第五节 金属的热变形

七、超塑性变形机理
晶界滑动和扩散蠕变联合机理：在晶界滑移的同时，伴随有扩 散蠕变，对晶界滑移起调节作用的不是晶内位错的运动，而是原 子的扩散迁移。 4个六边形晶粒在应力作用下， 通过晶界滑动、转动和原子的定向 扩散(体扩散和晶界扩散)，晶粒形 状由初始状态，经过中间状态，变 为最终状态。最终和初始状态的晶 粒形状相同，但位置发生了变化。 因此，超塑性变形时，试样的宏 观变化是依靠晶粒的换位，而这种 换位又是通过晶界的滑动与扩散来 完成的。
亚组织：等轴的亚晶粒。 变形开始阶段，加工硬化效果强，位错密度 增加，金属形成位错缠结和位错胞，构成亚晶界。 因为是在高温下变形，位错可通过攀移、交 滑移，使异号位错相遇，彼此抵消而破坏已形成 的亚晶界；同时在另一些地方又有新的亚晶界形 成，从而保持恒定的亚晶平均尺寸。
铝在400℃挤压所形成的动态回复亚晶 a)光学显微组织（偏振光 430×）；b)透射电子显微组织
WC =0.3%的碳钢铸态和锻态力学性能比较
状态 σb(Mpa) σ0.2(Mpa) δ(%) φ(%) ak(J/cm2)
锻态
铸态
530
500
310
280
20
15
45
27
56
28
2、形成流线，使材料出现各向异性
流线：夹杂物、第二相Байду номын сангаас偏析等沿变形方向 分布，在经浸蚀的宏观磨面上出现的纤维组织。 顺流线方向性能高(特别是塑、韧性)，垂直 于流线方向性能较差。
易发生动态再结晶的金属： 层错能低的面心立方金属，如：Cu、Ni、γ-Fe及奥氏 体不锈钢等，其位错的交滑移和攀移难进行。 动态再结晶组织的性能： 强度低于动态恢复组织的强度，但高于静态再结晶后 的强度。因为晶内还有位错缠结。 控轧控冷： 较高应变速率下，材料中始终有动态再结晶晶核存在， 热变形后在高温停留时间长了，要发生静态再结晶和晶粒 长大。 因此，要将热变形获得的细小晶粒保留下来，要控制 热变形的终止温度和热变形后的冷却。如控轧控冷工艺。
五、影响细晶超塑性的主要因素
1、应变速率 在 较低或较高时，m值都较小， m在 适中时，m值 最大。 2、变形温度 温度高于或低于某一温度范围，不出现超塑性。一般合 金超塑性温度在0.5Tm左右。 只有应变速率和变形温度综合作用，获得最大m值，合金 才能表现出最好的超塑性状态。 3、组织 要求金属具有超细、等轴、双相及稳定的晶粒。
当温度一定，变形 速率增大时，曲线整体 向上移动，即稳定流变 的应力增大； 当变形速率一定， 温度升高时，曲线整体 向下移动，即稳定流变 应力下降；
动态回复阶段的应力-应变 曲线 （工业纯铁，700℃）
2、组织结构的变化
显微组织：晶粒沿着变形方向伸长而呈纤维状。
铝在400℃挤压所形成的纤维组织（纵向，偏振光 ）40×
条件应力-应变曲线上，当条件应力达到最大值后， 随变形程度的增加而下降，而变形量可达很大的数值。 真实应力-应变曲线上，真应力几乎不随变形程度的 增加而变化。
超塑性材料的条件应力-应变曲线
超塑性材料的真实应力-应变曲线
2、流动应力(真应力)对变形速率极其敏感
特征方程： c—决定于试验条件的材料常数； m—应变速率敏感性指数。它反映材料抗局部收缩或产 生均匀拉伸变形的能力。 m 是表征超塑性的一个重要指标。 m值大，流动应力会随应变速率的增大而急速增大。 如试样某处有局部缩小，该处应变速率加大，继续变 形所需应力也随之剧增，阻止了该处断面的继续减小，促 使变形向别处发展而趋于均匀，最终获得更大的伸长率。 m=1，上式即为牛顿粘性流动公式，c为粘性系数。普 通金属，m=0.02~0.2；超塑性金属，m=0.3~1.0；m值越大， 伸长率越大。
碳钢和轴承钢的伸长率δ与温度循环次数n之间的关系 试验温度幅度：538 ～ 816℃；定负荷：σ=17.6MPa）
三、动态（相变）超塑性的影响因素
加热温度：相变温度上、下； 加热、冷却速度：要高； 热循环幅度：要大； 循环次数：要多； 施加应力：要小。
四、细晶超塑性变形的力学特征
1、应力-应变曲线
影响亚晶尺寸的因素：
