热处理原理与工艺钢的变形热处理.pptx

钢的变形热处理,钢的奥氏体经高温热加工后的组织结构变化,奥氏体热加工真应力真应变曲线及结构变化示意图（p应力峰值对应的应变，D动态再结晶临界变形量，D=0.8-0.9p）,金属的应力应变曲线,工程应力应变曲线,应变,应力,o,A,C,断裂,工程应力和应变的概念,工程应力：工程应变：P载荷；A0试样的原始截面积；l0试样的原始标距长度；l试样变形后的长度。,弹性变形阶段,弹性变形外力去除后能够完全恢复的变形。弹性极限材料保持完全弹性变形的最大应力。胡克定律：,塑性变形阶段,屈服极限开始发生塑性变形的最小应力。0.2产生0.2塑性变形所对应的应力值称为工程屈服极限。极限强度材料断裂所需的最大应力。,真应力应变曲线,真应变与工程应变之间的关系,真应力,P任何时刻的载荷；A任何时刻的实际截面积。真应力与工程应力的关系：,真应力真应变曲线,晶粒尺寸或晶界对多晶体塑性变形的影响,霍尔佩奇（Hall-Petch）关系式：s是屈服强度，i、K为比例常数，d为晶粒直径。i相当于单晶体的屈服强度。,屈服现象,应变,应力,0,（1）应力应变曲线出现了平台区；（2）试验之前先对试样进行少量的预塑性变形，则屈服点可暂时不出现；（3）进行了少量的预塑性变形试样放置一段较长时间（或经200度加热）后再进行拉伸，屈服现象重新出现。,屈服现象的解释,屈服现象的出现与金属中溶有微量的杂质原子有关。溶质原子聚集在位错线附近以降低体系的畸变能，形成柯垂尔气团。已经被实验证实。杂质原子虽然是产生屈服现象的一个重要原因，但不是唯一的因素。,钢的奥氏体经高温热加工后的组织结构变化,奥氏体热加工真应力真应变曲线及结构变化示意图（p应力峰值对应的应变，D动态再结晶临界变形量，D=0.8-0.9p）,（1）在第一阶段，金属发生塑性变形，位错密度不断提高，造成材料的加工硬化；（2）材料在高温下变形，变形中产生的位错能够在加工过程中通过交滑移和攀移的方式运动，使部分位错消失，部分重新排列，造成奧氏体的“恢复”（回复），称为动态恢复。当位错重新排列发展到一定程度，形成清晰的亚晶界，称为动态多边形化；（3）随变形量的增加金属内部畸变能不断升高，畸变能达到一定程度后，奥氏体内部将发生再结晶，称为动态再结晶。,由再结晶所形成的新晶粒，又发生了形变，产生了加工硬化，富集了新的位错，并开了新的动态恢复，形成新的亚晶，甚至产生了新的动态再结晶核心。当第一轮再结晶完成后，仍需要一定变形量，才能产生新的再结晶核心，并在继续变形中核心长大，直到完成第二轮动态再结晶。如果继续变形，将以同样方式，发生第三轮，第四轮动态再结晶。,应力应变曲线波浪线形成的原因,形变速度对0.68%C钢应力应变的影响,应变曲线上，出现一段波浪形的曲线，曲线中应力值下降的一段，都表示每一轮新的动态再结晶的发展；应力值上升的一段，都表示需要补充的形变量，以达到下一轮动态再结晶的要求。整个波浪形曲线表示多次间断的动态再结晶。,奥氏体的组织结构变化与变形量大小的关系,发生动态再结晶所必需的最低变形量，称为动态再结晶临界变形量，以D表示，D0.80.9p。奥氏体在热加工过程中的组织结构变化，决定于一道次的变形量大小。当形变量小于D时，奥氏体内部加工硬化，位错密度升高，并发生恢复多边形化；当形变量大于D时，则发生动态再结晶。动态再结晶临界变形程度D受形变条件的影响，形变温度、形变速度以及钢的化学成分都影响D。,奥氏体在热加工间隙及热加工后发生的变化,在热加工间隔时间，或加工后在奥氏体相区缓冷过程中，继续消除加工硬化，力图达到奥氏体结构更稳定的状态。继续软化，降低形变抗力。奥氏体组织结构变化的机理仍然是恢复与再结晶，叫作静态恢复与静态再结晶。,奥氏体在热加工间隙停留变形量的影响,将钢加热到奥氏体区后，进行热加工，到变形量达到某一数值时，停止热加工，卸去负载，并等温保持一定时间后，第二次变形时，变形抗力有不同程度的降低，停留时间越长，变形抗力越低。