（材料加工工程专业论文）gh4169合金高温塑性变形行为及组织演变模型研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论 摘要 g h 4 1 6 9 合金是以体心四方的y 和面心立方，。的沉淀强化镍基变形高温合金。该合金 在一2 5 3 6 5 0 。c 下具有高强度、高疲劳性能和良好的塑性，因此被广泛应用于航空、航 天、核能和石油等领域。国内一般是通过水压机锻造和锤击锻造两种工艺生产这种材料 的涡轮盘一类的零件。在锤锻过程中工艺参数难以准确控制，锻件的冷模区中晶粒不均 匀，混晶现象严重。 本文在对g h 4 1 6 9 合金的热变形行为进行系统研究的基础上，建立了合金热变形过 程中的组织演化方程。主要包括下列几方面的研究成果和结论： ( 1 ) 设计了g h 4 1 6 9 合金的高温热模拟压缩试验，对平均应变速率误差、摩擦和 温度对应力的影响进行了修正，得到了g h 4 1 6 9 合金在高温下准确的真应力一真应 变曲线。采用a r r h e n i u s 双曲正弦函数模型，对修正后的真应力一真应变曲线进行 回归，求解了合金高温变形材料常数。采用该方程计算结果和实验结果吻合较好， 验证了方程的有效性。 ( 2 ) 基于动态材料模型d m m ( d y n a m i cm a t e r i a lm o d e l i n g ) ，采用p r a s a d 塑性失稳 准则计算塑性失稳区域，得到合金的热加工图。这为合金的成型工艺设计提供了有 利的依据。 ( 3 ) 研究了热变形参数对合金微观组织的影响，得出动态再结晶是g h 4 1 6 9 合金 热变形过程中主要软化机制。g h 4 1 6 9 合金高温压缩塑性变形过程中，动态再结晶量随 温度的升高及应变速率的降低，即随着z 值的降低而增加；随着变形程度的增大动态再 结晶的数量增加：随着晶粒尺寸的增大而减少。 ( 4 ) 建立了g h 4 1 6 9 合金固溶处理过程中晶粒长大模型，为合金固溶处理制度的 制定提供了依据。 ( 5 ) 建立了合金热变形过程中的动态再结晶模型和晶粒长大模型，对合金热加工 工艺的制定有指导意义。 关键词：g h 4 1 6 9 合金，高温变形，微观组织演化，模型 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg h 4 16 9 a l l o yi s ak i n go fn i c k e lb a s e a l l o y w i t l lt h ec o n f i g u r a t i o no f b o d y c e n t e r e dc u b ea n df a c e - c e n t e r e dc u b e ，w h i c hi ss t r e n g t h e n e db yd e p o s i t i n ga n d d e f o r m e di nh i 曲t e m p e r a t u r e t h ea l l o yh a sh i g hs t r e n g t h ，h i 【g hf a t i g u ep r o p e n ya n df i n e p l a s t i c i t y i nt h er a n g eo f - 3 2 5 , - 6 5 0 。c s oi ti sw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha s a e r o n a u t i c s ，a s t r o n a u t i c s ，n u c l e a re n e r g ya n dp e t r o l e u m i no u rc o u n t r y ，t h e r ea r et w ok i n d s o fm e t h o d o l o g yh y d r a u l i cf o r g i n ga n dh a m m e r i n gf o r g i n gt op r o d u c ec o m p o n e n t ss u c ha st h e t u r b i n eb e i n gu s i n gt h ea l l o ym a t e r i a l i ti sd i f f i c u l tt oc o n t r o lt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s a c c u r a t e l yi nb a m m e r i n gf o r g i n gp r o c e s s b e c a u s ei nc o l df o r g i n gm o d e la r e ao ff o r g e d p r o d u c t s ，t h ec r y s t a lp a r t i c l e si sn o te v e n ，a n dm i x e dc r y s t a lp h e n o m e n o ni sg r a v e b a s e do nt h