09-5.金属热变形机制

23
高温下稳定变形时的应力-应变曲线
奥氏体热变形时的变形应力与组织特征随应变量增加而变化，应力-应 变曲线表现为: • 在回复型变形中： 变形初期:由于加工硬化的速度大于回复速度,应力快速上升,位错密 度增加,亚晶发展迅速,晶粒伸长. 当变形达到一定程度:回复过程可以完全平衡应变硬化过程,曲线表现 为应力不随应变增加而变化的稳态流变,位错密度保持不变,即位错的 增殖率与消失率相等。晶粒仍然继续伸长,回复所形成的亚晶呈等轴 状. • 在再结晶型的变形中： 应变量小于临界应变量时只发生回复． 在高温、高应变速率的情况下，应力随应变不断增加，直至达到峰值 后又随应变下降，最后达到稳定态。在低应变速率下，与其对应的稳 定阶段的曲线成波浪形变化，这是由于反复出现动态再结晶-变形-动 24 态再结晶，即交替进行软化-硬化-软化而造成的。
•应变速率较 小时，温度 越低，发生 动态再结晶 越迟； •温度降至 850 ℃时动 态回复； •850~800 ℃为应变诱 导铁素体区 间； •750 ℃两相 区，动态再 结晶。
加热条件:1100℃+2.5min,10℃/s冷却到变形温 度,60%变形,变形速率0.1s-1,变形后立即水淬
32
240 220 200 180
strain rate=1 s
-1
800℃ 850℃ 900℃ 950℃ 1000℃ 1050℃
True stress/MPa
160 140 120 100 80 60 40 20 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1.2
True strain
耐候钢应变速率为1/s
33
不同变形温度与奥氏体微观组织
0.1
0.2
0.3
应变
0.4 Strain
0.5
0.6
0.7
120 (c) 100
1
120
2 3 4
(d)
1
100
2
Stress/MPa
应力/MPa
80 60 40 20 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
80
3
5 6
60Fra Baidu bibliotek40 20
4 5 6
0.7
0 0.0
0.1
0.2
0.3
19
• 热加工中的软化过程分为:
（1）动态回复;（2）动态再结晶；（3）亚动态再 结晶；（4）静态再结晶；（5）静态回复。
• 动态：在外力作用下，处于变形过程中发生的。 • 静态：在热变形停止或中断时，借助热变形的余
热，在无载荷的作用下发生的。
20
• 动态回复是指钢在热变形过程中，光学显微组织发生改变前 (即在再结晶晶粒形成前)所产生的某些亚结构和性能的变化 过程。 • 动态再结晶是指在再结晶温度以上的变形过程中，随着变形 所产生的储存能的释放，应变能逐渐下降，新的无畸变的等 轴晶粒的形成和长大过程。 • 亚动态再结晶:除去变形外力后已发生动态再结晶的奥氏体 不必经过任何孕育期可继续长大推移的现象. • 静态再结晶:只发生动态回复的形变奥氏体在变形后经过一 定时间(道次间隔时间)重新形核长大.
35
不同应变速率下950 ℃变形时奥氏体微观组织形貌 • 特征：细小奥氏体亚晶组成大的奥氏体团块，同时具有形变特征，应 变速率越高，亚晶粒越细小。
36
140 130 120
(a) 1s -1 0.5s -1 0.25s -1 0.1s
-1
(b)
0.60 0.55
峰值应力 /MPa
100 90 80 70 60 50 40 900
处消失，空位与间隙原子的相遇复合，空位集结形成空位对或空位片， 使点缺陷密度大大下降。
• 中温回复时，随温度升高，原子活动能力增强，位错可以在滑移面上
猾移或交滑移，使异号位错相通相消，位错密度下降，位错缠结内部 重新排列组合，使亚晶规整化。
6
7
亚晶形成
8
高温回复，原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。主要机 制是多边化。冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积，致使晶格弯曲， 所增殖的位错杂乱分布。高温回复过程中，这些刃位错便通过攀移和滑 移，由原来能量较高的水平塞积。