,奥氏体热加工真应力真应变曲线及结构变化示意图（p应力峰值对应的应变，D动态再结晶临界变形量，D=0.8-0.9p）,a,b,c,d,（1）远小于p也小于静态再结晶的变形量。热加工中仅有动态恢复发生。当热加工停止后，奥氏体的软化立即发生。随时间增长，软化程度增大，软化达到一定程度，就停止不变，仍保留高温形成的高位错密度的结构。,奥氏体热加工真应力真应变曲线及结构变化示意图（p应力峰值对应的应变，D动态再结晶临界变形量，D=0.8-0.9p）,a,b,c,d,（2）小于动态再结晶的临界变形量D,在热加工过程中，形变量小于D，未发生动态再结晶，仅有动态恢复，残留的形变量如超过静态再结晶临界变形量s，则将发生静再结晶，亚晶界及高位错的形变带将是形成再结晶核心的有利位置。静态再结晶发展的结果，形成新的低位错密度的再结晶晶粒，热加工形成的加工硬化全部消除。,奥氏体热加工真应力真应变曲线及结构变化示意图（p应力峰值对应的应变，D动态再结晶临界变形量，D=0.8-0.9p）,a,b,c,d,（3）大于p,软化过程由三个阶段所组成。第一段为静态恢复，第二段为变质的动态再结晶，第三段为静态再结晶。变质的动态再结晶是另一种软化的机理，它不同于静态再结晶，不需要新的核心，而是利用奥氏体中已形成的动态再结晶的核心作为自己的核心。在已发生动态再结晶的奥氏体中已经存在不少刚形成的核心，在形变停止时，这些刚形成的核心，尚未形变就被冻结下来，这些小核心中无位错，比周围基体更稳定，因此停止形变后，周围的基体就以其为心，发生再结晶。变质的动态再结晶总是发生在静态再结晶之前。,奥氏体热加工真应力真应变曲线及结构变化示意图（p应力峰值对应的应变，D动态再结晶临界变形量，D=0.8-0.9p）,a,b,c,d,（4）远大于p,软化过程由二段组且成，一是静态恢复，第二段为变质的动态再结晶。由于形变量很大，形变停止后，消除加工硬化的软化过程进行的很快，在静态再结晶未发生以前，奥氏体中已全部发生了变质的动态再结晶。,恢复、再结晶的速度及再结晶后的晶粒大小,当奥氏体成分一定时，增大形变量，提高形变速度，提高形变后的停留温度，都将提高恢复与再结晶的速度。同样的形变量情况下，提高形变速度，增高奥氏体中的位错密度，必然加速静态恢复的速度。变量增加一倍，达到同样静态再结晶数量所需要的时间可以缩短一量级。奥氏体中的微量元素，强烈地阻止再结晶的发生，大大减慢再结晶的速度。,实际生产中的再结晶,在正常生产中使用的形变速度情况下，D都比较大，因此只有在高温、大变形量时才能发生动态再结晶，多数的热加工生产是发生静态再结晶。静态再结后的晶粒尺寸，决定于再结晶的形核率与长大速度。细的原始奥氏体晶粒尺寸、低的热加工温度或大的变形量，都将增大再结晶的形核率，细化再结晶后的晶粒。,二、几种钢的变形热处理形式,相变前热处理,低温变形热处理突出优点：提高强度，塑性韧性提高或不显著降低,温度范围：450-600，低于再结晶温度，不可能发生再结晶，动态恢复与静态恢复进行的也慢。强化原因：奥氏体晶粒沿形变方向被拉长，晶粒内位错密度高，有清晰的亚晶界或者位错团。变形提高位错密度，碳化物在位错处析出，阻碍位错移动，进一步增加位错密度。淬火后马氏体继承奥氏体的位错结构，位错密度提高，马氏体强度增加。,低温形变热处理强韧化的本质,（1）形变奥氏体中析出细小的碳化物，具有一定程度的沉淀硬化作用，并增大位错增殖速度。（2）马氏体继承了形变奥氏体中的位错结构，使马氏体位错密度增高，对形变热处理的强化起重要作用。（3）马氏体组织细化，马氏体中的亚结构细化，马氏体中孪晶马氏体量减少，这些是韧性改善的重要原因。（4）马氏体回火组织中具有细小均匀的碳化物，这对强韧性皆有重要作用。,2.