es y s t e mr e s e a r c ho ft h ea l l o yh o td e f o r m a t i o n t l l i sp a p e rc o n s t i t u t et h e m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o ne q u a t i o nd u r i n gt h eh o td e f o r m a t i o n t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hr e s u l t s a n dc o n c l u s i o n sa r em a i n l yi n c l u d e d ： ( 1 ) i nt h i sp a p e r ，t h eh i g ht e m p e r a t u r et h e r m a ls i m u l a t i o nc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n to f g h 4 1 6 9i sd e s i g n e d ，t h ee f f e c to f t h ei n a c c u r a c yo f t h ea v e r a g es t r a i nr a t e ，t h ef r i c t i o na n dt h e t e m p e r a t u r et ot h es t r e s si sa m e n d e d ，t h ee x a c tt r u es t r e s s s t r a i nc u r v eo fg h 4 1 6 9i sg o t w i t h t h ea r r h e n i u sh y p e r b o l i cs i n u s o i d a lf u n c t i o nm o d e l ，t h et r u es t r e s s s t r a i nc u r v ea f t e r a m e n d m e n ti sr e g r e s s e d ；t h eh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nm a t e r i a lc o n s t a n ti ss o l v e d w 沛 t h i se q u a t i o n , t h ec a l c u l a t e dr e s u l ta g r e e dw e l l 们t l lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n dt h e r e f o r e v a l i d a t e st h ev a l i d i t yo f t h ee q u a t i o n ( 2 ) b a s e do nt h ed y n a m i cm a t e r i a lm o d e l i n g ，i n t r o d u c i n gp r a s a dp l a s t i ci n s t a b i l i t y c r i t e r i o nt oc a l c u l a t et h ep l a s t i ci n s t a b i l i t ya r e a , t h eh o tw o r k i n gc h a l tc a l lb eg o t t h i s p r o v i d e sa d v a n t a g e o u sp r i n c i p l ef o rt h em o l d i n gt e c h n o l o g i c a ld e s i g no ft h ea l l o y ， ( 3 ) t h ee f f e c to ft h eh o td e f o r m a t i o nt ot h ea l l o ym i c r o s t r u c t u r ei ss t u d i e d d y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o ni st h em a i ns o f t e n i n gm e c h a n i s m o fg h 4 1 6 9d u r i n gt h eh o td e f o r m a t i o n ，i n h i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o np r o c e s s ，t h eq u a n t i t yo ft h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ni n c r e a s e s w i t ht h er e d u c t i o no ft h es t r a i nr a t ea n dt h ei n c r