2、钢的奥氏体形变与再结晶

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。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，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。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。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)。,热加工中的软化过程分为:（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。,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、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，根据这两个过程的平衡状况来决定材料的变形应力。,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。金属发生塑性变形，位错密度不断增加，产生加工硬化，造成应力不断增加达到峰值。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硬化发生，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。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，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-应变曲线上是随着变形量的增大，应力值趋于一定值。,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)(+)两相区控轧,第二阶段：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。动态再结晶的发生与发展使更多的位错消失，材料的变形应力很快下降。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，金属材料的变形应力仍然高于原始状态的变形应力。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形量，以c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，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的一种好方法。c0.83pp真应力-真应变曲线上应力峰值p所对应的应变量p的大小与钢的奥氏体成分和变形条件（温度、速度）有关。,Z为温度补偿变形速率因子，可表示和的各种组合。,当变形温度愈低、变形速率愈大时，Z值变大，即p、s大，动态再结晶开始的变形量c和动态再结晶完成的变形量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。,A：常数Q：变形活化能R：气体常数T：绝对温度,（1）变形速率不变时，同一应变条件下，变形温度越高，所对应的真应力越低（2）变形温度不变时，同一应变条件下，变形速率越低，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（3）相同变形温度、速度条件下，随应变的增加，曲线呈现由高变低并逐渐趋于稳定的形态,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,钢材热变形时的应力应变曲线规律,（3）第三阶段：当第一轮动态再结晶完成以后，将出现两种情况，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）。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形量用r表示，r可能大于c，也可能小于c。当cr时发生间断动态再结晶。,工艺参数（温度和速率）对c、r都有影响，只是对r的影响比对c的影响大。当高或低时，cr，出现非稳态变形，间断动态再结晶；当低或高时，cr，出现稳态变形，连续动态再结晶。,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，有二种理论，即亚晶长大形核机制及晶界突出形核机制。,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,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:变形初期的加工硬化部分再结晶阶段全部再结晶阶段,动态再结晶组织演化（HQ685，1050，1s-1）,变形条件:1100+2.5min,10/s冷却到850,应变速率10s-1,变形后立即水淬,苦味酸腐蚀a-变形量15%;b-变形量30%;c-变形量45%;d-变形量60%;,不同变形量与奥氏体微观组织,不同变形温度与奥氏体微观组织,变形条件:1100+2.5min,10/s冷却到变形温度,60%变形,应变速率15s-1,变形后立即水淬,苦味酸腐蚀a-变形温度1050;b-变形温度900,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部分动态再结晶无峰和具有上升趋势的动态回复形变诱导相变.,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,可使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、未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,2.2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，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，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，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，这个自发的过程就是静态回复和静态再结晶。