2、钢的奥氏体形变与再结晶

2.1 热变形过程中钢的奥氏体再结晶行为 热塑性加工变形过程是加工硬化和回复、 热塑性加工变形过程是加工硬化和回复、再结晶软化过程 的矛盾统一 ，加工硬化和高温动态软化过程同时进行，根据这 加工硬化和高温动态软化过程同时进行， 过程同时进行 两个过程的平衡状况来决定材料的变形应力。 两个过程的平衡状况来决定材料的变形应力。
再结晶组织的演变： 再结晶组织的演变： 形变过程中随应变量增大微观组织发生变化的过程为: 形变过程中随应变量增大微观组织发生变化的过程为: 变形初期的加工硬化→部分再结晶阶段→ 变形初期的加工硬化→部分再结晶阶段→全部再结晶阶段
奥氏体热加工真应力-真应变曲线与材料微观组织变化示意图 奥氏体热加工真应力-
0.10%C,1.22%Mn,0.02%Nb钢在 钢在0.6Tm 图5. 0.10%C,1.22%Mn,0.02%Nb钢在0.6Tm 以上温度变形时的应力－应变曲线 以上温度变形时的应力－
（3）第三阶段：当第一轮动态再结晶完成以后，将出现两种 ）第三阶段：当第一轮动态再结晶完成以后， 情况， 稳态变形（连续动态再结晶） 非稳态变形（ 情况，即稳态变形（连续动态再结晶）和非稳态变形（间断动 态再结晶）。 态再结晶）。 由动态再结晶产生核心到全部完成一轮再结晶所需要的变 表示， 形量用εr表示， εr可能大于 εc，也可能小于εc。 时发生连续动态再结晶； 当εc< εr时发生连续动态再结晶； 时发生间断动态再结晶。 间断动态再结晶 当εc> εr时发生间断动态再结晶。 工艺参数（温度和速率） 都有影响， 工艺参数（温度和速率）对εc、εr都有影响，只是对εr的影响比 的影响大。 对εc的影响大。 低时， 出现非稳态变形，间断动态再结晶； 当 T 高或 低时， εc> εr，出现非稳态变形，间断动态再结晶； 高时， 出现稳态变形，连续动态再结晶。 当 T 低或 高时， εc< εr，出现稳态变形，连续动态再结晶。
形核机制：
变形条件为0.6 0.6， 1s- ），在原奥氏体晶界的几个位 在上图 中（变形条件为0.6，950 ℃ ，1s-1），在原奥氏体晶界的几个位 观察到了晶界突出现象，如图中箭头所示， 置，观察到了晶界突出现象，如图中箭头所示，表明实验钢的动态再结晶是 通过晶界突出形核机制进行的。关于再结晶形核机制问题，有二种理论， 通过晶界突出形核机制进行的。关于再结晶形核机制问题，有二种理论，即 亚晶长大形核机制及晶界突出形核机制。 亚晶长大形核机制及晶界突出形核机制。
• 热加工中的软化过程分为: 热加工中的软化过程分为 软化过程分为
（1）动态回复; 动态回复; （2）动态再结晶； 动态再结晶； （3）亚动态再结晶； 亚动态再结晶； （4）静态再结晶； 静态再结晶； （5）静态回复。 静态回复。 • 动态：在外力作用下，处于变形过程中发生的。 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 静态：在热变形停止或中断时，借助热变形的余热， 载荷的作用下发生的。 载荷的作用下发生的。
控制轧制方式示意图
(a) 奥氏体再结晶区控轧；(b) 奥氏体未再结晶区控轧；(c) (γ+α)两相区控轧 奥氏体再结晶区控轧； 奥氏体未再结晶区控轧； γ α 两相区控轧
第二阶段： 第二阶段： 在第一阶段动态软化不能完全抵消加工硬化。 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。 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。 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， 动态再结晶的发生与发展使更多的位错消失，材料的变形应 的发生与发展使更多的位错消失 力很快下降。由再结晶形成的新晶粒又发生了变形 新晶粒又发生了变形， 力很快下降。由再结晶形成的新晶粒又发生了变形，产生了加工 硬化，加上新晶粒得到了细化， 硬化，加上新晶粒得到了细化，金属材料的变形应力仍然高于原 始状态的变形应力。 始状态的变形应力。 发生动态再结晶所必需的最低变形量称为动态再结晶的临界变 发生动态再结晶所必需的最低变形量称为动态再结晶的临界变 动态再结晶的 表示， 形量， 形量，以εc表示，临界变形量的大小表征了奥氏体发生动态再结 晶的难易程度， 晶的难易程度，而且可以通过改变工艺参数找出影响临界变形量 的各种因素，因此研究临界变形量是研究奥氏体动态再结晶 研究奥氏体动态再结晶的一 的各种因素，因此研究临界变形量是研究奥氏体动态再结晶的一 种好方法。 种好方法。
真应力-真应变曲线与形变温度/ 真应力-真应变曲线与形变温度/应变速率关系示意图
普碳钢Q235随温度的降低和应变速率的提高, 普碳钢Q235随温度的降低和应变速率的提高,可使 Q235 形变奥氏体只发生动态回复不发生动态再结晶. 形变奥氏体只发生动态回复不发生动态再结晶.