e a s eo ft h ed e f o r m a t i o nd e g r e e ，a n di t d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e m e n to f t h eg r a i ns i z e ( 4 ) t h eg r a i ng r o w t hm o d e lo f g h 4 1 6 9d u r i n gt h ea l l o ys o l u t i o nt r e a t m e n tp r o c e s si s c o t l s t i m t e d w h i c hp r o v i d e saf o u n d a t i o nf o rt h ea l l o ys o l u t i o nt r e a t m e n tp r o c 。s s ( 5 ) t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nm o d e la n dt h eg r a i ng r o w t h m o d e ld u r i n gt h eh o t d e f o n n a t i o no ft h ea l l o ya r ec o n s t i t u t e d , w h i c hh a sg l l i d i n gm e a n i n gt ot h eh o tw o r k i n g t e c h n o l o g yo f t h ea l l o y k e yw o r d ：i n c o n e l7 18 ，h o td e f o r m a t i o n , m i c r o s t r u c t u r ee v o l v e m e n t ，m o d e l 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完 成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在本文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本文不包含任何其它个人或集体已经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在本文中以明确方 式表明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者：耙小弓v 日期：弘阳7 ；u 一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件或磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：栖小沙 日 期： 7 ；。6 - 指导教师签名： 沈当 日 期：乒。、7 ，7 ，矿 第1 章绪论 1 1 高温合金概述 1 1 1 高温合金定义 高温合金是指以f e ，n i 或c o 为基体，为承受较大的机械应力和要求具有良好表 面稳定性的环境下，进行高温服役而专门研制的一类合金，一般要求在6 0 0 以上的 环境中的高温抗氧化性和高温抗腐蚀性，并能在一定应力下长期工作【l 】。 按照不同的标准可将其分为以下几类2 j ： ( 1 ) 按合金成分可以分为：铁基、镍基和锆基高温合金； ( 2 ) 按强化方式可分为：固溶强化、第二相强化和晶界强化高温合金； ( 3 ) 按生产工艺可分为：变形、铸造、粉末冶金和机械合金化高温合金。 1 1 2 高温合金的发展及应用 高温合金在美国的发展开始于本世纪三十年代，主要是由于在飞机发动机涡轮增 压器中需要而发展的。自四十年代初期，由于迫切要求先进燃气涡轮发动机的技术， 而使高温合金得到了发展 3 1 。 对高温冶金性能要求，总的来说必须具有良好的热稳定性、热强性和使用条件下 的长期组织的稳定性。因此，必须根据不同的使用要求，合理选择。高温合金的强化 途径有固溶强化，时效沉淀强化和晶界强化，此外还有氧化物和弥散强化。所用的强 化元素一般有铝，钛，铌，碳，钨，钼，钽，钻、锆等。这些元素中，有的起一种作 用，有的起多种作用。对某一合金来说，有的单以固溶强化，有的以固溶强化与时效 沉淀强化相结合，或者以三种强化途径都有。 高温合金性能主要取决于合金成分和组织结构。组织中特别重要的是析出相的结 构、类型、大小，形状、数量和分布等情况。在铁基，镍基高温合金中常见的析出相 有金属间化合物、碳化物和硼化物。随着国防和国民经济的需要，近年来还发展了一 些新合金和新工艺。有的已投入使用，有的尚在进行试验研究，如粉末高温合金盘可 以大幅度提高屈服强度，疲劳强度和使用可靠性；用氧化物质点弥散强化和时效强化 沈阳理1 ：大学硕士学位论文 相结合的高温合金，提供了较高的高温强度和较好的中、低温性能。另外还发展冷却 技术新工艺和新的材料如发散冷却叶片等【4 】。 1 1 3 高温合金的塑性成形特点 高温合金特有的合金成份和微观组织结构决定了其热加工成形工艺有别于其它 普通材料。同其它类型材料相比，具有如下成形特点【5 】： ( 1 ) 塑性低。