1、1 钢的高温变形行为钢的高温变形行为轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学）轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学）2 高温变形行为高温变形行为 动态再结晶动态再结晶 静态再结晶静态再结晶 热变形方程热变形方程 金属的高温变形抗力金属的高温变形抗力 实验研究实验研究31.高温变形行为高温变形行为 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变形应
2、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，应变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，溶质原子同位错之间相互作用，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，也会在其周围形成溶质原子浓度高的区域(科垂耳气团)。4 热加工中的软化过程软化过程分为:（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。5动态再结晶真应力真应变II
3、IIII(c)12动态回复真应力真应变真应力真应变12(a)(b)动态回复时的应力-应变曲线特征动态再结晶时的应力-应变曲线特征1.1 高温下稳定变形时的应力高温下稳定变形时的应力-应变曲线应变曲线6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-应应变曲线表现为变曲线表现为:在回复型变形中：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,应力快速上升应力快速上升,位错密位错密度增加度增加,亚晶发展迅速亚晶发展迅速,晶粒伸长。晶粒伸长。当变形达到一定程度：回复过程可以完全平衡
4、应变硬化过程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,曲线表曲线表现为应力不随应变增加而变化的稳态流变现为应力不随应变增加而变化的稳态流变,位错密度保持不变位错密度保持不变,即位错即位错的增殖率与消失率相等。晶粒仍然继续伸长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回复所形成的亚晶呈等轴状。轴状。在再结晶型的变形中：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
5、，与其对应的稳后又随应变下降，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-变形变形-动动态再结晶，即交替进行软化态再结晶，即交替进行软化-硬化硬化-软化而造成的。软化而造成的。1.1 高温下稳定变形时的应力高温下稳定变形时的应力-应变曲线应变曲线7奥氏体高温变形过程：第奥氏体高温变形过程：第 I 阶段阶段幻灯片幻灯片 93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
6、增加到所采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用的变形速率，随着变形的进行，位错密度，随着变形的进行，位错密度()将不断增加，产生加将不断增加，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。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。硬化发生，故称之为动态回复。当位错排列并发展到
7、一定程度后，形成清晰的亚晶，称之为动态多边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。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。
