第五節(jié)金屬的熱變形

1、第五節(jié)金屬的熱變形,一、動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶前面討論的回復(fù)和再結(jié)晶是在金屬冷變形后的加熱過(guò)程中發(fā)生的，稱為靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶。金屬在較高溫度下變形時(shí)，也能發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，稱為動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。,㈠動(dòng)態(tài)回復(fù),動(dòng)態(tài)回復(fù)：材料在變形過(guò)程中發(fā)生的回復(fù)。1、應(yīng)力-應(yīng)變曲線第Ⅰ階段：微應(yīng)變階段(直線)，總應(yīng)變量<1%;第Ⅱ階段：起始流變階段，屈服，有加工硬化;第Ⅲ階段：穩(wěn)定流變階段，加工硬化率為零, 曲線轉(zhuǎn)為水平。,,,

2、當(dāng)溫度一定，變形速率增大時(shí)，曲線整體向上移動(dòng)，即穩(wěn)定流變的應(yīng)力增大；當(dāng)變形速率一定，溫度升高時(shí)，曲線整體向下移動(dòng)，即穩(wěn)定流變應(yīng)力下降；,2、組織結(jié)構(gòu)的變化,顯微組織：晶粒沿著變形方向伸長(zhǎng)而呈纖維狀。,鋁在400℃擠壓所形成的纖維組織（縱向，偏振光 ）40×,亞組織：等軸的亞晶粒。變形開(kāi)始階段，加工硬化效果強(qiáng)，位錯(cuò)密度增加，金屬形成位錯(cuò)纏結(jié)和位錯(cuò)胞，構(gòu)成亞晶界。因?yàn)槭窃诟邷叵伦冃?，位錯(cuò)可通過(guò)攀移、交滑移，使異號(hào)位錯(cuò)相遇，彼

3、此抵消而破壞已形成的亞晶界；同時(shí)在另一些地方又有新的亞晶界形成，從而保持恒定的亞晶平均尺寸。,鋁在400℃擠壓所形成的動(dòng)態(tài)回復(fù)亞晶a)光學(xué)顯微組織（偏振光 430×）；b)透射電子顯微組織,影響亞晶尺寸的因素：形變溫度：形變溫度高，亞晶尺寸大；形變速率：形變速率小，亞晶尺寸大。應(yīng)變與回復(fù)同時(shí)進(jìn)行，避免了冷加工效果的積累，位錯(cuò)密度較冷變形時(shí)低。動(dòng)態(tài)回復(fù)產(chǎn)生的亞組織，不能靠綜合冷加工和靜態(tài)回復(fù)兩個(gè)過(guò)程迭加得到。動(dòng)態(tài)回

4、復(fù)亞組織：位錯(cuò)密度較高，亞晶尺寸較小；冷加工+靜態(tài)回復(fù)亞組織：位錯(cuò)密度較低，亞晶尺寸較大。,,動(dòng)態(tài)回復(fù)組織的性能：強(qiáng)度較冷變形組織低，較靜回復(fù)和再結(jié)晶組織強(qiáng)度高，因?yàn)椴牧锨?qiáng)度隨亞晶粒的細(xì)化而提高。保留動(dòng)回復(fù)組織，已應(yīng)用于提高鋁鎂合金擠壓型材的強(qiáng)度。易發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)的金屬：層錯(cuò)能高的金屬，如Al、Al合金、純鐵、鐵素體鋼等，其位錯(cuò)的交滑移和攀移容易進(jìn)行。層錯(cuò)能低的金屬，在變形量較小時(shí)，通常也只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)。,㈡動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,1

5、、真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線高應(yīng)變速率，較低溫度下：連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。0εs：穩(wěn)定流變階段，(形變硬化與再結(jié)晶軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡)。εc—開(kāi)始發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量。,低應(yīng)變速率，較高溫度下：間斷動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.應(yīng)變速率低，位錯(cuò)增殖速度小，在發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起軟化后，位錯(cuò)密度來(lái)不及增長(zhǎng)到足以使再結(jié)晶達(dá)到與加工硬化相抗衡的程度，故重新發(fā)生加工硬化，曲線上升，直到位錯(cuò)密度積累到又能使再結(jié)晶占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，曲線才又下降。,這一過(guò)程不斷重復(fù)，并呈周