高温合金由于合金化程度很高。因此工艺塑性较低。特别是在高温 下具有组织的多相性且相成份含有s ，、p b 、s n 等杂质元素，往往削弱了晶粒问的结合 力而引起塑性降低。另外，高温合金的工艺性对变形速度和应力状态很敏感； ( 2 ) 变形抗力大。由于高温合金成分复杂，再结晶温度高，在变形温度下具有较 高的变形抗力和硬化倾向。变形抗力为普通结构钢的4 7 倍；并且随着温度的降低其 硬化系数比普通钢高很多。 ( 3 ) 热加工温度范围窄。高温合金与钢相比，熔点低，这是因为高温合金中加入 了较多的合金元素。另一方面，高温合金的再结晶温度较高，为了得到均匀的晶粒组 织应在再结晶温度以上进行热加工。因此高温合金可进行的热加工的温度范围是比较 小的。由于热加工范围窄，温度控制较难，温度过高产生过热或过烧等缺陷；温度过 低容易产生裂纹或混晶现象。 ( 4 ) 导热性差：高温合金低温的导热系数较碳钢低得多。高温合金在室温升到 7 0 0 8 0 0 c 具有较小的导热系数，所以它的加热方式应缓慢加热到7 0 0 8 0 0 ，然后 在以较快的速度加热到压力加工温度，否则，如果升温过快，会产生较大的热应力， 使加热金属处于脆性状态； ( 5 ) 没有相变和重结晶。高温合金的机体是从低温到高温的奥氏体组织，在加热 过程中不产生多晶转变和相的重结晶，一旦形成粗大的组织后不能用相变重结晶的方 法进行改善。因此加工再结晶对变形高温合金的显微组织影响甚大，因此高温合金变 形工艺参数的选择十分重要。 由上可见，高温合金的锻造性能与合金结构钢截然不同，主要是在低温区导热性 差；在高温下的变形抗力大，工艺塑性差；锻造温度范围窄。同时，锻造工艺对高温 合金的使用性能影响较大，它们的晶粒不能靠热处理来细化，主要通过锻造工艺来控 2 制。 1 2g h 4 16 9 合金简介 g h 4 1 6 9 合金属于镍基变形高温合金。镍基合金是一种最复杂的合金，它被广泛 地用于制造各种高温部件。同时，也是所有高温合金中最为注目的一种合金。它的相 对使用温度在所有普通合金系中也是最高的。目前，在先进的飞机发动机中这种合金 的比重占5 0 以上【3 1 。 g h 4 1 6 9 合金( 相当于美国合金牌号i n c o n e l7 1 8 ) 是由国际镍公司亨廷顿分公司的 e i s e l s t e i n 研制成功，于1 9 5 9 年公开介绍的时效硬化镍铬铁基变形合金。合金是以 体心四方相和面心立方，7 相为沉淀强化的一种镍基变形高温合金，在6 5 0 c 以下具 有高的抗拉强度、屈服强度和良好的塑性，同时具有良好的抗腐蚀、抗辐射能、疲劳、 断裂韧性等综合性能，以及满意的焊接和成型性能等。合金在2 5 3 6 5 0 很宽的温 度范围内组织性能稳定，成为在深冷和高温条件下用途极广的高温合金【6 。 1 2 1g h 4 16 9 合金显微组织对其性能的影响 高温合金g h 4 1 6 9 的性能取决于合金的显微组织，关于其组织与性能的关系己有 很多研列舡“1 同的加工过程和不同的热处理制度下可获得很多种显微组织。主要考虑 的显微组织参数有奥氏体晶粒尺寸、万相析出的形貌分布和数量以及，和y 。相的形貌 尺寸和数量。 下面具体分析这些参数对于g h 4 1 6 9 合金拉伸性能和疲劳性能的影响。 ( 1 ) 各显微组织参数对于g h 4 1 6 9 合金拉伸性能的影响 奥氏体晶粒尺寸和g h 4 1 6 9 合金强度的关系符合h a l l - p e t c h 公式，即 t l r ，= t r o + k d 一1 7 2 式中：盯屈服强度，m p a ； c r 0 常数，( m p a ) ； 七比例常数； 由上式可以看出，晶粒细化有助于g h 4 1 6 9 合金屈服应力的提高；在奥氏体状态 和尺寸下，预析出的万相降低屈服强度，对抗拉强度没有影响；随着相尺寸的增加， 沈阳理丁大学硕士学位论文 g h 4 1 6 9 合金屈服强度降低，同时应变硬化指数也下降。 ( 2 ) 各显微组织参数对于g h 4 1 6 9 合金低周疲劳性能的影响 奥氏体晶粒尺寸是影响g h 4 1 6 9 合金疲劳性能的主要因素，尺寸越小，低周疲劳 寿命越长，例如在涡轮盘的生产中，由于低周疲劳是涡轮盘的一个主要性能指标，因 此对奥氏体晶粒尺寸要求很严格；在奥氏体状态和尺寸一定的情况下，占相对低周疲 劳性能没有影响，j 相的作用在于热加工过程中影响奥氏体的状态和尺寸，从而直接 影响疲劳性能。 由以上g h 4 1 6 9 合金组织与性能的关系我们可以发现，g h 4 1 6 9 合金在晶粒细化的 情况下，可显著提高其屈服强度和疲劳性能。为此，在生产中我们应优化工艺从而使 g h 4 1 6 9 合金锻件内部组织均匀而细小，以提高产品的综合性能。 1 2 2g h 4 1 6 9 合金的发展、研究现状 g h 4 1 6 9 高温合金在航空、航天、能源、化工等工业部门获得了广泛的应用。在 航空航天领域主要应用于航空、导弹发动机的压气机盘，涡轮盘、机匣、压气机叶片、 紧固件等部件中。在现代航空发动机制造工业中，g h 4 1 6 9 占有举足轻重的地位，被 称为高温合金性能之王【1 2 1 它航空发动机中的用量占高温合金总用量的4 0 以上，同时 g h 4 1 6 9 的产量占变形镍基高温合金总产量的4 5 以上，占高温合金总产量的3 5 左右 【l3 1 。 