温下的m值在0.01至0.04之间，当温度升高时， m可增大至0.1~0.2或更大。
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3.6 超塑性
二. 超塑性发生的条件
3)超塑变形要求低的应变速率，在10-2~10-4mm/(mm· s)范围，以保证晶界 扩散过程得以进行，此外，要求应变速率敏感系数m要大，在0.3~0.9范围。 由于 T P / A ，式中，P为载荷，A为截面积，故
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3.6 超塑性
一. 定义
在一定条件下进行热变形，材料可得到特别大的均匀塑性变形，而不发生 缩颈，延伸率可达500%~2000%，材料的这种特性称为超塑性。
二. 超塑性发生的条件
1)材料本身应是具有细小、等轴、稳定的复相组织。 要求晶粒直径小于10μm，一般在0.5μm~5.0μm，由两相组成，第二相可阻碍 晶粒长大，保证在加工过程中晶粒稳定，不显著长大。此类材料有共晶合金、共 析合金和析出型合金。
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
1.动态回复 (2)合金在热变形中的应力-应变曲线
曲线有三个阶段: 第一阶段为微应变阶段，应变量约 0.1%~0.2%，曲线急剧上升； 第二阶段是最小流变应力σT之后的流 变阶段，有加工硬化，加工硬化率逐 渐降低； 第三阶段为稳态流变阶段，应力-应变 曲线为水平线，此时，加工硬化实际 速率为零，加工硬化和动态软化达到 平衡，位错增殖和消失平衡，位错密 度基本恒定，因而变形中不显示硬化， 应力不随应变增大，保持恒定应力下 变形。
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
3.亚动态再结晶 (1)
在动态再结晶进行过程中，中断热变形，材料仍在高温下，此时，动态再结晶过 程仍可继续。一是已形成但末生长的再结晶核心的长大，二是长大未结束的再结 晶晶核继续其过程，此二过程均不需孕育期。这种在热变形中断后发生的动态再 结晶过程叫亚动态再结晶。 亚动态再结晶进行的程度取决于热变形程度，其与静态回复、再结晶和变形度的 关系示于图11-33。热变形中断后，在高温保持下发生的软化因静态回复、静态再 结晶和亚动态再结晶所引起，变形小时，只有静态回复起软化作用，变形量增加， 静态回复和静态再结晶都起作用，在较大变形下，则是静态回复、亚动态再结晶 和静态再结晶起作用，在非常大的变形下，仅静态回复和亚动态再结晶起作用。 这些过程都是经受不同热变形量的金属发生一部分动态再结晶后继续停顿在高温 下所产生的变化。
d 1 a b lg z
z exp(Q /( RT )) 为与应变速率和温度有关的函数，由式看出，随 式中， 应变速率减小、变形温度升高，亚晶尺寸增大。

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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
1.动态回复 (3)动态回复的组织 动态回复过程中，变形晶粒不发生再结晶，故仍保持沿变形方 向伸长，呈纤维状，热变形后迅速冷却，可保留伸长晶粒和等轴 亚晶的组织、结构，在高温较长时间停留，则可发生静态再结晶 而改变组织、结构。 动态回复的组织具有比再结晶组织更高的强度，因此可作为强 化材料的一种途径，如对建筑用铝镁合金采用热挤压法保留动态 回复组织以提高其使用强度。
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
定义1：在热变形过程中，与形变硬化同时发生的回复、再结晶过程称为 动态回复和动态再结晶。 定义2：热变形停止，继续进行的动态再结晶过程叫亚动态再结晶。
1.动态回复
(1)发生条件 多发生在层错能高的金属中，如铝、α-铁、铁素体钢以及一些密排六 方金属(Zn，Mg，Sn)等，这些金属中交滑移容易进行，在热变形中动 态回复是其软化的主要方式
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
1.动态回复 (2)合金在热变形中的应力-应变曲线
