1、第五节第五节 金属的热变形金属的热变形一、动态回复与动态再结晶一、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，称为静态回复和形后的加热过程中发生的，称为静态回复和静态再结晶。静态再结晶。金属在较高温度下变形时，也能发生回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。复和再结晶，称为动态回复与动态再结晶。动态回复动态回复动态回复动态回复：材料在变：材料在变形过程中发生的回复。形过程中发生的回复。1、应力、应力-应变曲线应变曲线第第阶段阶段：微应变微应变阶段阶段(直线直线)，总应变量，总应变量1%;第第阶
2、段阶段：起始流变起始流变阶阶段，屈服，有加工硬化段，屈服，有加工硬化;第第阶段阶段：稳定流变稳定流变阶阶段，加工硬化率为零段，加工硬化率为零,曲线转曲线转为水平。为水平。发生动态回复时的真应力发生动态回复时的真应力-真应变真应变曲线特征曲线特征真应变真应变真应力真应力T=T=常数常数常数常数 当温度一定，当温度一定，变形变形速率速率增大增大时，曲线时，曲线整体整体向上移动向上移动，即，即稳定流变稳定流变的应力增大的应力增大；当变形速率一定，当变形速率一定，温度升高时，曲线整体温度升高时，曲线整体向下移动，即稳定流变向下移动，即稳定流变应力下降；应力下降；动态回复阶段的应力动态回复阶段的应力-应
3、变应变 曲线曲线（工业纯铁，（工业纯铁，700700）1.510-48.010-16.010-26.010-31/s 2、组织结构的变化、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。显微组织：晶粒沿着变形方向伸长而呈纤维状。铝在铝在400400挤压所形成的纤维组织（纵向，偏振光挤压所形成的纤维组织（纵向，偏振光 ）4040亚组织：等轴的亚晶粒。亚组织：等轴的亚晶粒。变形开始阶段，加工硬化效果强，位错密度变形开始阶段，加工硬化效果强，位错密度增加，金属形成增加，金属形成位错缠结和位错胞位错缠结和位错胞，构成亚晶界。，构成亚晶界。因为是在高温下变形，位错可通过攀移、交因为是在高温下变形
4、，位错可通过攀移、交滑移，使滑移，使异号位错相遇异号位错相遇，彼此抵消而破坏已形成彼此抵消而破坏已形成的亚晶界的亚晶界；同时在；同时在另一些地方又有新的亚晶界形另一些地方又有新的亚晶界形成成，从而保持恒定的亚晶平均尺寸。，从而保持恒定的亚晶平均尺寸。铝在铝在400400挤压所形成的动态回复亚晶挤压所形成的动态回复亚晶a a)光学显微组织（偏振光光学显微组织（偏振光 430430）；）；b)b)透射电子显微组织透射电子显微组织影响亚晶尺寸的因素：影响亚晶尺寸的因素：形变温度形变温度：形变：形变温度高温度高，亚晶，亚晶尺寸大尺寸大；形变速率形变速率：形变：形变速率小速率小，亚晶，亚晶尺寸大尺寸大。
5、应变与回复同时进行应变与回复同时进行，避免了冷加工效果的积，避免了冷加工效果的积累，累，位错密度较冷变形时低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。静态回复两个过程迭加得到。动态回复亚组织动态回复亚组织：位错密度较高位错密度较高，亚晶尺寸较亚晶尺寸较小小；冷加工冷加工+静态回复亚组织静态回复亚组织：位错密度较位错密度较低，低，亚亚晶尺寸较大晶尺寸较大。动态回复组织的性能：动态回复组织的性能：强度强度较冷变形组织低较冷变形组织低，较静回复和再结晶组较静回复和再结晶组织强度高织强度高，因为材料屈服强度随亚晶粒的
6、细化而，因为材料屈服强度随亚晶粒的细化而提高。提高。保留动回复组织，已应用于提高铝镁合金挤保留动回复组织，已应用于提高铝镁合金挤压型材的强度。压型材的强度。易发生动态回复的金属：易发生动态回复的金属：层错能高的金属，如层错能高的金属，如AlAl、AlAl合金、纯铁、铁合金、纯铁、铁素体钢等，其位错的交滑移和攀移容易进行。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，通常也层错能低的金属，在变形量较小时，通常也只发生动态回复。只发生动态回复。动态再结晶动态再结晶1、真应力真应力-真应变曲线真应变曲线高应变速率，较低温度下高应变速率，较低温度下：连续动态再结晶。连续动态再