普碳钢Q235压缩变形发生动态再结晶、部分动态再结晶、 普碳钢Q235压缩变形发生动态再结晶、部分动态再结晶、未再结晶 Q235压缩变形发生动态再结晶 时温度与应变速率关系图: 发生动态再结晶; 时温度与应变速率关系图:●发生动态再结晶; ○未再结晶
2 、钢的奥氏体形变与再结晶
高温变形：金属在再结晶温度（0.5Tm）以上的变形时。 高温变形：金属在再结晶温度（0.5Tm）以上的变形时。 钢材热变形中的硬化、软化行为：钢在高温下变形时， 钢材热变形中的硬化、软化行为：钢在高温下变形时，会同时发 硬化(加工硬化) 软化(回复和再结晶)两种对抗过程， 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。 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。 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 变形速率取决于位错集团的运动速度， 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。 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， 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。 间相互作用，使位错受来自溶质原子的阻力。 在流动速度相当快的高温下，即使位错是运动的， 在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(科氏气团) 形成溶质原子浓度高的区域(科氏气团)。
εc≈0.83εp εp 真应力 真应变曲线上应力峰值σp所对应的应变量 真应力-真应变曲线上应力峰值 εp的大小与钢的奥氏体成分和变形条件（温度、速度）有关。 的大小与钢的奥氏体成分和RT)
n
•
Z = ε exp(Q / RT ) = Aσ
2.2 热变形间隙时间内钢的奥氏体再结晶行为 1）静态回复和静态再结晶 ） 金属在热加工后，由于形变使晶粒内部存在形变储存能， 金属在热加工后，由于形变使晶粒内部存在形变储存能， 形变储存能 使系统处于不稳定的高能状态， 使系统处于不稳定的高能状态，因此在变形随后的等温保持过 程中，以变形储存能为驱动力， 程中，以变形储存能为驱动力，通过热活化过程再结晶成核和 驱动力 长大而再生成新的晶粒组织， 长大而再生成新的晶粒组织，力图消除加工硬化，使系统由高 能状态转变为较稳定的低能状态， 能状态转变为较稳定的低能状态，这个自发的过程就是 静态回复和静态再结晶。 静态回复和静态再结晶。
不同变形温度与奥氏体微观组织
变形条件: /s冷却到变形温度,60%变形 冷却到变形温度,60%变形, 变形条件: 1100℃+2.5min,10℃ /s冷却到变形温度,60%变形,应 变速率15s 变形后立即水淬, 变速率15s-1,变形后立即水淬,苦味酸腐蚀 变形温度1050℃; b-变形温度900℃ a-变形温度1050℃; b-变形温度900℃
A：常数 Q：变形活化能 R：气体常数 T：绝对温度 Z为温度补偿变形速率因子，可表示 为温度补偿变形速率因子，
•
n
的各种组合。 和 T 的各种组合。
当变形温度愈低、变形速率愈大时， 值变大 值变大， 当变形温度愈低、变形速率愈大时，Z值变大，即σp 、 σs大，动态再结晶开始的变形量εc和动态再结晶完成的 也变大，也就是说需要一个较大 较大的变形量才 变形量ε s也变大，也就是说需要一个较大的变形量才 能发生再结晶。 能发生再结晶。
钢材热变形时的应力－ 钢材热变形时的应力－应变曲线规律 变形速率不变时， （1）变形速率不变时，同一应 变条件下， 变形温度越高， 变条件下 ， 变形温度越高 ， 所对应的真应力越低 变形温度不变时， （2）变形温度不变时，同一应 变条件下， 变形速率越低， 变条件下 ， 变形速率越低 ， 所对应的真应力也越低， 所对应的真应力也越低 ， 且 真应力的峰值向真应力变小 的方向移动 相同变形温度、 （3）相同变形温度、速度条件 随应变的增加， 下 ， 随应变的增加 ， 曲线呈 现由高变低并逐渐趋于稳定 的形态
第一阶段：当塑性变形小时，随着变形量增加变形抗力增加， 第一阶段：当塑性变形小时，随着变形量增加变形抗力增加，直 到达到最大值。 到达到最大值。
金属发生塑性变形， 不断增加，产生加工硬化， 金属发生塑性变形，位错密度ρ不断增加，产生加工硬化，造成应力不断 增加达到峰值。 增加达到峰值。 由于变形在高温下进行，位错在变形过程中通过交滑移 攀移的方式运 交滑移和 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 抵消， 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， 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 动态回复。 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，称之为动态多边化。 当位错排列并发展到一定程度后，形成清晰的亚晶，称之为动态多边化。 清晰的亚晶 动态多边化 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， 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， 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。 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， 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， 加工硬化超过动态软化 应力不断提高，称之为动态回复阶段。在一定条件下， 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 相平衡， 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 趋于一定值。 增大，应力值趋于一定值。
随温度的降低和应变速率的提高, 随温度的降低和应变速率的提高,材料微观组织发生不同变 相应变化的应力-应变曲线是:无峰平台动态回复→ 化,相应变化的应力-应变曲线是:无峰平台动态回复→多峰 的不连续动态再结晶→单峰连续动态再结晶→ 的不连续动态再结晶→单峰连续动态再结晶→部分动态再结 无峰和具有上升趋势的动态回复→形变诱导相变. 晶→无峰和具有上升趋势的动态回复→形变诱导相变.
•动态再结晶组织演化（HQ685，1050℃，1s-1） 动态再结晶组织演化（ 动态再结晶组织演化 ， ℃
ε =0 ε = 0.1
I
ε = 0 .4
II
ε = 0. 7
真 应 力
真应变
不同变形量与奥氏体微观组织
变形条件:1100℃+2.5min,10℃ /s冷却到 冷却到850℃ ,应变速率 变形条件:1100℃+2.5min,10℃ /s冷却到850℃ ,应变速率 变形后立即水淬, 10s-1,变形后立即水淬,苦味酸腐蚀 变形量15%;b 变形量30%;c 变形量45%;d 变形量60%; 15%;b30%;c45%;da-变形量15%;b-变形量30%;c-变形量45%;d-变形量60%;