8、在一定条件下，当变形进加，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-应变曲应变曲线上是随着变形量的增大，应力值趋于一定值。线上是随着变形量的增大，应力值趋于一定值。8奥氏体高温变形过程：第奥氏体高温变形过程：第 II 阶段阶段幻灯片幻灯片 93 在第一阶段动态软化不能完全抵消加工硬化。随着变形量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
9、生另一种转变变形量达到一定程度时，将使奥氏体发生另一种转变动动态再结晶。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。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。达到这一变形量时，才能发生动态再结晶。9奥氏体高温变形过程：第奥氏体高温变形过程：第 III 阶段阶段奥氏体发生了动态再
10、结晶之后，变形量不断增加，而应力值基本保持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。不变，呈稳定状态。从应力从应力-应变曲线中可以确定发生动态再结晶的临界变形量。临界变应变曲线中可以确定发生动态再结晶的临界变形量。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，而且可以通过形量的大小表征了奥氏体发生动态再结晶的难易程度，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的一种好方法。是研究奥氏体动态再结晶的一种好方法。动态再结晶分为两种：动态再结晶分
11、为两种：幻灯片幻灯片 93 连续动态再结晶：奥氏体几轮动态再结晶同时发生。连续动态再结晶：奥氏体几轮动态再结晶同时发生。间断动态再结晶：（间断动态再结晶：（c r）由于由于r r较小，奥氏体一旦发生动态再结晶，不需要太大的变较小，奥氏体一旦发生动态再结晶，不需要太大的变形量。形量。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，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。才能发生第二轮动态再结晶。10动态回复和动态再结晶 钢在高温的奥氏体区域内变形时不仅要产生硬化，同时也要产生软化以消除变形过程中的加工硬化和加工硬化组织。此软化过程统称为回复过程。
12、回复过程包括有回复和再结晶。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。回复过程可分为动态回复过程和静态回复过程。后者将在稍后的内容中讲述。回复过程按晶型或合金成分区分，如下表所示。11动态回复 如上表所示，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。A组金属在热加工变形初期，变形应力上升，位错密度增加，并开始形成亚晶。对-Fe来讲，当以0.05-1.5s的变形速度变形时，亚晶粒是在0.2-0.3变形量时最终完成其固定状态。在该变形区域，因
13、加工硬化率急剧减小，变形达到稳定状态。所以，变形应力不变，亚晶的大小和形状也都固定不变，如图27所示。此时，加工硬化率和动态回复率相互平衡，亚晶粒不断遭到破坏又不断地再生成，依靠Z维持动态平衡。这里Z是进行温度补偿的变形速度参数，可用下式表示：12 对B组金属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。在同一均匀温度和变形速度下变形时，B组所形成的亚晶粒尺寸比A组小。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。13动态再结晶如前所述，B 组金属在热加工变形初期应
14、力上升，并达到最大值。超过此最大值后，应力开始下降，最后达到稳定值或处于在平衡值上下呈周期性振动的应力状态。这时在最大应力附近开始了动态再结晶，一达到稳定应力时金属的全部区域就处于动态再结晶状态。前已述及，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