6、期性的變化，曲線呈波浪狀，其周期大體相同，但振幅逐漸衰減。,,,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線a)應(yīng)變速率的影響；b)變形溫度的影響,2、組織結(jié)構(gòu)的變化,顯微組織：非常細(xì)小的等軸晶粒，晶內(nèi)還有細(xì)小的亞晶和一定程度的位錯(cuò)纏結(jié)。形核及長(zhǎng)大方式：與靜態(tài)再結(jié)晶類似。原因：動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核長(zhǎng)大期間，同時(shí)進(jìn)行著形變，未再結(jié)晶區(qū)不斷有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶核形成，并只發(fā)生有限的長(zhǎng)大；已再結(jié)晶的晶內(nèi)繼續(xù)遭受變形，可重復(fù)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。,鎳在934℃形變

7、時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成的再結(jié)晶晶粒中的纏結(jié)位錯(cuò)（透射電子顯微組織）,影響動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的因素：流變應(yīng)力：流變應(yīng)力越高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后晶粒尺寸越小。應(yīng)變速率：應(yīng)變速率越高，晶粒尺寸越小。變形溫度：形變溫度低，晶粒尺寸小。變形程度：變形程度大，晶粒尺寸小。,鎳通過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶所形成的晶粒尺寸與流變應(yīng)力之間的關(guān)系,,易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的金屬：層錯(cuò)能低的面心立方金屬，如：Cu、Ni、γ-Fe及奧氏體不銹鋼等，其位錯(cuò)的交滑移和攀

8、移難進(jìn)行。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織的性能：強(qiáng)度低于動(dòng)態(tài)恢復(fù)組織的強(qiáng)度，但高于靜態(tài)再結(jié)晶后的強(qiáng)度。因?yàn)榫?nèi)還有位錯(cuò)纏結(jié)。控軋控冷：較高應(yīng)變速率下，材料中始終有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶核存在，熱變形后在高溫停留時(shí)間長(zhǎng)了，要發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。因此，要將熱變形獲得的細(xì)小晶粒保留下來(lái)，要控制熱變形的終止溫度和熱變形后的冷卻。如控軋控冷工藝。,二、熱變形,1、熱加工與冷加工熱加工：金屬在再結(jié)晶溫度以上的加工變形。實(shí)質(zhì)：變形中加工硬化與動(dòng)態(tài)軟化同時(shí)進(jìn)

9、行的過(guò)程。動(dòng)態(tài)軟化包括：動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。冷加工：形變時(shí)只發(fā)生加工硬化的加工變形。冷、熱加工不能以加工溫度的高低來(lái)區(qū)分，而應(yīng)根據(jù)其再結(jié)晶溫度來(lái)判定。,,例：鎢，T再=1200℃，1000℃的加工仍屬冷加工；而鉛， T再<15℃，20℃時(shí)的加工變形應(yīng)屬熱加工。熱加工時(shí)，有動(dòng)態(tài)軟化可以消除加工硬化(至少部分消除)，因此熱加工中金屬一直保持較高的塑性，可連續(xù)地進(jìn)行大變形量加工。主要用于截面尺寸較大、變形量較大的產(chǎn)品，以及

10、脆性較大的金屬材料。溫度高，流變強(qiáng)度下降，形變阻力小，動(dòng)力消耗較少。,三、熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響,1、提高材料致密性和力學(xué)性能熱加工可消除鑄造材料中的某些缺陷，如焊合氣孔、疏松；部分消除偏析；打碎粗大的柱狀晶和樹(shù)枝晶；改善夾雜物或脆性相的形態(tài)與分布。提高材料的致密性，細(xì)化晶粒，提高材料的力學(xué)性能，特別是塑、韌性比鑄態(tài)有顯著提高。受力復(fù)雜，負(fù)荷較大的重要工件，都要經(jīng)過(guò)熱加工。,,WC =0.3%的碳鋼鑄態(tài)和鍛態(tài)力學(xué)性能比較,

11、2、形成流線，使材料出現(xiàn)各向異性,流線：夾雜物、第二相、偏析等沿變形方向分布，在經(jīng)浸蝕的宏觀磨面上出現(xiàn)的纖維組織。順流線方向性能高(特別是塑、韌性)，垂直于流線方向性能較差。,低碳鋼熱加工后的流線,,流線方向?qū)?5鋼力學(xué)性能的影響,受力簡(jiǎn)單的零件，熱加工時(shí)應(yīng)使流線與零件工作時(shí)受到的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外加的切應(yīng)力和沖擊方向相垂直。右圖 (a)流線分布正確，(b) 不正確。易受疲勞剝蝕的零件，應(yīng)盡量使流線與工作表面平行，不在工作