7、结晶。0c：加工硬化加工硬化阶段；阶段；cs：稳定流变阶段稳定流变阶段，(形变形变硬化与再结晶软化达到动态硬化与再结晶软化达到动态平衡平衡)。c开始发生动态再结晶的开始发生动态再结晶的临界变形量。临界变形量。发生动态再结晶时的真应力发生动态再结晶时的真应力-真应变真应变 曲线的特征曲线的特征真应力真应力低应变速率，较高温低应变速率，较高温度下度下：间断动态再结晶：间断动态再结晶.应变速率低，位错增应变速率低，位错增殖速度小，在发生动态再殖速度小，在发生动态再结晶引起软化后，位错密结晶引起软化后，位错密度来不及增长到足以使再度来不及增长到足以使再结晶达到与加工硬化相抗结晶达到与加工硬化相抗衡的程
8、度，故衡的程度，故重新发生加重新发生加工硬化工硬化，曲线上升曲线上升，直到，直到位错密度积累到又能使再位错密度积累到又能使再结晶占据主导地位时结晶占据主导地位时，曲曲线才又下降线才又下降。发生动态再结晶时的真应力发生动态再结晶时的真应力-真应变真应变 曲线的特征曲线的特征真应力真应力 这一过程不断重复，并呈周期性的变化，曲这一过程不断重复，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。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动态再结晶阶段的应力-应变曲线应变曲线a)a)应变速率的影响；应变速率的影响；b)b)变形温度的影响变形温度的影响2、组织结构的变
9、化组织结构的变化显微组织显微组织：非常细小的等轴晶粒，晶内还有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。细小的亚晶和一定程度的位错缠结。形核及长大方式形核及长大方式：与静态再结晶类似。与静态再结晶类似。原因原因：动态再结晶形核长大期间，动态再结晶形核长大期间，同时同时进行着形变进行着形变，未再结晶区，未再结晶区不断有动态不断有动态再结晶晶核形成再结晶晶核形成，并，并只发生有限的长只发生有限的长大大；已再结晶的晶内；已再结晶的晶内继续遭受变形继续遭受变形，可可重复发生动态再结晶重复发生动态再结晶。镍在镍在934934形变时通过动态再结形变时通过动态再结晶形成的再结晶晶粒中的缠结
10、位晶形成的再结晶晶粒中的缠结位错（透射电子显微组织）错（透射电子显微组织）)0.7sec1063.1(12 ，影响动态再结晶晶粒尺影响动态再结晶晶粒尺寸的因素寸的因素：流变应力流变应力：流变应力越高流变应力越高，动态再结晶后晶粒动态再结晶后晶粒尺寸越小尺寸越小。应变速率应变速率：应变速率越高应变速率越高，晶粒晶粒尺寸越小尺寸越小。变形温度变形温度：形变温度低形变温度低，晶粒晶粒尺寸小尺寸小。变形程度变形程度：变形程度大变形程度大，晶粒晶粒尺寸小尺寸小。镍通过动态再结晶与静态再结晶所形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成的晶粒尺寸与流变应力之间的关系易发生动态再结晶
11、的金属：易发生动态再结晶的金属：层错能低的面心立方金属层错能低的面心立方金属，如：，如：Cu、Ni、-Fe及奥氏及奥氏体不锈钢等，其位错的交滑移和攀移难进行。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：动态再结晶组织的性能：强度低于动态恢复组织的强度强度低于动态恢复组织的强度，但，但高于静态再结晶后高于静态再结晶后的强度的强度。因为晶内还有位错缠结。因为晶内还有位错缠结。控轧控冷：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，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热变形后在高温停留时间长了，要发生静态再结
12、晶和晶粒长大。长大。因此，要将热变形获得的细小晶粒保留下来，要控制因此，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。热变形的终止温度和热变形后的冷却。如控轧控冷工艺。二、热变形二、热变形1、热加工与冷加工、热加工与冷加工热加工热加工：金属在再结晶温度以上的加工变形。：金属在再结晶温度以上的加工变形。实质实质：变形中：变形中加工硬化与动态软化同时进行加工硬化与动态软化同时进行的过程。的过程。动态软化包括：动态回复和动态再结晶。动态软化包括：动态回复和动态再结晶。冷加工冷加工：形变时只发生加工硬化的加工变形。：形变时只发生加工硬化的加工变形。冷、热加工