,2）软化百分数：,当x=1时表示加工硬化完全消除；当x=0时表示奥氏体没有任何软化；当x=01时表示发生了不同程度的回复和再结晶。,y：奥氏体的屈服应力1：达到变形量1的应力y：变形后保温一定时间后再次发生塑性变形时的应力,热加工过程中所形成的不稳定组织，在热加工的间隙时间里或加工后的缓冷过程中将继续发生静态软化。以右图所示0.68C钢，780对应不同应变值变形后保温不同时间的软化规律如下：(a)当变形量远小于静态再结晶的临界变形量时，加工硬化组织不能完全消除软化过程为：静态回复(b)当变形量大于静态而小于动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：静态回复静态再结晶(c)当变形量刚超过动态再结晶的临界变形量时，软化过程为：静态回复亚动态再结晶静态再结晶(d)当变形量达到动态再结晶稳定阶段的变形量时，软化过程为：静态回复亚动态再结晶,热变形后的静态软化,再结晶软化曲线示例,Q235钢静态再结晶软化率与道次间隔时间的关系,含铌Q345钢静态再结晶软化率与道次间隔时间的关系,软化率曲线,图1：含Nb钢不同温度下变形后的软化率曲线(prestrain:0.2,strainrate:1/s),图2：变形温度为950时经不同预应变后的软化率曲线(strainrate1/s),16MnNbR道次间软化率与道次间隔时间的关系,16MnNbR道次间软化率与变形量的关系,应变速率增加到一定临界值后，完全可以使奥氏体不发生再结晶，其变形条件是轧制速度的提高、应变速率的加大和道次间隔时间的缩短。,普碳钢235形变奥氏体再结晶未再结晶图（850变形后保温1s水淬）-再结晶区;-部分再结晶区;-未再结晶区,静态软化的各个区域与变形量之间的关系,从热力学的角度，动态回复的组织是不稳定的，在变形后的高温保持过程中会因为静态回复而发生变化。静态回复（软化）受热加工变形量的影响，可分为三个过程：静态回复静态再结晶亚动态再结晶,变形量与三种静态软化类型的关系,a,b,c,d,静态再结晶,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（a）；变形时，随着变形量增大，晶粒伸长（b），在各个伸长的晶粒内部因蓄积了由位错而引起的应变能；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（d）；再结晶结束后，晶粒借助热能长大,静态再结晶组织演变，N3钢，950变形(a)10s(XSRX=0.208)，(b)20s(XSRX=0.312)，(c)100s(XSRX=0.325)，(d)400s(XSRX=0.515),左图所示为N3钢于950变形后分别保温至10s、20s、100s及400s的奥氏体的显微组织。上图(a)、(b)、(c)和(d)中实测的静态再结晶分数(XSRX)分别为0.208、0.312、0.325和0.515。由图上还可以看出，静态再结晶初期，形核主要发生于晶界上，随着再结晶过程的进行，晶内变形带处也开始形核，这是由于这些位置形变储存能相对较高的缘故。此外，在静态再结晶初期和前期，再结晶晶粒的分布明显呈现出不均匀和局部化的特征，说明再结晶的形核并不满足位置饱和。,2.3动态再结晶的控制2.3.1动态再结晶发生的条件1）动态再结晶能否发生，要由Z和；2）Z愈小（即T愈高）则愈易发生动态再结晶，再结晶临界变形量就愈小；3）Z一定时，D0（初始晶粒尺寸）愈小，愈能在较低的下产生动态再结晶。2.3.2动态再结晶的组织特点1）动态再结晶是一个混晶组织，其平均晶粒尺寸只由加工条件来决定：,A、m：常数晶粒平均直径,2.4静态再结晶的控制2.4.1静态再结晶的形核机构（1）形核部位：最先是在三个晶界的交点处优先产生，其次在晶界处发生，通常不发生在晶内。（2）晶核的形成也是不均匀的，容易在初期产生大直径的晶粒；（3）再结晶的驱动力是储存能，影响储存能的因素可分为两大类：工艺条件（变形量、温度和速度）和材料的内在因素（化学成分、冶金状态）储存能随变形量的增加而增加，但其增加速率逐渐减慢；增加变形温度和降低变形速率使储存能减少；储存能随金属熔点的降低而减小（只有银例外）；使金属强化的第二相和固溶体溶质含量的增加都使储存能增加；细晶粒比粗晶粒的储存能高。,2.4.2静态再结晶的临界变形量2.4.2.1变形温度、原始奥氏体晶粒度、微合金元素对临界变形量的影响1）变形温度降低，临界变形量增大；2）原始晶粒直径大，临界变形量也大；3）Nb钢比Si-Mn钢的临界变形量大。2.4.2.2变形后的停留时间对临界变形量的影响变形后停留时间越长，临界变形量越小。2.4.3静态再结晶速度取决于奥氏体内部存在的储存能的大小、热加工后停留温度的高低、奥氏体成分和第二相质点大小等。,增加变形量、提高变形速度、提高变形后的停留温度都将提高回复和再结晶的速度,2.4.4静态再结晶的数量奥氏体再结晶的百分数正比于变形量与变形温度。,2.4.5静态再结晶晶粒的大小2.4.5.1各种因素对静态再结晶晶粒尺寸的影响2.4.5.2各种因素对奥氏体平均晶粒尺寸的影响（1）变形量的影响：随变形量的增大而减小；（2）变形温度的影响：在奥氏体完全再结晶区内轧制时，随变形温度的降低而减小；而在奥氏体部分再结晶区内轧制时，随着变形温度的降低可能增大；（3）变形后停留时间的影响：随停留时间增加而增大；（4）原始晶粒大小的影响：原始晶粒愈细，再结晶晶粒也愈细；（5）微合金元素的影响：细化晶粒。,B晶界迁移率Es分子储存能,以变形量为横坐标、变形温度为纵坐标,2.4.5.3再结晶区域图,形变奥氏体(静态)再结晶、未再结晶区域示意图-未再结晶区;-部分再结晶区;-完全再结晶区,临界再结晶温度、临界未再结晶温度随应变速率的增加而提高，同时随变形温