15、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。14动态再结晶行为0.00.10.20.30.40.50.60.7020406080100120(d)(c)(b)(a)应力/MPa应变 150.00.10.20.30.40.50.60.7020406080100120140160180(a)123456应力/MPa应变 0.00.10.20.30.40.50.60.7020406080100120140160180(b)654321Stress
16、/MPaStrain 0.00.10.20.30.40.50.60.7020406080100120应力/MPaStrain(c)123456 0.00.10.20.30.40.50.60.7020406080100120(d)123456Stress/MPaStrain 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-11:900,2:950,3:1000,4:1050,5:1100,6:1150举例16900950 1000 1050 1100 1150405060708090100110120130140峰值应力 /MPaTe
17、mperature(Co)1s-10.5s-10.25s-10.1s-1(a)900950 1000 1050 1100 1150Temperature(Co)0.200.250.300.350.400.450.500.550.60(b)峰值应变 反映了奥氏体变形条件(变形温度，变形速率)与峰值应力和峰值应变的相互关系。可以看出：变形温度升高、变形速率降低时，峰值应力及与其对应的峰值应变降低。17形核机制：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
18、，有二种理论，即亚晶长大形核机制及晶界突出形核机制。181920奥氏体热加工真应力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真应变曲线与材料微观组织变化示意图再结晶组织的演变：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变形初期的加工硬化部分再结晶阶段部分再结晶阶段全部再结晶阶段全部再结晶阶段21动态再结晶组织演化（动态再结晶组织演化（HQ685钢，钢，1050，1s-1）真应力真应变01.0III4.07.022变形条件变形条件:1100+2.5min,10/s:1100+2.5min,10/s
19、冷却到冷却到850,850,应变速率应变速率10s10s-1-1,变形后立即水淬变形后立即水淬,苦味酸腐蚀苦味酸腐蚀a-a-变形量变形量15%;b-15%;b-变形量变形量30%;c-30%;c-变形量变形量45%;d-45%;d-变形量变形量60%;60%;不同变形量与奥氏体微观组织不同变形量与奥氏体微观组织23不同变形温度与奥氏体微观组织不同变形温度与奥氏体微观组织变形条件变形条件:1100+2.5min,10/s:1100+2.5min,10/s冷却到变形温度冷却到变形温度,60%,60%变形变形,应应变速率变速率15s15s-1-1,变形后立即水淬变形后立即水淬,苦味酸腐蚀苦味酸腐蚀
20、a-a-变形温度变形温度1050;b-1050;b-变形温度变形温度90090024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材料微观组织发生不同变化化,相应变化的应力相应变化的应力-应变曲线是应变曲线是:无峰平台动态回复无峰平台动态回复多峰多峰的不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单峰连续动态再结晶部分动态再结部分动态再结晶晶无峰和具有上升趋势的动态回复无峰和具有上升趋势的动态回复形变诱导相变形变诱导相变.真应力真应力-真应变曲线与形变温度真应变曲线与形变温度/应变速率关系示意图应变速率关系示意图25普碳钢普碳钢Q235Q235随温度的降
21、低和应变速率的提高随温度的降低和应变速率的提高,可使可使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.普碳钢普碳钢Q235Q235压缩变形发生动态再结晶、部分动态再结晶、未再结晶压缩变形发生动态再结晶、部分动态再结晶、未再结晶时温度与应变速率关系图时温度与应变速率关系图:发生动态再结晶发生动态再结晶;未再结晶未再结晶26不同变形温度下应力不同变形温度下应力-应变曲线应变曲线加热条件加热条件:1100+2.5min,10/s:1100+2.5min,10/s冷却到变形温冷却到变形温度度,60%,60%变形变形,变形速率变形速率0.1s0.1s-1-1,变形后立