动态回复引起的软化过程是通过刃位错的攀移、螺位错的交滑移、使异 号位错对消，位错密度降低的结果。 动态回复中也发生多边形化，形成亚晶，但亚晶界是不稳定的，因位错 的对消而连续被破坏并重新形成，从而使亚晶在稳定流变阶段得以保持 等轴状态和恒定的尺寸和位向。 亚晶尺寸大小取决于变形温度和变形速率，有以下关系：
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
3.亚动态再结晶 (1)
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3.5 金属的热变形
三. 热变形引起组织、性能的变化
金属材料经过热变形后，将引起组织、性能的变化。 1) 改善铸造状态的组织缺陷 铸造材料的某些缺陷(如气孔、疏松)在热变形时大部分可被焊合，使组 织致密性增加，铸态粗大的柱状晶通过变形和再结晶被破坏，形成细小的 等轴晶；铸态组织中的偏析通过热变形中的高温加热和变形使原子扩散加 速而减少或消除。其结果使材料的致密性和机械性能有所提高，因此材料 经热变形后较铸态有较佳的机械性能。 2)热变形形成流线，出现各向异性 铸态组织中夹杂物一般沿晶界分布，热加工时晶粒变形，晶界夹杂物也 承受变形，塑性夹杂被拉长，脆性夹杂被打碎成链状，都沿变形方向分布， 晶粒发生再结晶，形成不同于铸态的新的等轴晶粒，而夹杂仍沿变形方向 呈现纤维状分布，这种夹杂的分布称为流线，如图11-34所示。宏观侵蚀 的低倍试样上可看到这种纤维状分布，微观分析可见夹杂物分布。
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3.6 超塑性
二. 超塑性发生的条件
3)超塑变形要求低的应变速率，在10-2~10-4mm/(mm· s)范围，以保证晶界 扩散过程得以进行，此外，要求应变速率敏感系数m要大，在0.3~0.9范围。 根据： T ( T , T ) C T
m
lg T 则应变速率敏感系数： m lg T
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
2.动态再结晶 (2) 动态再结晶的机理
动态再结晶和冷变形后重新加热发生的再结晶过程一样，也是生核和核心长大过 程。其生核机制基本相同，是大角界面的迁移过程。 当应变速率低、变形量小时，以晶界弓出方式生核，出现锯齿形晶界；当应变速 率高、变形量大时，形成亚晶，不稳定的亚晶界可能消失，使亚晶聚合长大而形 核，或者，亚晶界迁移亚晶长大而形核。 动态再结晶具有反复形核、有限长大的特点。已形成的再结晶核心在长大中，继 续受到变形作用，使再结晶部分位错增殖，变形储能增高，其与邻近变形基体的 能量差减小，使长大驱动力降低而停止长大，因而长大是有限的，再结晶部分的 储能增高到一定程度，又会重新形成再结晶核心，反复进行。 当应变速率小或变形温度高时，位错密度增加速率小，动态再结晶与加工硬化、 位错增殖交替进行，而在相反情况，应变速率高或变形温度低，因位错密度增加， 再结晶速率也增大，在某些微观区域位错增殖、变形硬化，另一些微观区域则发 生再结晶，动态软化，宏观体积达到平衡，出现稳态流变。
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3.5 金属的热变形
三. 热变形引起组织、性能的变化
2)热变形形成流线，出现各向异性
流线形成使金属机械性能出现各向异性，如下表所示： 轧制45°钢性能与其纤维方向的关系
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3.5 金属的热变形
三. 热变形引起组织、性能的变化
3) 带状组织的形成 热变形后亚共析钢中的铁素体和珠光体成条带状分布，如图11-35所示， 称为带状组织。
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3.6 超塑性
二. 超塑性发生的条件
2) 超塑性加工温度范围在(0.5~0.65)Tm。