形变温度：形变温度高，亚晶尺寸大； 形变速率：形变速率小，亚晶尺寸大。 应变与回复同时进行，避免了冷加工效果的积 累，位错密度较冷变形时低。 动态回复产生的亚组织，不能靠综合冷加工和 静态回复两个过程迭加得到。 动态回复亚组织：位错密度较高，亚晶尺寸较 小； 冷加工+静态回复亚组织：位错密度较低，亚 晶尺寸较大。
Mg-Al共晶合金在350℃变形时流变应力σ和应变速率敏 感指数m随应变速率 的变化（晶粒尺寸：10.6μm）
晶粒越细，真应力越低，伸长量(或m值)越 大，且最大塑性移向高应变速率一边。一般 φ>10μm，难实现超塑性。 等轴晶，以便有数量多，且短而平坦的晶界。 组织为双相，可使母相和第二相晶粒，相互 阻止对方的晶粒长大. 组织稳定，则在变形过程中，晶粒长大速度 缓慢，以便在保持细晶的条件下有充分的热变形 持续时间
㈡动态再结晶
1、真应力-真应变曲线 高应变速率，较低温度下： 连续动态再结晶。 0<ε<εc：加工硬化阶段； εc<ε<εs：动态再结晶初始阶 段； ε>εs：稳定流变阶段，(形变 硬化与再结晶软化达到动态 平衡)。 εc—开始发生动态再结晶的 临界变形量。
真应力
发生动态再结晶时的真应力-真应变 曲线的特征

动态回复组织的性能： 强度较冷变形组织低，较静回复和再结晶组 织强度高，因为材料屈服强度随亚晶粒的细化而 提高。 保留动回复组织，已应用于提高铝镁合金挤 压型材的强度。 易发生动态回复的金属： 层错能高的金属，如Al、Al合金、纯铁、铁 素体钢等，其位错的交滑移和攀移容易进行。 层错能低的金属，在变形量较小时，通常也 只发生动态回复。
第五节 金属的热变形
一、动态回复与动态再结晶
前面讨论的回复和再结晶是在金属冷变 形后的加热过程中发生的，称为静态回复和 静态再结晶。
金属在较高温度下变形时，也能发生回 复和再结晶，称为动态回复与动态再结晶。
㈠动态回复
动态回复：材料在变 形过程中发生的回复。 1、应力-应变曲线
真应力
常数
第六节
一、基本概念
超塑性
超塑性：材料在低载荷作用下，拉伸试验伸长率 δ>200%的现象。 超塑性的特点： 大伸长率，可高达百分之几千； 无缩颈，截面均匀缩小， ψ可接近100%； 低流动应力，只有几个到几十个MPa，且非常敏感地 依赖于应变速率； 易成形，加工时无加工硬化。超塑性成形时具有极好 的流动性和充填性，能加工出复杂而精确的零件。
二、热变形
1、热加工与冷加工
热加工：金属在再结晶温度以上的加工变形。 实质：变形中加工硬化与动态软化同时进行 的过程。 动态软化包括：动态回复和动态再结晶。 冷加工：形变时只发生加工硬化的加工变形。 冷、热加工不能以加工温度的高低来区分， 而应根据其再结晶温度来判定。
例：钨，T再=1200℃，1000℃的加工仍属 冷加工； 而铅， T再<15℃，20℃时的加工变形应属 热加工。 热加工时，有动态软化可以消除加工硬化(至 少部分消除)，因此热加工中金属一直保持较高的 塑性，可连续地进行大变形量加工。 主要用于截面尺寸较大、变形量较大的产品， 以及脆性较大的金属材料。 温度高，流变强度下降，形变阻力小，动力 消耗较少。
三、热加工对金属组织和性能的影响
1、提高材料致密性和力学性能
热加工可消除铸造材料中的某些缺陷，如焊 合气孔、疏松；部分消除偏析；打碎粗大的柱 状晶和树枝晶；改善夹杂物或脆性相的形态与 分布。
提高材料的致密性，细化晶粒，提高材料的 力学性能，特别是塑、韧性比铸态有显著提高。 受力复杂，负荷较大的重要工件，都要经过 热加工。
二、超塑性的种类
1、细晶超塑性： 在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足的条件下 所呈现的超塑性。又称结构超塑性或恒温超塑性。 恒温：0.5~0.7Tm；应变速率：10-1~10-4s-1；晶粒直径： <10μm。 2、相变超塑性： 金属具有相变或同素异构转变，在一定外力作用下，使 金属在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定的循环次 数后，出现的超塑性。又称动态超塑性。 近几年研究发现：动态超塑性成形后，对形状有记忆效 果。变形后进行无载荷热循环，可使其形状恢复。