22、即水淬变形后立即水淬27加热温度低，变形时原始奥氏体晶粒尺寸小，发生动态再结晶加热温度低，变形时原始奥氏体晶粒尺寸小，发生动态再结晶所需变形量相对小，孕育期短，相对容易发生动态再结晶。所需变形量相对小，孕育期短，相对容易发生动态再结晶。不同加热条件及相同变形条件下的应力不同加热条件及相同变形条件下的应力-应变曲线应变曲线 变形温度为变形温度为900 900，应变速率，应变速率0.11s0.11s-1-128再结晶过程的热变形方程再结晶过程的热变形方程-计算再结晶激活能计算再结晶激活能式中，A为常数，n为应力指数，Q为再结晶激活能，R为气体常数，其值为8.31J/molK，T为绝对温度，而 为应
23、力因子。对热变形方程(1)的两边取对数，得如下关系式：RTQnA/)sinh(lnlnlnpRnbTRnQ1lnsinhp（1）（2）（3）在(2)中，当速率不变时，两边对温度的倒数求导，得sinhexp(/)npAQ RT&29Tnpsinhlnln对于碳钢及一般低合金钢，应力因子 通常取0.012 MPa-1 在(2)中，当温度不变时，两边对峰值应力求导，得（4）30-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.5-0.6-0.4-0.20.00.20.40.6(a)lnlnsinh()B1000 C1050 D1100 E1150 n=5.81150Co1100Co1050Co100
24、0Co7.07.27.47.67.88.0-0.6-0.4-0.20.00.20.40.6(b)lnsinh()10000/T,K-11s-1 0.1s-10.25s-10.5s-1b=7843lnpshnhlnpshnhln根据上述分析，分别用 对 及 对1/T作图，如下图所示。在下图(a)中，首求出各条曲线的斜率，再求出它们的倒数，平均值就是应力指数n。对于下图(b)，则确定各条曲线斜率后，直接求出其平均值就是参数b。这样，再根据公式(3)则可计算出再结晶激活能Q参数。应力与变形温度、变形速率的关系（a）应力与变形速率的关系；（b）应力与变形温度的关系31RTQZexpnAZpsinh10
25、0101310141015A=2.18*014RTQexpsinhAnp 5060 7080150sinh()/100 （5）（6）RTQAnexpsinhp（1）Z参数：参数：32钢种成分（%）应力因子MPa-1再结晶激活能Q/(kJ/mol)应力指数n系数ACMnSiCrB实验钢0.230.740.220.900.012378.65.82.18101450B440.470.860.200.470.00120.01432532.65Q2350.180.600.220.012363.15.6685.6681013表 再结晶激活能Q等参数的回归结果332.3 奥氏体热变形后的静态软化过程奥氏体热
26、变形后的静态软化过程 奥氏体热变形后的静态软化行为奥氏体热变形后的静态软化行为 形变奥氏体保温过程中的软化曲线 形变奥氏体保温过程中的组织变化 奥氏体静态再结晶动力学方程 奥氏体静态再结晶行为研究实例奥氏体静态再结晶行为研究实例34静态回复和静态再结晶静态回复和静态再结晶热加工过程中的任何阶段都不能完全消除奥氏体的加工硬热加工过程中的任何阶段都不能完全消除奥氏体的加工硬化，这就造成了组织结构的不稳定性。化，这就造成了组织结构的不稳定性。热加工的间隙时间里（如轧制道次之间）或加工后在奥氏热加工的间隙时间里（如轧制道次之间）或加工后在奥氏体区的缓冷过程中将继续发生变化，以变形储存能为驱动体区的缓冷
27、过程中将继续发生变化，以变形储存能为驱动力，力图消除加工硬化组织，通过热活化过程再结晶成核力，力图消除加工硬化组织，通过热活化过程再结晶成核和长大而再生成新的晶粒组织，使系统由高能状态转变为和长大而再生成新的晶粒组织，使系统由高能状态转变为较稳定的低能状态，使金属组织结构达到稳定状态。这种较稳定的低能状态，使金属组织结构达到稳定状态。这种变化仍然是回复、再结晶过程，但是它们不是发生在热加变化仍然是回复、再结晶过程，但是它们不是发生在热加工过程中，所以叫做工过程中，所以叫做静态回复和静态再结晶静态回复和静态再结晶。35奥氏体在热加工间隙时间里应力奥氏体在热加工间隙时间里应力-应变曲线的应变曲线的