随着航空发动机设计和性能水平的提高。发动机零部件也提高了不同要求，对 g h 4 1 6 9 合金使用性能的要求也越来越高。根据需要，这一类型合金从成分到工艺、 组织和性能等方面均不断改进完善。 我国于7 0 年代开始研制g h 4 1 6 9 合金，主要使用对象为盘件，直径3 0 0 m m 以下， 使用时间较短，因此主要采用真空感应加电渣重溶的双联工艺，材质为普通g h 4 1 6 9 舍金。材料除圆饼锻件外。还有棒材和板材。八十年代开始了在航空领域的应用研究 工作，将提高和改进材料质量、提高合金的应用性能和保证航空零件的使用可靠性作 为主要方向【l o 】。 目前g h 4 1 6 9 合金的主要研究方向为： 4 ( 1 ) 改进冶炼工艺。严格控制冶炼参数，实现计算机程序稳定控制，使合金显 微组织更为均匀，从而得到优良的屈服和疲劳强度以及抗裂纹扩展抗力，提高低周疲 劳强度，消除偏析和夹杂等； ( 2 ) 改进热处理工艺。目前采用的热处理工艺不能消除在钢锭中心的偏析，对 随后组织的均匀性有很大影响，因此采用合理的均匀化退火工艺，使钢锭均匀化。另 外得到细晶坯料也是现在的主要研究方向； ( 3 ) 改进设计。由于g h 4 1 6 9 合金的使用温度必须控制在6 5 0 以下，因此应 加强零部件的冷却，充分发挥g h 4 1 6 9 高温合金的高性能、低成本等特点： ( 4 ) 提高组织性能。由于航空发动机，特别是地面燃气轮机部件长寿命的要求， 对于提高g h 4 1 6 9 合金长期时效组织稳定性方面也是很重要的。 1 3 金属高温塑性变形行为研究概论 1 3 1 金属高温塑性变形行为的研究内容 1 3 1 1z e n e r - h o li o m n 参数的引入 金属和合金的热加工变形和高温蠕变一样都是一个受热激活控制的过程，其热变 形行为可用稳态变形阶段的应变速率i 、温度t 和流变应力盯之间的关系来进行描述 【1 5 2 0 l 对不同材料高温塑性变形的研究发现，在低应力水平下稳态流变应力盯和应变速 率i 之间的关系可用指数关系进行描斟1 51 6 1 。 舌= a ，盯1( 1 - 1 ) 式中： 舌应变速率，s ； 仃真应力，m p a ； 一。，l i 与变形温度无关的常数； 高应力水平下两者满足幂指数关系2 1 - 2 4 】 毒= a 2e x p ( f l o ) ( 1 - 2 ) 式中：a 2 ，口与变形温度无关的常数。 沈阳理工大学硕士学位论文 s e l l a r s 和t a g a r t 通过进一步研究，提出了一种包含变形激活能q 和温度t 的双 曲线正弦形式的修正a r r h e n i u s 关系来描述这种热激活稳态交形行为皿卜2 2 】 叠= 鲥s m ( 们) 】ne x p ( 一导) ( 1 - 3 ) 式中：以、口、n 与温度无关的常数， r _ 一为气体常数， t 温度，k ； 比较式( 1 1 ) 式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 可以发现，在低应力水平下( 们。 1 2 ) 时则接近式( 1 2 ) 的幂指数关系。其中 口、满足口= 疗关系。众多研究【2 1 。卅表明，式( 1 3 ) 能较好的描述常规的热加工变 形。 变形温度和变形速率对变形的影响，可由温度补偿应变速率z e n e r - - - h o l l o m o n 参 数z 来综合表示【t 6 2 0 ) 。 z = 叠e d 导) = 一【s i n n ”) 】( 1 - 4 ， 式中：a 结构因子； n 应力指数： q 变形激活能，j m o l ： 这四个参数均属于高温变形时的材料常数。尽管z 参数最初是在室温和低温条 件下提出来的，但现在己开始广泛应用于高温变形情况。 1 3 1 2 流变应力 流变应力是表征材料塑性变形性能的一个最基本量。在实际塑性变形过程中，材 料的流变应力值决定了变形时所需施加的载荷大小和所需消耗的能量多少。因此，材 料在塑性加工时的流变应力大小不但是进行设备选型及校核的依据，也是进行模具与 有关装置设计的基本前提。而且，流变应力的变化在一定程度上反映了材料微观组织 的变化。 6 在实际塑性加工变形过程中，材料的流变应力主要与变形温度r 变形程度占和变 形速率i 有关，另外，还与材料成分，晶粒尺寸，热处理制度以及变形历史等其它条 件有关。即： 盯= f ( e ，叠，t ，c ) ( 1 - 5 ) c 代表除占，亡和t 以外的其他条件。在实际变形过程中，c 一般保持不变，通常忽 略其影响，则上式改为 盯= ( s ，叠，t ) ( 1 - 6 ) 在冷加工和温加工条件下，材料变形时遵从以下应力应变一应变速率关系田i 。 d = b ，s n e m( i - 1 ) 式中见删胃拉压实验中的塑性魑为真峨n _ ( 器卜应变硬惴 数，m = l o a l l o 。g g c 舌r 。j 为应变速率敏感系数。a v i s 和n a d a i 首先采用该式研究了金属 的蠕变行为【2 i 】，它还可用于分析板料成形极限口“、扭转试验条件下单向剪切应力t 和剪切应变，间的关系圈。 