高温变形热处理,性能特点：对提高强度、韧性、塑性都有利,高温变形淬火（余热淬火）：简化工序，节约能源适用范围：用户不需要加工的型材、管材、建筑钢筋,性能特点,高温形变淬火对材料的强度、塑性及韧性都是有利的。结构钢高温形变后立即淬火回火，比一般淬火回火，有更好的强度与塑性；在相同的强度水平时，塑性更好；在保持同样的塑性值时，形变淬火的强度较高。,强化机理,当奥氏体发生了再结晶时，则仅由马氏体的细化而强化；如果未发生再结晶，则由于马氏体继承了奥氏体的缺陷结构而强化。奥氏体形变后发生了静态恢复多边形化，有高强度，又有好的韧性。,高温形变正火（控制轧制）,控制轧制是在奥氏体相区或在奥氏体与铁素体两相区中进行形变，然后空冷或控制冷却速度，得到铁素体珠光体组织。,控制轧制与一般轧制工艺的区别,（1）最后几道形变温度低。普碳钢与普通低合金钢，一般轧制的终轧温度都高于900，甚至在9501000，而控制轧制的终轧温度一般都在Ar3附近，有的在(+)两相区，即800650。（2）制轧制形变量的分布与一般轧制不同，控制轧制要求在低温范围要有一定大的变形量。（3）为细化铁素体组织及第二相质点，有时要求在一定温度范围内控制冷却速度。（4）为控制原始奥氏体晶粒尺寸，轧制加热的温度有时也不同于一般轧制工艺。,性能特点,这类工艺最主要的优点是既提高非调质的热轧材的强度，又改善其韧性，尤其是可以大大降低钢的冷脆性，降低钢的脆性转化温度。控制轧制可以提高强度又降低冷脆性，对含有微量元素铌、钒的钢种，控制轧制工艺尤为有效。控制轧制工艺可以充分发挥钢中微量铌与钒的作用，这对于利用我国富产资源发展低合金高强度钢是非常重要的。,强化和韧化机理,控制轧制工艺就是利用热变形细化奥氏体晶粒与铁素体晶粒，并通过晶粒细化达到提高屈服强度、降低脆性转化温度的目的。（1）奥氏体再结晶温度以上的变形，这是利用热加工与再结晶细化奥氏体从而细化铁素体。1100以上变形量较大时，由动态再结晶细化奥氏体；1100到再结晶温度下限，则是由静态再结晶细化奥氏体。,（2）奥氏体再结晶温度以下不发生再结晶，晶粒不细化，晶粒沿形变方向伸长，而多道次变形，晶内形成大量的形变带。冷却时，不仅在奥氏体晶界形成铁素体核心，在晶内形变带处也产生大量铁素体核心。结果，大大细化了铁素体，铁素体晶粒直径可以小于5微米。（3）微量元素的作用。奥氏体中如果溶有微量的铌，将诱发析出Nb(C,N)，细小的第二相质点多存在于亚晶界上，阻止亚晶界的移动，阻止奥氏体静态再结晶的发生，形变后不发生静态再结晶的奥氏体，将增多铁素体核心，细化其晶粒。铌在控制轧制中主要是细化晶粒，沉淀硬化作用是次要的。,（4）(+)两相区控制轧制，强化的本质除铁素体晶粒细化外，亚晶强化是个重要的方面。铁素体在更低的温度形变，铁素体晶粒加工硬化程度更大，晶内位错密度更高，亚晶数量增多，亚晶尺寸更细。,相变过程中进行变形,等温变形热处理,等温形变热处理的概念,合金钢热轧后空冷或等温热处理，形成片状珠光体组织，这种组织最大的缺点是韧性低，尤其低温韧性低。等温形变热处理，就是在铁素体珠光体转变过程中进行形变，利用形变改变转变后的珠光体形态与铁素体的组织结构，使其强度提高，尤其是韧性得到大大改善。,强韧化机理,（1）奥氏体中位错密度随轧制道次的增加而提高，奥氏体的位错结构是碳化物形核的有利位置，在位错附近析出碳化物，碳化物“钉扎”已产生的位错。当继续轧制时，又产生新的位错，它又为新的碳化物析出提供了条件。直到奥氏体全部转变完了，组织中形成了大量细小的颗粒状碳化物。（2）素体形成后又被形变，反复变形，形成清晰的亚晶界或胞状结构，成为具有亚晶的铁素体。,在相变以后进行热处理,温加工和应变时效,这类工艺就是对奥氏体相变产物进行形变强化，形变前的组织可能是珠光体、贝氏体、马氏体或回火马氏体，形变温度由室温到Ac1以下皆可，变形后可能再次回火，也可能没有回火工序。强化机理：大变形量使片状珠光体中的渗碳体片更细，基体的位错密度提高，产生细小的胞状结构