30
•举例
180 160 (a) 140 120 1 2 3 4 5 6
180 160 140 120
Stress/MPa
2 3 4 5 6 (b) 1
应力/MPa
100 80 60 40 20 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
100 80 60 40 20 0
0.7
0.0
奥氏体高温变形过程：第 I 阶段
• 在变形过程中发生加工硬化和软化两个过程。这两个过程的不断交替 进行保证变形得到顺利发展。在变形初期，变形速率由零增加到所采 用的变形速率ε，随着变形的进行，位错密度(ρ) 将不断增加，产生加 工硬化，并且加工硬化速率较快，使变形应力迅速上升。 • 由于变形在高温下进行，位错在变形过程中通过交滑移和攀移的方式 运动，使部分位错相互抵消，使材料得到回复。由于这种回复随加工 硬化发生，故称之为动态回复。 • 当位错排列并发展到一定程度后，形成清晰的亚晶，称之为动态多边 形化。动态回复和动态多边化使加工硬化的材料发生软化。随着变形 量的增加，位错密度增大，位错消失的速度也加快，反映在真应力－ 真应变曲线上，就是随变形量的增加，加工硬化逐渐减弱。 • 在第一阶段中，总的趋势是加工硬化超过动态软化，随着变形量的增 加，应力不断提高，称之为动态回复阶段。在一定条件下，当变形进 行到一定程度时，加工硬化和动态软化相平衡，反映在应力-应变曲线 上是随着变形量的增大，应力值趋于一定值。
• 第一轮动态再结晶完成后，已发生再结晶的晶粒还需继续变形，才能 发生第二轮动态再结晶。
27
动态回复
回复过程按晶型或合金成分区分，如下表所示。
• 对A组金属动态回复是在金属全应变区域内完 成，对B 组金属是在低应变区域完成。
28
• 动态回复是在低应变区域产生。当变形量继续升高时， 应力达到最大值后开始减小，最后达到稳定状态。在 这个稳定状态下进行动态再结晶。在加工硬化区，由 位错缠结构成的亚晶界发达。亚晶是动态回复的重要 标志。亚晶出现说明已发生了动态回复。
钢材热变形过程中的硬化、软化行为
• 钢在高温下变形时，会同时发生硬化(加工硬化) 和软化(回复和再结晶)两种对抗过程． • 从能量角度看，形变金属由于吸收了部分变形功， 其内能增高，结构缺陷增多，处于不稳定状 态．具有自发恢复到原始状态的趋势．室温下， 原子扩散能力低，这种亚稳定状态可保持下 去．一旦受热，原子扩散能力增强，将发生组织 结构与性能的变化．
21
•高温变形行为
高温变形行为：金属在0.5Tm以上变形时，称为高温变形。
钢材热变形过程中的硬化、软化行为：钢在高温下变形时，会同 时发生硬化(加工硬化)和软化(回复和再结晶)两种对抗过程， 这两个过程的不断交替进行保证变形得到顺利发展。 变形应力和位错的运动
在实际的塑性加工条件下，变形是由于位错的运动而引起的。 因此，变形速率取决于位错集团的运动速度，而变形应力则取 决于位错运动的阻力。 固溶强化型合金还存在着另一种阻力的作用，溶质原于同位错之 间相互作用，使位错受来自溶质原子的阻力。
4
1．硬度 2．电阻率 3．胞状亚结构尺寸 4．密度
5
7.2 回
复
7.2.1 回复机理
• 钢在热加工中所以存在有回复过程，其原因是，高温的奥氏体区域是 空位的生成和扩散频繁的温度区域，易于发生位错攀移运动、滑移运 动、形成亚晶粒、亚晶界的运动以及晶界运动等现象。
• 低温回复主要涉及点缺陷的运动。空位或间隙原子移动到晶界或位错
变形条件: 1100℃+2.5min,10℃ /s冷却到变形温度,60%变形,应 变速率15s-1,变形后立即水淬,苦味酸腐蚀 a-变形温度1050℃;完全动态再结晶，晶粒较粗 b-变形温度900℃；动态回复；非等轴，晶粒明显碎化，细小亚晶 34 组成团状或串状奥氏体团。
变形速率的影响
• 提高应变速率，可以明显推迟动态再结晶的发生；传统上 认为的奥氏体再结晶温度区（950）变形时，通过改变应 变速率（>10s-1），应变-应变曲线明显为动态回复形貌特 征；
Strain
0.4 Strain
0.5
0.6
0.7