28、变化变化式中:m为卸载时对应的应力；0和r分别为第一道次和第二道次热变形时的屈服应力。在两次变形间奥氏体软化的数量：在两次变形间奥氏体软化的数量：（m-r）与（）与（m-y）之比，称为软化百）之比，称为软化百分数，以分数，以XS表示之，则表示之，则 Strain,rm0Stress0mrmXs36软化百分数软化百分数当当x=1x=1时时表示奥氏体在两次热加工的间隙时间里消表示奥氏体在两次热加工的间隙时间里消除了全部加工硬化，全部恢复到变形前的除了全部加工硬化，全部恢复到变形前的原始状态原始状态,0=r 就是全部静再结晶的结就是全部静再结晶的结果。果。当当x=0 x=0时时表示奥氏体在两次热加工
29、的间隙时间里没表示奥氏体在两次热加工的间隙时间里没有任何的软化，因此有任何的软化，因此m=r 当当0 0 x x1 1时时表示奥氏体在两次热加工的间隙时间里发表示奥氏体在两次热加工的间隙时间里发生了不同程度的回复与再结晶。生了不同程度的回复与再结晶。0mrmXsStrain,rm0Stress37变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为的影响变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为的影响软化程度受多种因素的影响。首先讨论在软化程度受多种因素的影响。首先讨论在形变温度形变温度T、形、形变速度、形变后停留时的温度变速度、形变后停留时的温度不变的条件下，只改变不变的条件下，只改变变变形量形量时，在两
30、次形变间隔时间里奥氏体组织结构的变化。时，在两次形变间隔时间里奥氏体组织结构的变化。即讨论在热加工过程中形成的不同的奥氏体组织结构在即讨论在热加工过程中形成的不同的奥氏体组织结构在加工后的间隔时间里将发生怎样的变化。加工后的间隔时间里将发生怎样的变化。38变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为的影响变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为的影响 c是奥氏体发生动态再结晶的临界变形量，要是奥氏体发生动态再结晶的临界变形量，要想使奥氏体全部发生再结晶就需要继续变形。想使奥氏体全部发生再结晶就需要继续变形。p是真应力是真应力-真应变曲线上应力峰值所对应的应真应变曲线上应力峰值所对应的应变量变量s是
31、产生静态再结晶的最小变形量（静态再结是产生静态再结晶的最小变形量（静态再结晶的临界变形量）晶的临界变形量）s1是再结晶由产生核心到全部完成一轮再结晶是再结晶由产生核心到全部完成一轮再结晶所需要的变形量。所需要的变形量。39变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为的影响变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为的影响（1）当）当1远小于远小于c时（时（a点，点，a曲线）曲线）曲线曲线a表示了两次变形间隔时间里软化的情况与软化表示了两次变形间隔时间里软化的情况与软化的速度。的速度。曲线表明变形一停止软化就立即发生，随时间的延曲线表明变形一停止软化就立即发生，随时间的延长软化百分数增大，当达到一定程度
32、后软化停止，长软化百分数增大，当达到一定程度后软化停止，这个过程大约在这个过程大约在100s内完成。内完成。仅仅软化了仅仅软化了30，还有，还有70的加工硬化不能消除。的加工硬化不能消除。这种变化有如冷加工的退火阶段，称为静态回复。这种变化有如冷加工的退火阶段，称为静态回复。静态回复可以部分减少位错未消除的加工硬化对静态回复可以部分减少位错未消除的加工硬化对下次变形有迭加作用。如果这是最后一次变形，那下次变形有迭加作用。如果这是最后一次变形，那么在急冷下来的相变组织中仍能继承高温形变的加么在急冷下来的相变组织中仍能继承高温形变的加工硬化结构。工硬化结构。40变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化