12、表面露頭。(軸承套圈)受力復(fù)雜零件，不要有明顯的流線分布，則鐓粗和拔長(zhǎng)結(jié)合。,曲軸流線分布,3、形成帶狀組織,帶狀組織：在經(jīng)過(guò)壓延的金屬材料中常常出現(xiàn)的組織。加工時(shí)存在兩相，兩個(gè)相都沿變形方向伸長(zhǎng)，在縱切面上形成兩相相間的條帶狀組織。1Cr13：白色相，鐵素體；黑色相，由奧氏體轉(zhuǎn)變成的珠光體。Cr12：白色碳化物顆粒成帶狀分布，黑色基體為珠光體。由偏析造成的，壓延時(shí)偏析區(qū)沿變形方向伸長(zhǎng)成條帶狀，冷卻時(shí)偏析區(qū)成分不同，轉(zhuǎn)變成的組

13、織不同。亞共析鋼中，枝晶間富P、Si等，提高GS溫度，先共析F在此形核長(zhǎng)大(白色區(qū))，F(xiàn)析出后，使C向兩側(cè)擴(kuò)散，富C區(qū)隨后轉(zhuǎn)變?yōu)镻。非金屬夾雜物也會(huì)在加工中被拉長(zhǎng)(或碎成 小粒成串鏈狀)，先共析F通常會(huì)依附于它們而析出，形成帶狀組織。,,,,熱軋低碳鋼板的帶狀組織 100 ×,,帶狀組織對(duì)材料的力學(xué)性能影響,帶狀組織也使材料的力學(xué)性能產(chǎn)生方向性，特別是橫向塑、韌性降低。防止方法：①不在兩相區(qū)變形；②高溫?cái)U(kuò)散退火

14、消除偏析；消除方法：正火。,4、熱變形后的組織控制（控軋控冷）,熱變形后要獲得細(xì)小的晶粒組織，需控制其終止溫度、最終變形量和熱變形后的冷卻速度。采用低的終止溫度、大的最終變形量和快的冷卻速度，可得到細(xì)小晶粒。加入微量合金元素，阻礙熱變形后的靜態(tài)再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，也是細(xì)化晶粒的有效措施。,,,第六節(jié) 超塑性,一、基本概念超塑性：材料在低載荷作用下，拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率δ>200%的現(xiàn)象。超塑性的特點(diǎn)：大伸長(zhǎng)率，可高達(dá)百

15、分之幾千；無(wú)縮頸，截面均勻縮小， ψ可接近100%；低流動(dòng)應(yīng)力，只有幾個(gè)到幾十個(gè)MPa，且非常敏感地依賴于應(yīng)變速率；易成形，加工時(shí)無(wú)加工硬化。超塑性成形時(shí)具有極好的流動(dòng)性和充填性，能加工出復(fù)雜而精確的零件。,二、超塑性的種類,1、細(xì)晶超塑性：在一定的恒溫下，在應(yīng)變速率和晶粒度都滿足的條件下所呈現(xiàn)的超塑性。又稱結(jié)構(gòu)超塑性或恒溫超塑性。恒溫：0.5~0.7Tm；應(yīng)變速率：10-1~10-4s-1；晶粒直徑：<10μm。2、

16、相變超塑性：金屬具有相變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在一定外力作用下，使金屬在相變溫度附近反復(fù)加熱和冷卻，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后，出現(xiàn)的超塑性。又稱動(dòng)態(tài)超塑性。近幾年研究發(fā)現(xiàn)：動(dòng)態(tài)超塑性成形后，對(duì)形狀有記憶效果。變形后進(jìn)行無(wú)載荷熱循環(huán)，可使其形狀恢復(fù)。,,,,碳鋼和軸承鋼的伸長(zhǎng)率δ與溫度循環(huán)次數(shù)n之間的關(guān)系試驗(yàn)溫度幅度：538 ～ 816℃；定負(fù)荷：σ=17.6MPa）,,三、動(dòng)態(tài)（相變）超塑性的影響因素,加熱溫度：相變溫度上、下；加熱、冷卻

17、速度：要高；熱循環(huán)幅度：要大；循環(huán)次數(shù)：要多；施加應(yīng)力：要小。,四、細(xì)晶超塑性變形的力學(xué)特征,1、應(yīng)力-應(yīng)變曲線條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，當(dāng)條件應(yīng)力達(dá)到最大值后，隨變形程度的增加而下降，而變形量可達(dá)很大的數(shù)值。真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，真應(yīng)力幾乎不隨變形程度的增加而變化。,超塑性材料的條件應(yīng)力-應(yīng)變曲線,超塑性材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,2、流動(dòng)應(yīng)力(真應(yīng)力)對(duì)變形速率極其敏感,特征方程：