13、冷、热加工不能以加工温度的高低来区分，不能以加工温度的高低来区分，而应而应根据其再结晶温度来判定根据其再结晶温度来判定。例：例：钨钨，T T再再=1200=1200，10001000的加工仍属的加工仍属冷加工；冷加工；而而铅铅，T T再再15200%的现象的现象。超塑性的特点超塑性的特点：大伸长率大伸长率，可高达百分之几千；，可高达百分之几千；无缩颈无缩颈，截面均匀缩小，截面均匀缩小，可接近可接近100%；低流动应力低流动应力，只有几个到几十个，只有几个到几十个MPa，且非常敏感地，且非常敏感地依赖于应变速率；依赖于应变速率；易成形易成形，加工时无加工硬化。超塑性成形时具有极好，加工时无加工硬
14、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。的流动性和充填性，能加工出复杂而精确的零件。二、超塑性的种类二、超塑性的种类1、细晶超塑性细晶超塑性：在在一定的一定的恒温下恒温下，在，在应变速率应变速率和和晶粒度晶粒度都满足的条件下都满足的条件下所呈现的超塑性。又称所呈现的超塑性。又称结构超塑性结构超塑性或或恒温超塑性恒温超塑性。恒温：恒温：0.50.7Tm；应变速率：；应变速率：10-110-4s-1；晶粒直径：；晶粒直径：10m，难实现超塑性。难实现超塑性。等轴晶，以便有数量多，且短而平坦的晶界。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，
15、相互组织为双相，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缓慢，以便在保持细晶的条件下有充分的热变形持续时间持续时间六六、组织变化、组织变化和对力学性能的影响和对力学性能的影响1 1、组织变化、组织变化变形后变形后晶粒虽有些长大，但晶粒虽有些长大，但仍为等轴晶仍为等轴晶，晶粒，晶粒未变形拉未变形拉长长；在试样抛光表面上在试样抛光表面上不出现滑移线不出现滑移线，没有亚结构的形成和没有亚结构的形成和位错密度的增加位错密度的增加；有显著的晶界滑移痕迹有显著的晶界
16、滑移痕迹，在许多情况下，晶界或相界处，在许多情况下，晶界或相界处形成空洞形成空洞.2 2、对力学性能的影响、对力学性能的影响不产生各向异性不产生各向异性，且，且具有较高的抗应力腐蚀性能具有较高的抗应力腐蚀性能；变形后变形后没有残余应力没有残余应力；(恒温、缓慢变形，内部无弹性恒温、缓慢变形，内部无弹性畸变能畸变能)压缩时压缩时有加工软化现象有加工软化现象；可提高抗疲劳强度可提高抗疲劳强度。七、超塑性变形机理七、超塑性变形机理晶界滑动和扩散蠕变联合机理晶界滑动和扩散蠕变联合机理：在：在晶界滑移晶界滑移的同时，伴随的同时，伴随有有扩散蠕变扩散蠕变，对晶界滑移起调节作用的不是晶内位错的运动，而是，对
17、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。原子的扩散迁移。4 4个六边形晶粒在应力作用下，个六边形晶粒在应力作用下，通过通过晶界滑动晶界滑动、转动转动和和原子的定向原子的定向 扩散扩散(体扩散体扩散和和晶界扩散晶界扩散)，晶粒形，晶粒形 状由初始状态，经过中间状态，变状由初始状态，经过中间状态，变 为最终状态。为最终状态。最终和初始状态的晶最终和初始状态的晶 粒形状相同粒形状相同，但位置发生了变化但位置发生了变化。因此，超塑性变形时，试样的宏因此，超塑性变形时，试样的宏 观变化是观变化是依靠晶粒的换位依靠晶粒的换位，而这种，而这种 换位又是换位又是通过晶界的滑动与扩散通过晶界的滑动与扩散来来 完成的。完成的。超塑性变形机制示意图超塑性变形机制示意图八、超塑性的应用八、超塑性的应用利用合金的超塑性，可以利用合金的超塑性，可以采用精密模锻采用精密模锻或类或类似于热塑料和热玻璃的加工工艺（如似于热塑料和热玻璃的加工工艺（如吹制吹制），来），来成形形状复杂的零件成形形状复杂的零件。超塑性加工的零件，尺寸精度高，粗糙度好。超塑性加工的零件，尺寸精度高，粗糙度好。使用使用常规成型设备常规成型设备，严格，严格控制组织和成形条控制组织和成形条件件，即可实现超塑性成形，但成本将增高。，即可实现超塑性成形，但成本将增高。