在高温下变形，出现两种新的变形机 制，即晶界滑动和晶界的扩散性迁移。 试验说明晶界滑动不是简单的晶粒相 对滑动，而是在晶界附近很薄的一层 区域内发生形变的结果。由于形变在 晶界附近产生很大的畸变，高温下首 先回复而发生软化，使形变得以不断 在这些区域进行而引起所谓的晶界滑 动。由于回复是一个决定于温度和时 间的过程，因此晶界滑动只能在一定 温度和较低的应变速率下发生。
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
2.动态再结晶 (2) 动态再结晶后的组织
动态再结晶后得到等轴晶粒组织，因反复再结晶，晶粒较为细小，晶粒大小决定 于应变速率和变形温度; 提高变形温度，降低应变速率，可得到较大的等轴晶粒。 晶粒内部由于继续承受变形，有较高的体错密度和位错缠结存在。这种组织比静 态再结晶组织有较高的强度和硬度。
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3.5 金属的热变形
三. 热变形引起组织、性能的变化
4)热变形冷却后的晶粒变化 热变形材料的机械性能，在相当程度上决定于其晶粒大小，细小晶粒的 材料具有高的强韧性，因此要求热变形后获得细小的晶粒，在热变形中应 控制其终止温度、最终变形量和热变形后的冷却速度。采用低的变形终止 温度、大的最终变形量和快的冷却速度，可得到细小晶粒，加入微量合金 元素，阻碍热变形后发生的静态再结晶和晶粒长大，也是得到细小晶粒的 有效措施。
材料科学基础/Fundamentals of Materials Science
第10章 回复和再结晶
Chapter 10 Recovery and Re-crystallization
昆明理工大学 材料科学与工程学院 / 材料学系 孟彬
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讲授提纲
3.1 概述 3.2 回复 3.3 再结晶 3.4 晶粒长大及其他结构变化 3.5 金属的热变形 3.6 超塑性 3.7
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
2.动态再结晶: (2) 动态再结晶的应力-应变曲线
热变形中发生动态再结晶的应力 - 应变曲线 形状取决于应变速率。 在高的应变速率下，应力—应变曲线上有一 个峰值，可分三个阶段， I 为加工硬化阶段， 0<ε<εc ，此时变形低于临界变形度 εc ，不发 生再结晶； Ⅱ 为开始再结晶阶段， εc <ε<εs ， 超过临界变形度，开始发生动态再结晶，当 应力小于 σmax时，硬化效应仍大于软化效应， 只是曲线斜率减小，当应力达到 σmax后，再 结晶加快，软化效应为主，曲线下降；Ⅲ为 稳态流变阶段，ε>εs，由于发生再结晶，流 变应力下降至屈服应力与 σmax之间，变形引 起的硬化和再结晶引起的软化达到平衡，出 现稳态流变，应力—应变曲线呈水平线。
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3.5 金属的热变形
二. 动态回复和动态再结晶
2.动态再结晶 (2)热变形中发生动态再结晶的应力—应变曲线
在低的应变速率下，应力—应变曲线上有 较多的峰值出现，在第一阶段加工硬化阶 段，曲线斜率即加工硬化率随应变速率的 降低而减小。在第二阶段出现动态再结晶 软化之后，由于应变速率低，加工硬化与 动态软化达不到平衡，位错密度来不及增 长到足以使再结晶达到能与加工硬化相抗 衡的程度，因而不出现第三阶段稳态流变 阶段，在第一个峰值之后，重新出现以硬 化为主的曲线上升，之后当加工硬化，位 错密度积累，使动态再结晶占据主导地位 时，曲线又下降，出现另一峰值，如是反 复进行，出现周期式变化。。
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3.5 金属的热变形
一. 概述
热变形(如热锻、热轧)是在金属再结晶温度以上进行的 加工、变形 ；相反，低于再结晶温度的加工是冷变形或 温变形
冷、热变形不能以温度高、低来区分，而需看变形温度 与金属再结晶温度的关系。 ； 热变形实质上是在变形中形变硬化与动态软化同时进行 的过程，形变硬化为动态软化所抵消，因而不显示加工硬 化作用。 ； 在热变形过程中动态软化包括动态回复与动态再结晶两 种方式，热变形停止后，高温下还会发生亚动态再结晶以 及静态回复和再结晶过程。