温度对材料流变应力的影响无疑是很重要的，因此应在上式中引入温度项幽。 z u z i n 等人研究不同温度下钢镦粗变形时采用幂指数温度项来描述温度对流变应力的 影响，即 盯= 一占”占1e x “由五) ( 1 8 ) 然而，式( 1 7 ) 形式的流变应力方程中都忽略了一个很重要的因素，即n 和m 均随变形温度的变化而变化。因此，它们实际上也只能是温度变化较小时的一种近似 关系。为解决这一问题，k l e p a c z k o 提出了一种更为可靠的含温度项的方程： 仃= b ( t ) c ”( 7 毒”( 7 ( 1 9 ) 式中盯仞和册f 矽均为温度r 的函数，研刀为塑性模量。通常仃仞随温度升高而降低， 曰仞随温度升高而增大，历回随温度的变化与研了= ) 相似。但b t r ) ，h 和所门i ) 函数关 系只能从大量的实验数据中获得。 沈阳理1 二大学硕士学位论文 求出材料在高温塑性变形时的流变应力与变形温度、应变速率、应变之问的相互 关系后，即可以得到其高温变形流变应力变化规律。 1 3 ，1 3 变形过程中硬化软化的微观机理 金属材料在高温奥氏体状态下变形时，随着变形量的增大，加工硬化过程和高温 动态软化过程( 动态回复和再结晶) 同时进行，图1 1 为金属热变形时典型真应力一真 应变曲线。该曲线由三个阶段组成i 卅：硬化占主导地位的第一阶段、软化占主导地位 的第二阶段和应力一应变曲线基本平稳的第三阶段。应变小于s 的曲线段为第一阶 段，即流动应力上升阶段，加工硬化占主导地位；应变大于占。而小于占，的曲线段为 第二阶段，即流动应力下降阶段，动态软化占主导地位；应变大于g ，的曲线段为第 三阶段，即应力处于平稳阶段。 图1 1 奥氏体热加工时的真应力一应变曲线 第一阶段是加工硬化占主导地位的阶段，这个阶段的特征是随着应变量的增加， 应力值逐渐增加，然后达到最大值。在这个过程中，塑性变形使位错密度不断增加， 从而使变形抗力不断提高；同时，材料在高温下变形时，内部位错以交滑移和攀移的 方式运动，使部分位错消失或部分重新排列，形成奥氏体的回复。当位错密度的重新 排列发展到一定程度时，晶粒组织发生多边形化。奥氏体的回复和多边形化都能使材 料软化，随着变形累积位错的消失速度增加，反映在应力应变曲线上，即随着变形的 发展屈服应力增加趋势减缓，直到应力值达到最大值，形成硬化阶段。 8 7自r谢褥糖 绪论 第二阶段为图i i 曲线的下降阶段。在这个阶段中，随着变形量的增加金属内部 畸变能不断升高，达到一定的程度后发生动态再结晶。动态再结晶的发生与发展使得 更多的位错消失，材料的变形抗力迅速下降，随着变形过程继续进行，不断形成再结 晶核心，直到动态再结晶。从动态再结晶开始到结束，变形抗力不断下降，形成了应 力应变曲线的软化阶段。发生动态再结晶所必需的最低应变称为l 临界应变，用f ，来表 示，最大应力对应的应变为峰值应变，用占。来表示，完成动态再结晶的应变用，表 示，它们都是热变形工艺参数的函数。 第三阶段即图1 1 中的平直阶段，在这个阶段，动态再结晶引起的软化和加工硬 化形成了动态平衡，屈服应力保持恒定值。动态再结晶完成后，位错畸变能随之得以 释放。但是随着变形的继续，动态再结晶继续发展，同时动态再结晶后的晶粒又承受 了新的变形，这两个过程同时进行，因此就整个奥氏体来说，在任意时刻，金属内部 总存在着有效变形量( 残余变形量) ，即动态再结晶的发生不能完全消除奥氏体的加 工硬化。由于上述原因，奥氏体动态再结晶中晶粒尺寸不均匀，动态再结晶的平均晶 粒尺寸可由加工工艺参数z 值来决定。 热变形时发生动态软化是由于在变形过程中发生了回复和再结晶。回复和再结晶 的过程会在金属的热变形过程中同时出现。回复与再结晶都是热激活过程，一般来讲 一n 这些过程进行的速度与e x p ( 意) 成正比。其中q 为相应的激活能。也就是说温度的 线性变化，对应着速度的指数变化。所以温度的改变会对回复与再结晶过程产生很大 影响。 i 3 。1 4 动态回复 动态回复机制主要是指基于高温塑性变形过程中位错的产生、滑移和相互销毁的 速率控制机制，材料高温稳态变形时出现的软化主要由位错的相互销毁和重排提供， 但位错相消过程本身不是固定不变的，而是异号位错之间反复销毁的过程。通常，塑 性变形过程中位错的产生，滑动和相互销毁可用控制理论予以描述，如割阶化螺型位 错理论口5 1 和回复蠕变理论等 2 6 1 。 9 沈阳理工大学硕士学位论文 对于控制应变速率的变形来讲，如压缩、扭转和挤压等，当应变速率增大时， 材料内部位错交滑移和攀移速率也增加，动态回复速率增大。因此，至少在一定温度 范围内，稳态变形也是受位错的相消过程所控制的。控制过程的本质和速率决定了材 料塑性变形时的软化程度，也决定了稳态变形时的具体动态回复机制。 高温塑性变形过程中的动态回复机制主要包括：1 ) 刃型位错攀移；2 ) 滑动螺型位 错上刃型割阶的非守恒运动；3 ) 被点缺陷钉轧的位错的脱钉及三维位错网络的脱缠： 4 ) 螺型位错的交滑移等2 7 1 。这些模型都是在对金属与合金高温蠕变行为研究的基础上 提出的。而动态回复条件下的蠕变和热加工变形在显微组织变化，应变速率的流变应 力和温度相关性等方面都极为相似。因而这些模型应该同样可用于解释材料热加工条 件下的回复行为。 