18、 c—決定于試驗(yàn)條件的材料常數(shù)；m—應(yīng)變速率敏感性指數(shù)。它反映材料抗局部收縮或產(chǎn)生均勻拉伸變形的能力。 m 是表征超塑性的一個(gè)重要指標(biāo)。m值大，流動(dòng)應(yīng)力會(huì)隨應(yīng)變速率的增大而急速增大。如試樣某處有局部縮小，該處應(yīng)變速率加大，繼續(xù)變形所需應(yīng)力也隨之劇增，阻止了該處斷面的繼續(xù)減小，促使變形向別處發(fā)展而趨于均勻，最終獲得更大的伸長(zhǎng)率。m=1，上式即為牛頓粘性流動(dòng)公式，c為粘性系數(shù)。普通金屬，m=0.02~0.2；超塑

19、性金屬，m=0.3~1.0；m值越大，伸長(zhǎng)率越大。,五、影響細(xì)晶超塑性的主要因素,1、應(yīng)變速率在 較低或較高時(shí)，m值都較小， m在 適中時(shí)，m值最大。2、變形溫度溫度高于或低于某一溫度范圍，不出現(xiàn)超塑性。一般合金超塑性溫度在0.5Tm左右。只有應(yīng)變速率和變形溫度綜合作用，獲得最大m值，合金才能表現(xiàn)出最好的超塑性狀態(tài)。3、組織要求金屬具有超細(xì)、等軸、雙相及穩(wěn)定的晶粒。,,,Mg-Al共晶合金在350℃變形時(shí)流變應(yīng)力

20、σ和應(yīng)變速率敏感指數(shù)m隨應(yīng)變速率 的變化（晶粒尺寸：10.6μm）,,,晶粒越細(xì)，真應(yīng)力越低，伸長(zhǎng)量(或m值)越大，且最大塑性移向高應(yīng)變速率一邊。一般φ>10μm，難實(shí)現(xiàn)超塑性。等軸晶，以便有數(shù)量多，且短而平坦的晶界。組織為雙相，可使母相和第二相晶粒，相互阻止對(duì)方的晶粒長(zhǎng)大.組織穩(wěn)定，則在變形過(guò)程中，晶粒長(zhǎng)大速度緩慢，以便在保持細(xì)晶的條件下有充分的熱變形持續(xù)時(shí)間,六、組織變化和對(duì)力學(xué)性能的影響,1、組織變化變形后晶

21、粒雖有些長(zhǎng)大，但仍為等軸晶，晶粒未變形拉長(zhǎng)；在試樣拋光表面上不出現(xiàn)滑移線，沒(méi)有亞結(jié)構(gòu)的形成和位錯(cuò)密度的增加；有顯著的晶界滑移痕跡，在許多情況下，晶界或相界處形成空洞.2、對(duì)力學(xué)性能的影響不產(chǎn)生各向異性，且具有較高的抗應(yīng)力腐蝕性能；變形后沒(méi)有殘余應(yīng)力； (恒溫、緩慢變形，內(nèi)部無(wú)彈性畸變能)壓縮時(shí)有加工軟化現(xiàn)象；可提高抗疲勞強(qiáng)度。,七、超塑性變形機(jī)理,晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散蠕變聯(lián)合機(jī)理：在晶界滑移的同時(shí)，伴隨有擴(kuò)散蠕變，對(duì)晶界滑移起

22、調(diào)節(jié)作用的不是晶內(nèi)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，而是原子的擴(kuò)散遷移。4個(gè)六邊形晶粒在應(yīng)力作用下， 通過(guò)晶界滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和原子的定向 擴(kuò)散(體擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散)，晶粒形

23、 狀由初始狀態(tài)，經(jīng)過(guò)中間狀態(tài)，變 為最終狀態(tài)。最終和初始狀態(tài)的晶 粒形狀相同，但位置發(fā)生了變化。因此，超塑性變形時(shí)，試樣的宏

24、 觀變化是依靠晶粒的換位，而這種 換位又是通過(guò)晶界的滑動(dòng)與擴(kuò)散來(lái) 完成的。,超塑性變形機(jī)制示意圖,八、超塑性的應(yīng)用,利用合金的超塑性，可以采用精密模鍛或類似于熱塑料和熱玻璃的加工工藝（如吹制），來(lái)成形形狀復(fù)雜的零件。超