33、行为的影响变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为的影响（2）当）当s1 c时（时（b点，点，b曲线）曲线）第一阶段是由于静态回复产生的，约在第一阶段是由于静态回复产生的，约在100秒钟结束，秒钟结束，软化率上升到软化率上升到45%。如果继续保持高温，在长时间的孕育期之后发生第如果继续保持高温，在长时间的孕育期之后发生第二阶段的软化，即发生静态再结晶。二阶段的软化，即发生静态再结晶。静态再结晶可以使软化百分数达到静态再结晶可以使软化百分数达到x=1，即原来热加即原来热加工形成的加工硬化结构全部消除，形成了新的位错工形成的加工硬化结构全部消除，形成了新的位错密度相当低的晶粒。密度相当低的晶粒。如
34、果再次变形，真应力如果再次变形，真应力-真应变曲线恢复到原始状态真应变曲线恢复到原始状态。这里把产生静态再结晶的最小变形量这里把产生静态再结晶的最小变形量s称为静态再称为静态再结晶的临界变形量结晶的临界变形量(关于临界变形量的问题在下面还关于临界变形量的问题在下面还要讨论要讨论)。41变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为的影响变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为的影响（3）当）当c1 s1时（时（c点，点，c曲线）曲线）当变形程度当变形程度 刚超过刚超过 p(曲线上曲线上c点点)时，变形停止后的时，变形停止后的软化过程如曲线软化过程如曲线c所示。所示。曲线曲线c表示变形在动态再结表示变
35、形在动态再结晶开始后的某一个阶段停止的软化情况。晶开始后的某一个阶段停止的软化情况。曲线被分为三个阶段，即第一阶段为静态回复，第曲线被分为三个阶段，即第一阶段为静态回复，第二阶段为亚动态再结晶，第三阶段为静态再结晶。二阶段为亚动态再结晶，第三阶段为静态再结晶。在曲线上有两个平台，其中第一个平台的前一段曲在曲线上有两个平台，其中第一个平台的前一段曲线属于静态回复，后一段曲线为亚动态再结晶。亚线属于静态回复，后一段曲线为亚动态再结晶。亚动态再结晶不需要孕育期，它是原来的动态再结晶动态再结晶不需要孕育期，它是原来的动态再结晶晶核的继续长大。晶核的继续长大。42变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为
36、的影响变形量对奥氏体在热加工间隙时间里软化行为的影响（4）当）当s11 时（时（d点，点，d曲线）曲线）d点表示变形应力超过最大应力达到正常应力部分点表示变形应力超过最大应力达到正常应力部分（变形应力稳定阶段），动态再结晶晶粒维持一（变形应力稳定阶段），动态再结晶晶粒维持一定的大小和形状，此时加工硬化率和动态再结晶定的大小和形状，此时加工硬化率和动态再结晶的软化率达到平衡，在这种变形量下停止变形，的软化率达到平衡，在这种变形量下停止变形，保持变形的高温，材料的软化过程如保持变形的高温，材料的软化过程如d曲线。曲线。在动态再结晶的基础上软化开始，由于动态再结晶在动态再结晶的基础上软化开始，由于动
37、态再结晶的组织中有不均匀位错密度，变形一停止马上就的组织中有不均匀位错密度，变形一停止马上就进入静态回复阶段，接着就是亚动态再结晶阶段。进入静态回复阶段，接着就是亚动态再结晶阶段。曲线曲线d上不出现平台，仅出现拐点，这也表明亚上不出现平台，仅出现拐点，这也表明亚动态再结晶不需要潜伏期。动态再结晶不需要潜伏期。由于这个阶段的热加工变形量很大，发生的动态再由于这个阶段的热加工变形量很大，发生的动态再结晶的核心很多，形变停止后这些核心很快继续结晶的核心很多，形变停止后这些核心很快继续长大，生成无位错的新晶粒，消除全部加工硬化，长大，生成无位错的新晶粒，消除全部加工硬化，所以不发生静态再结晶的软化过程
38、。所以不发生静态再结晶的软化过程。432.4 静态软化的各个区域与变形量之间的关系静态软化的各个区域与变形量之间的关系静态软化受热加工变形量静态软化受热加工变形量的影响，可分为三个过程：的影响，可分为三个过程：静态回复静态回复 静态再结晶静态再结晶 亚动态再结晶亚动态再结晶 阴影区阴影区ABCD是是“禁止带禁止带”，表示在小于表示在小于s的变形量下的变形量下变形，在变形的间隔时间变形，在变形的间隔时间里只发生静态回复，局部里只发生静态回复，局部地区由于形变引起晶界迁地区由于形变引起晶界迁移而产生粗大晶粒，这是移而产生粗大晶粒，这是不希望发生的。不希望发生的。0 0 32 48 64 25 50