1 3 1 5 动态再结晶 材料在高温变形时，在适当的变形条件下( 变形温度、应变速率、变形程度等) ， 将发生再结晶形核和晶核长大，这个过程称为动态再结晶。动态再结晶主要发生在层 错能低的金属中，这类合金容易产生层错，扩展位错带较宽，位错的交滑移和攀移比 较困难，不易产生动态回复，因而在热加工过程中，会局部积累足够高的位错密度， 从而导致发生动态再结晶眺2 9 。 动态再结晶理论有三种：唯象理论、改进理论和位错机制。唯象理论是在金属镍 扭转实验的基础上提出来1 3 0 。设热变形量达临界值后发生动态再结晶，而且 动态再结晶晶粒变形后可再次发生动态再结晶。同时设动态再结晶过程符合静态再 结晶的规律。这个理论虽然在一定程度上解释了动态再结晶过程，但它仍有很大局限 性。即当岛c 时，唯象理论把加工硬化和再结晶看成两个互相独立的事件，因此 流变应力曲线可以无限等幅抖动下去。而实际观察结果却是抖动不断衰减，通常衰减 2 至8 个周期后就看不到抖动现象了其次这里流变应力曲线抖动周期只与丘有关，而 实际上应与岛也有关。另外，根据唯象理论计算出来的流变应力曲线上的峰位、蜂 值及平稳值等都与许多实测值不尽相符，因此不断有人设法改进唯象理论。 针对唯象理论的不足，人们提出一些改进设想【3 2 1 ，例如，某周期动态再结晶所需 l o 要临界应变明显比前一周期动态再结晶所需的临界应变小。金属基体内某些特殊区 域内的再结晶应变明显低于宏观的再结晶应变乞。某周期的再结晶品粒之内进行 了下一周期的再结晶，则这部分晶粒将以两种不同的方式进行再下一周期的再结晶。 也就是说金属基体内各处并个是同步发生动态再结晶，不同部位在同一时刻可能处于 不同的再结晶阶段。 施迪沃( s t u w e ) 等a t ”1 提出了以位错密度为基础的理论模型。模型中假设热变形 金属的位错密度达到一定临界值成后就会造成动态再结晶。这时再结晶晶粒以速度v 生长并消耗掉变形组织中的位错密度。由于不断的变形，使再结晶晶粒内的位错密度 以p 的速度增长。在再结晶晶粒生长到再结晶结束时的终了尺寸“之前，再结晶晶 粒内的位错密度是否达到了成并引起下一周期的动态再结晶决定了流变应力曲线的 形状。如果再结晶晶粒尺寸达到靠之前晶粒内的位错密度也达到成，则不同的再结 晶过程互相叠加，至连续动态再结晶性质，流变应力曲线具有一个最大峰值；反之， 再结晶品粒尺寸生长到靠，然后晶内位错密度才达到见。这样各再结晶过程互相独 立，呈周期性动态再结晶，流变应力曲线表现出周期性的抖动。 由于材料中发生动态再结晶时仍处于变形阶段，新晶粒在其有限长大的同时仍承 受应变。材料内部应变能在零值到临界值内连续变化，不同亚晶内的位错密度也存在 差异。正是这种位错亚结构使流变应力始终稳定在静态屈服应力和峰值应力水平之间 的某一值附近。己再结晶晶粒内丰富的位错亚结构与静态再结晶晶粒中极低的位错密 度形成鲜明的对比，是发生动态再结晶的有力证据。 变形后快速冷却冻结高温变形组织，可研究g h 4 1 6 9 合金变形时的动态回复和动 态再结晶行为，这有助于人们根据具体产品的组织和性能的要求制定和优化加工工艺 参数。 1 3 2 金属高温塑性变形行为的研究方法 研究材料高温力学行为时通常要借助一些基本的实验方法 3 4 - 3 6 1 。常用的实验方 法主要有三种，即拉伸、压缩和扭转等。在很多重要的金属成形工艺( 包括$ l n 、挤 沈阳理工大学硕士学位论文 压、拉拔和锻造等) 的优化设计和实施之前，均要事先借助这些基本的实验方法对材 料在不同变形条件下的塑性变形进行实验模拟，以便了解其高温变形力学行为。同时， 采用这些基本实验方法还有助于从事塑性加工成形的工作者在对新材料进行开发、研 制和分类时，建立起有关材料的高温塑性变形特征和成形性能的指标。用这些基本方 法所测得的应力一应变关系数据对于分析材料在实际变形过程中的塑性变形行为及 探明其变形的本质都大有帮助。这三种方法各有其优缺点，适合于不同变形过程的实 验模拟研究。 拉伸实验常用于模拟拉拔和挤压变形。拉伸流变应力与挤压时的压力极限能力直 接相关，它对评价摩擦效应、模具的负荷和寿命、变形温升效应等也有很多用途。断 面收缩率则反映了材料在简单应力状态下的真实高温塑性。拉伸实验的缺点在于；1 ) 在常规拉伸设备上，其应变速率范围较小。平均等效应变速率随拉伸颈缩现象的出现 而出现异常升高，使流变应力值出现相应的异常变化，从而难以精确评价应变及流变 速率对流变应力的影响；2 ) 出现颈缩时，对应的应变值通常大大低于工程上热加工相 应的应变值；3 ) 变形条件和组织、性能问的关系以及变形和软化机制的研究难度因颈 缩区出现而增大。 扭转实验可在恒应变速率和大应变范围内变形而不失稳，变形时无静水压力，也 没有几何软化。它被广泛地用于测量大应变条件下材料的流变应力和成形性。这一方 法的另一个特点是变形被限制在样品标矩尺寸范围内，且沿轴向保持均匀分布的应变 速率和扭转应变量，样品无明显的形状变化，也不会出现腰鼓和颈缩等不均匀失稳变 形现象。该方法的不足之处包括：其一是，变形时应力、应变和应变速率沿半径方向 成线性变化，这使得实验数据的解释要困难和复杂一些；其二是，固定端扭转时需对 样品施加一轴向较小的载荷，以平衡由于材料扭转时织构的发展变化和各向异性1 6 1 的出现而引起的样品尺寸变化，样品的应力状态将变得复杂化。 