变形奥氏体不同条件下的动态再结晶行为 (a)1s-1, (b)0.5s-1, (c)0.25s-1, (d)0.1s-1 1: 900℃, 2: 950℃, 3: 1000℃, 4: 1050℃, 5: 1100℃, 6: 1150℃
31
不同变形温度下应力-应变曲线
5.金属热变形机制
形变金属及合金在退火过程中的变化
显微组织的变化
将冷塑性变形的金属材料加热到0.5T熔温度附近， 进行保温，随时间的延长。第一阶段0～τ1，显微 组织无变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状，称为 回复阶段。第二阶段完全变成新的等轴晶粒，称 为再结晶阶段。第三阶段称为晶粒长大阶段。
2
3
储存能释放与性能变化
26
•奥氏体高温变形过程：第 III 阶段
•
•
奥氏体发生了动态再结晶之后，变形量不断增加，而应力值基本保持不变， 呈稳定状态。
动态再结晶分为两种： – 连续动态再结晶： （εc <εr） εc为动态再结晶临界变形量； εr为由形核 到完成动态再结晶的应变量； 奥氏体几轮动态再结晶同时发生。 – 间断动态再结晶：（εc > εr） • 由于ε r较小，奥氏体一旦发生动态再结晶，不需要太大的变形量。
在这流动速度相当快的高温下，即使位错是运动的，也会在其周 围形成溶质原子浓度高的区域(科垂耳气团)。
22
高温下稳定变形时的应力-应变曲线
（a）
真 应 力
动态回复 真 应 力
（b）
1
2
真应变
动态回复时的应力-应变曲线特征
I
真 应 力
真应变
II
III
动态再结晶
（c）
1 2
真应变 动态再结晶时的应力-应变曲线特征
13
2．亚晶合并机制
14
3．亚晶蚕食机制
15
1．晶粒长大的驱动力
晶粒长大的驱动力，从整体上看，是晶粒长大前 后总的界面能差。 从个别晶粒长大的微观过程来说，晶界具有不同 的曲率则是造成晶界迁移的直接原因。
16
2．晶粒的稳定形貌
实际的二维晶粒如图7-17所示，较大的晶粒往往 是六边以上。
17
18
冷塑变时，外力所作的功尚有一小部分储存在形 变金属内部，这部分能量叫储存能。图7-2是三种 不同类型的储存能释放谱。曲线A为纯金属、B与 C为合金储存能释放谱。每条曲线都有一峰值， 高峰开始出现对应再结晶开始，在此之前为回复。 回复期A型纯金属储存能释放少，C型储存能释放 最多。储存能的释放使金属的对结构敏感的性质 发生不同程度的变化。 图7-3给出几种性能的变化与储存能的关系。
25
奥氏体高温变形过程：第 II 阶段
• 在第一阶段动态软化不能完全抵消加工硬化。随着变形量 的增加，位错密度继续增加，内部储存能也继续增加。当 变形量达到一定程度时，将使奥氏体发生另一种转变—动 态再结晶。 • 动态再结晶的发生与发展，使更多的位错消失，奥氏体的 变形抗力下降，直到奥氏体全部发生了动态再结晶，应力 达到了稳定值。即第二阶段变形。 • 曲线表明，奥氏体发生动态再结晶有一临界变形量，只有 达到这一变形量时，才能发生动态再结晶。
9
10
回复动力学
图7-5为经拉伸变形的纯铁在不同温度下加热时， 屈服强度的回复动力学曲线。(L-R)为剩余加工硬 化分数，t为退火时间。
11
再结晶
冷变形后的金属加热到一定温度之后，在变形基 体中，重新生成无畸变的新晶粒的过程叫再结晶。 再结晶包括生核与长大两个基本过程。
12
再结晶的形核
1．小变形量的弓出形核机制
29
动态再结晶临界变形程度c
• 只有变形程度超过临界变形程度c时，奥氏体才能发生动态再结晶。 临界变形程度c 的大小与钢的奥氏体成分和变形条件(变形温度T、变 形速度)有关。临界变形程度c 近似的等于对应应力峰值的变形程度 p，或者说c =0.83 p，也有人认为， c =0.7 p。 • 动态再结晶的临界变形程度 c 受到变形温度和变形速度的影响。变 形温度升高时，临界变形程度 c 变低，变形速度变小时，临界变形 程度 c 也变低。可见，于高温低速的条件下变形时容易出现动态再 结晶。 • 此外，钢的化学成分、原始晶粒度对临界变形程度c的大小也都有影 响。如奥氏体型Fe-Ni-Cr合金的临界变形程度c 比铁素体钢大得多。 原始奥氏体晶粒粗大时，临界变形程度也大。