39、 75 100 软化率，%变形量，100%8 16 静态回复 I 亚动态再结晶 II 静态再结晶 III ABCD44 0 0 32 48 64 25 50 75 100 软化率，%变形量，100%8 16 静态回复 I 亚动态再结晶 II 静态再结晶 III abcdmBACD452.5热加工后的晶粒组织变化热加工后的晶粒组织变化 IIIIIIIV(b)(a)热加工热加工动态再结晶动态再结晶静态回复静态回复未再结晶未再结晶静态再结晶静态再结晶亚动态再结晶亚动态再结晶晶粒长大晶粒长大晶粒长大晶粒长大如果不发生动态再结晶，晶粒伸长（加工硬化），产生回复（如果不发生动态再结晶，晶粒伸长（加工硬化）
40、，产生回复（II-a），则经过一定），则经过一定孕育期后，发生静态再结晶（孕育期后，发生静态再结晶（III-a），再结晶结束后，晶粒长大。其特点是在晶粒），再结晶结束后，晶粒长大。其特点是在晶粒长大过程中，晶粒都是均等长大，所以得到均匀的组织（长大过程中，晶粒都是均等长大，所以得到均匀的组织（IV-a），没有形成混晶组），没有形成混晶组织。织。在变形稳定区域进行热加工变形时，变形中发生动态再结晶，形成等轴晶粒（在变形稳定区域进行热加工变形时，变形中发生动态再结晶，形成等轴晶粒（II-b）。等轴晶粒大小取决于）。等轴晶粒大小取决于Z，Z（低温或高变形速率）值大时，晶粒细小，（低温或高变形速率）值
41、大时，晶粒细小，Z值小值小时，晶粒粗大。变形结束后，晶粒内部以不均匀位错分布为动力，发生亚动态再结时，晶粒粗大。变形结束后，晶粒内部以不均匀位错分布为动力，发生亚动态再结晶，位错大部分消失（晶，位错大部分消失（III-b）。其后晶粒因正常晶粒长大而粗大化。其后晶粒因正常晶粒长大而粗大化。上述两种途径，在过程上述两种途径，在过程III结束后的阶段上，其微观组织在本质上都是一样的。结束后的阶段上，其微观组织在本质上都是一样的。462.6 静态再结晶静态再结晶 a)再再加加热热状状态态 b)变变形形后后的的晶晶粒粒 c)开开始始再再结结晶晶 d)完完成成再再结结晶晶 e)晶晶粒粒长长大大 热加工过程
42、静态再结晶过程模式图热加工过程静态再结晶过程模式图在加热状态下，奥氏体晶粒粗大（在加热状态下，奥氏体晶粒粗大（a）；）；变形时，随着变形量增大，晶粒伸长（变形时，随着变形量增大，晶粒伸长（b），在），在各个伸长的晶粒内部因蓄积了由位错而引起的各个伸长的晶粒内部因蓄积了由位错而引起的应变能；应变能；以此为形核驱动力，发生静态再结晶（以此为形核驱动力，发生静态再结晶（C）；）；随晶核的长大，最后全部成为再结晶组织（随晶核的长大，最后全部成为再结晶组织（d）；）；再结晶结束后，晶粒借助热能长大再结晶结束后，晶粒借助热能长大472.7 静态静态再结晶激活能的确定再结晶激活能的确定钢种的化学成分对静态再
43、结晶有显著的影响，这主要是化学成分通过钢种的化学成分对静态再结晶有显著的影响，这主要是化学成分通过影响激活能影响激活能Qrex来实现的。静态再结晶率达到来实现的。静态再结晶率达到50%的时间的时间t0.5，可按，可按下式确定：下式确定：)/exp(05.0RTQdAtrexsqp其中：其中：分别为应变和应变速率；分别为应变和应变速率；和和R和和T分别为气体常数和绝对温度，分别为气体常数和绝对温度，A、p、q和和s均为常数均为常数 RTQdsqpAtrex/lnlnlnlnln05.0对上式两边取对数，计算静态再结晶激活能：对上式两边取对数，计算静态再结晶激活能：根据根据Sellars等人的研究
44、结果，等人的研究结果，HSLA钢的钢的Qrex与变形条件与变形条件基本基本无关，因此对于某一钢种，无关，因此对于某一钢种，lnt0.5与与1/T呈直线关系，直线斜率即为呈直线关系，直线斜率即为（Qrex/R）。）。t0 5.图 HQ685A和HQ685B钢的变形温度倒数与50再结晶时间（）之间的关系492.8 静态再结晶动力学静态再结晶动力学 对于静态再结晶动力学的研究，一般按照对于静态再结晶动力学的研究，一般按照Avrami方程：方程：式中，Xs为再结晶百分率，t0.5是再结晶率达到50%时的时间。对上式取两次对数，可得：对上式取两次对数，可得：)tt(693.0exp1Xn5.0s)ttl