压缩实验按应变类型可分为轴对称压缩和平面应变压缩等，按温度变化情况可分 为等温压缩和非等温压缩。平面应变压缩适合于模拟板材热轧和各向同性材料的变 形。但由于存在外端的影响，流变应力值比实际值偏高，摩擦与侧伸条件的不确定和 几何软化现象的出现等使其不太适合热变形应力应变关系的研究【2 1 捌。轴对称等温压 缩常用来模拟挤压和锻造过程。其特点在于可直接在较大应变速率范围内测定材料在 热变形时的真应力一真应变关系。它对应变速率敏感材料和应变速率不敏感材料均适 用。但由于工件和模具之间存在接触摩擦，应变值超过一定值以后，样品会出现不均 匀变形现象，破坏成形性的真实性 1 6 - 1 7 】。不过，这一问题可通过改善润滑条件予以解 决。 本论文采用在g l e e b l e 3 5 0 0 热力模拟试验机上进行轴对称等温压缩试验来研究 g h 4 1 6 9 合金高温塑性变形行为，为工程上该合金的高温加工研究提供依据。 1 3 3 金属高温塑- 眭变形行为的研究现状 金属塑性变形的流变应力是应力一应变分析、工艺制定、设备选型及校核乃至组 织性能预测的基本参数之一。在温度及应变速率为常数的条件下，变形材料的应力一 应变关系可通过实验来获得。但在实际生产条件下，由于温度和应变速率不断变化， 金属塑性变形组织、结构变化也很复杂，导致各种变形条件对流变应力的影响难以用 理论进行解析。这说明了进行金属高温塑性变形行为研究的必要性和艰巨性。 近年来，在金属高温塑性变形行为的研究领域，毛萍莉等采用热压缩实验研究了 铸态1 8 8 型奥氏体不锈钢的热变形行为，获得了在热变形条件下不锈钢的热变形方 程式及其它热变形参数。比较了铸态与锻态奥氏体不锈钢的热变形行为【3 7 1 。s e n u m a a 及其合作者们研究分析了在2 15 0 s 的应变速率条件下6 0 0 8 5 0 c 的温度范围内，纯 钛和碳素钢的流变应力，结果发现它是应变硬化和动态回复软化综合作用的结果。朱 伟等研究了7 0 7 5 铝合金厚板预拉伸量与时效工艺对淬火残余应力大小及规律的影响 哪l 。l i n o 和w a g o n e r 建立了一个本构方程来描述应变，应变率和温度对钢拉伸强度( 流 变应力) 的影响，此方程是通过拟合流动曲线获得的，拟合系数则采用多参数非线性 最小二乘法获得【3 们。k o b a y a s h i 和d o d d 提出了一个考虑了温度软化的方程 4 0 l 。 t a n i m u f a 和l s h i k a w a 提出了一个适用于较大应变率范围的弹粘塑性本构方程。r a o 及其合作者最初曾建立并验证了在等温恒应变速率条件下流变应力的方程1 4 1 】。 近年来，材料研究者对高温塑性变形条件下的动态回复和再结晶过程的研究成为 金属塑性变形领域的重要课题。万菊林等研究了a 1 c u m g z n c r 合金热扭转变形中 沈阳理亡大学硕士学位论文 连续动态再结晶机理，结果表明，连续动态再结晶是该材料在高温慢速预变形中晶粒 细化的主要机$ 1 j 4 2 。路贵民等研究了液相线半连续铸造7 0 7 5 铝合金半固态组织的演 变。阐明液相线铸造7 0 7 5 铝合金在相同加热温度下，随保温时间的延长，晶粒尺寸 与球化倾向增加【4 3 j 。沈健等人利用g l e e b l e 一1 5 0 0 型热压缩模拟试验机研究了 a l z n m g 合金高温变形的显微组织演变行为，建立了熟变形条件与变形亚晶尺寸间 关系的半经验模型】。刘文娟等人利用g l e e b l e 1 5 0 0 型热压缩模拟试验机研究了 a l _ 8 4 z n _ 2 2 m g2 4 c u 合金高温塑性变形行为，分析了变形参数对流动应力及显微组 织地影响，建立了a i8 4 z n2 2 m g 合金的本构方程口51。_24cu 1 4 热塑成型过程中微观组织的控制 1 4 1 产品性能与微观组织、晶粒尺寸的关系 通常晶粒细化可以提高金属材料的屈服强度、疲劳强度、塑性和冲击韧性，降低 其脆性转变温度。晶粒越细小，不同取向的晶粒就越多，晶界的总长度就越长，位错 移动阻力就越大，因而提高了强度和韧性，同时也减轻了晶界的腐蚀程度，增加了抗 腐蚀性，使金属组织结构达到稳定状态【蚓。 1 4 2 微观组织晶粒度控制途径 金属材料在热冷却过程中，可以通过相变过程，使原始粗大奥氏体晶粒组织得以 细化，这是金属材料相变重结晶细化晶粒的作用。但是，奥氏体晶粒的大小直接影响 到冷却后晶粒的大小。通常，奥氏体晶粒细小，冷却后的晶粒组织也细小，当奥氏体 晶粒粗大时，同样冷却条件下则会生成粗大的奥氏体晶粒，包括位向、大小和形状。 也就是说，虽然发生了相变重结晶，但未发生组织重结晶。 塑性加工则是利用高温下的塑性变形，一方面产生机械破碎作用，消除初生粗大 树枝状晶粒组织，改善铸态组织：另一方面则产生形变再结晶过程，原租大奥氏体晶 界重新生核、长大，使之得以细化，主要影响因素为变形量、变形温度、变形速度以 及冷却规范等，合理控制热力参数，便会得到符合要求的微观晶粒组织。形交热处 理则是将形变与相变、再结晶与重结晶相结合的一种晶粒细化方式。在锻造、轧制、 挤压、拉拔等不同的形变方式下，可采用各种相变类型，并且可以先形变后相变或先 相变后形变等各种变换，以达到细化晶粒的目的。形变再结晶和相变