镍在 934℃形变时通过动态再结 晶形成的再结晶晶粒中的缠结位 错（透射电子显微组织）
1.63 102 sec1 ， 7.0) (
镍通过动态再结晶与静态再结晶所形 成的晶粒尺寸与流变应力之间的关系
影响动态再结晶晶粒尺 寸的因素： 流变应力：流变应力越高， 动态再结晶后晶粒尺寸越小。 应变速率：应变速率越高， 晶粒尺寸越小。 变形温度：形变温度低， 晶粒尺寸小。 变形程度：变形程度大， 晶粒尺寸小。
真应力
这一过程不断重复，并呈周期性的变化，曲 线呈波浪状，其周期大体相同，但振幅逐渐衰减。
动态再结晶阶段的应力-应变曲线 a)应变速率的影响；b)变形温度的影响
2、组织结构的变化
显微组织： 非常细小的等轴晶粒，晶内还有 细小的亚晶和一定程度的位错缠结。 形核及长大方式： 与静态再结晶类似。 原因： 动态再结晶形核长大期间，同时 进行着形变，未再结晶区不断有动态 再结晶晶核形成，并只发生有限的长 大；已再结晶的晶内继续遭受变形， 可重复发生动态再结晶。
低碳钢热加工后的流线
流线方向对45钢力学性能的影响
钢坯测定方向
纵向
σb(Mpa) σ0.2(Mpa) δ(%) φ(%)
715 470 17.5 62.8
ak(J/cm
2)
62
横向
675
440
10.0 31.0
30
曲轴流线分布
受力简单的零件，热 加工时应使流线与零件 工作时受到的最大拉应 力方向一致，而与外加 的切应力和冲击方向相 垂直。 右图 (a)流线分布正确， (b) 不正确。 易受疲劳剥蚀的零件， 应尽量使流线与工作表 面平行，不在工作表面 露头。(轴承套圈) 受力复杂零件，不要 有明显的流线分布，则 镦粗和拔长结合。
发生动态再结晶时的真应力-真应变 曲线的特征
低应变速率，较高温 度下：间断动态再结晶. 应变速率低，位错增 殖速度小，在发生动态再 结晶引起软化后，位错密 度来不及增长到足以使再 结晶达到与加工硬化相抗 衡的程度，故重新发生加 工硬化，曲线上升，直到 位错密度积累到又能使再 结晶占据主导地位时，曲 线才又下降。
六、组织变化和对力学性能的影响
1、组织变化 变形后晶粒虽有些长大，但仍为等轴晶，晶粒未变形拉 长； 在试样抛光表面上不出现滑移线，没有亚结构的形成和 位错密度的增加； 有显著的晶界滑移痕迹，在许多情况下，晶界或相界处 形成空洞. 2、对力学性能的影响 不产生各向异性，且具有较高的抗应力腐蚀性能； 变形后没有残余应力； (恒温、缓慢变形，内部无弹性 畸变能) 压缩时有加工软化现象； 可提高抗疲劳强度。
T=常数
真应变
发生动态回复时的真应力-真应变 曲线特征
第Ⅰ阶段：微应变阶段 (直线)，总应变量<1%; 第Ⅱ阶段：起始流变阶 段，屈服，有加工硬化; 第Ⅲ阶段：稳定流变阶 段，加工硬化率为零, 曲线转 为水平。
/ s 1
8.0×10-1 6.0×10-2 6.0×10-3
1.5×10-4
热轧低碳钢板的带状组织
100 ×
带状组织对材料的力学性能影响 带状组织也使材料的力学性能产生方 向性，特别是横向塑、韧性降低。 防止方法： ①不在两相区变形； ②高温扩散退火消除偏析； 消除方法： 正火。
4、热变形后的组织控制（控轧控冷）
热变形后要获得细小的晶粒组织，需控制其 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，阻碍热变形后的静态再 结晶和晶粒长大，也是细化晶粒的有效措施。
3、形成带状组织
带状组织：在经过压延的金属材料中常常出现的组织。 加工时存在两相，两个相都沿变形方向伸长，在纵切面 上形成两相相间的条带状组织。 1Cr13：白色相，铁素体；黑色相，由奥氏体转变成的 珠光体。 Cr12：白色碳化物颗粒成带状分布，黑色基体为珠光体。 由偏析造成的，压延时偏析区沿变形方向伸长成条带状， 冷却时偏析区成分不同，转变成的组织不同。 亚共析钢中，枝晶间富P、Si等，提高GS温度，先共析 F在此形核长大(白色区)，F析出后，使C向两侧扩散，富C 区随后转变为P。 非金属夹杂物也会在加工中被拉长(或碎成 小粒成串链 状)，先共析F通常会依附于它们而析出，形成带状组织。