45、n(nClnX11lnln5.0s即 与 之间呈现线性关系，n为直线的斜率。lnln11Xs)ttln(5.050与 sX11lnln5.0lntt-5-4-3-2-10123-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5lnln(1/1-Xs)ln()-4-3-2-1012-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.0lnln(1/1-Xs)ln(t/)n值与温度关系1220 1240 1260 1280 1300 1320 13400.20.40.60.8nT,K)exp(Tbann值计算与预测比较512.9 静态再结晶行为研究实例静态再结晶行为研究实例试验方
46、法试验方法12503min3min1 12 210/s Strain:0.2,0.3 Deformation temperature 1050950 双道次压缩变形示意图双道次压缩变形示意图52软化率曲线确定方法静态软化率（静态软化率（Xs）的测定，可以用变形后保温不同时间后进行淬火，）的测定，可以用变形后保温不同时间后进行淬火，然后采用将试样进行金相检验的方法测出其静态软化率，但是由于然后采用将试样进行金相检验的方法测出其静态软化率，但是由于这种方法的工作量太大，所以通常不采用。测定软化率的方法主要这种方法的工作量太大，所以通常不采用。测定软化率的方法主要有补偿法、后插法和有补偿法、后插法和
47、平均应力法，常有前两种方法。平均应力法，常有前两种方法。后插法后插法:可以在计算软化率的过程中，剔除变形后静态回复产生的可以在计算软化率的过程中，剔除变形后静态回复产生的软化，和实际的静态软化率软化，和实际的静态软化率Xs比较接近。具体做法是：将第一道次比较接近。具体做法是：将第一道次真应力真应力-真应变曲线向第二道次真应力真应变曲线向第二道次真应力-真应变曲线方向平移，如图真应变曲线方向平移，如图3.2的虚线部分所示，移至与第二道曲线部分重合。这里将平移线的虚线部分所示，移至与第二道曲线部分重合。这里将平移线（图中所示为虚线）与第一道次压缩实验卸载交点所对应的应力定（图中所示为虚线）与第一道
48、次压缩实验卸载交点所对应的应力定义为义为r，如下图所示。第二阶段变形中的流变应力主要随变形间隔，如下图所示。第二阶段变形中的流变应力主要随变形间隔时间和第一阶段的应变而变化。影响回复和静态再结晶动力学的冶时间和第一阶段的应变而变化。影响回复和静态再结晶动力学的冶金因素同样也会影响软化。静态再结晶软化率可以按照下式计算：金因素同样也会影响软化。静态再结晶软化率可以按照下式计算：53后插法：后插法：图图3.2 后插法测定静态再结晶率方法示意图后插法测定静态再结晶率方法示意图Strain,rm0Stress式中，式中，m为卸载时所对应应力，为卸载时所对应应力，0和和r分别为第一道次和第二道次热变形分
49、别为第一道次和第二道次热变形时的屈服应力。时的屈服应力。0mrmXs54补偿法：补偿法（补偿法（Off-set）简化了实验过程，在数据采集方面更加）简化了实验过程，在数据采集方面更加简单明了。具体方法：在真应变量坐标轴上取一点使其真简单明了。具体方法：在真应变量坐标轴上取一点使其真应变值为应变值为0.002（即（即0.2%），过这一点作一条直线，该直线），过这一点作一条直线，该直线与第一道次变形曲线的开始部分（即弹性变形阶段）平行，与第一道次变形曲线的开始部分（即弹性变形阶段）平行，直线与第一道次的真应力直线与第一道次的真应力-真应变曲线的交点即为第一道次真应变曲线的交点即为第一道次的屈服点的
50、屈服点0，同理，将第二道次的真应力，同理，将第二道次的真应力-真应变曲线延长，真应变曲线延长，直至与真应变量坐标轴相交，得到一个交点。在偏移该交直至与真应变量坐标轴相交，得到一个交点。在偏移该交点点0.002单位的真应变值的地方作一条直线，使其平行于第单位的真应变值的地方作一条直线，使其平行于第二道次的开始部分。直线与第二道次真应力二道次的开始部分。直线与第二道次真应力-真应变曲线的真应变曲线的的交点即为第二道次的屈服点的交点即为第二道次的屈服点r，第一道次的卸载点对应，第一道次的卸载点对应的真应力为的真应力为m。下图表示了应用补偿法采集。下图表示了应用补偿法采集0、r时的具时的具体操作方法。
