金属热态下的塑性变形工程

1、 第二章 金属塑性变形的物理基础 第二节 金属的热塑性变形 金属热态下的塑性变形工程 第二节 金属的热塑性变形 再结晶温度以上的加工称为“热加工” 在再结晶温度以下，而高于室温的加工称为“温加 工” 低于再结晶温度又是室温下的加工称为“冷加工” 钨起始再结晶温度约1200，在1000拉制钨丝属温 加工 再结晶温度是区分冷、热加工的分界线 铅、锡的再结晶温度低于室温，铅和锡在室温下加工 属热加工 金属热态下的塑性变形工程 第二节 金属的热塑性变形 金属在再结晶温度以上的变形，称为热塑性 变形。热锻、热轧、热挤压工艺是常用的热塑性 变形加工方法。 在热塑性变形过程中，回复、再结晶与加工硬 化同时发

2、生，加工硬化不断被回复或再结晶所抵 消，而使金属处于高塑性、低变形抗力的软化状 恋。 金属热态下的塑性变形工程 一、热塑性变形时金属的软化过 程 热塑性变形时金属的软化过程比较复杂，它与 变形温度、应变速率、变形程度和金属本身的性质 等因素密切相关。 按其性质分主要为以下几种： 静态回复 静态再结晶 动态回复 动态再结晶 亚动态再结晶 金属热态下的塑性变形工程 动、静态回复和再结晶示意 a)高层错能金属热轧变形 b）低层错能金属热轧变形 一、热塑性变形时金属的软化过程 金属热态下的塑性变形工程 动、静态回复和再结晶示意 c)高层错能金属热挤压变形 d）低层错能金属热挤压变形 一、热塑性变形时金

3、属的软化过程 金属热态下的塑性变形工程 一、热塑性变形时金属的软化过 程 冷变形金属退火时晶粒形状和大小的变化冷变形金属退火时晶粒形状和大小的变化 回复阶段组织几乎没有变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状 金属热态下的塑性变形工程 冷变形金属退火时晶粒形状和大小的变化冷变形金属退火时晶粒形状和大小的变化 再结晶阶段先出现新的无畸变的核心，然后长大，直到 完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒 一、热塑性变形时金属的软化过 程 金属热态下的塑性变形工程 冷变形金属退火时晶粒形状和大小的变化冷变形金属退火时晶粒形状和大小的变化 晶粒长大阶段新晶粒互相吞并而长大 一、热塑性变形时金属的软化过 程 金属热态下的

4、塑性变形工程 冷变形金属退火时某些性能的变化冷变形金属退火时某些性能的变化 电阻率在回复阶段已有 明显下降，到再结晶开 始时下降更快，最后恢 复到变形前的电阻 强度与硬度在回复阶段 下降不多，到再结晶开 始后，硬度一般急剧下 降 有的金属在回复阶段硬 度反而有所增加 一、热塑性变形时金属的软化过 程 金属热态下的塑性变形工程 冷变形金属退火时某些性能的变化冷变形金属退火时某些性能的变化 内应力在回复阶段也明显 降低 1.宏观内应力在回复时可以 全部或大部被消除 材料的密度随退火温度 升高而逐渐增加 2.而微观内应力在回复时 部分消除 3.要全部消除，必须加热 到再结晶温度以上 一、热塑性变形时

5、金属的软化过 程 金属热态下的塑性变形工程 静态回复 回复的机理（纤维组织未改变前的晶体缺陷运动） 低温回复(01-0.3Tm，Tm为金属的绝对熔化温度) 回复的主要机理是空位的运动和空位与其它缺陷的结合，如 空位与间隙原子结合，空位与间隙原子在晶界和位错处沉没， 结果使点缺陷的浓度下降。 中温回复(0.3-0.5Tm) 除了上述的点缺陷运动外，还包括位错发团内部位错的重新 组合或调整、位错的滑移和异号位错的互毁等。其结果使得 位错发团厚度变薄，晶界的位错密度有所下降；而且通过亚 晶界的移动，使亚晶缓慢长大。 高温回复(大于0.5Tm ，小于再结晶发生温度) 包括攀移在内的位错运动、亚晶合并和

6、多边形化。 金属热态下的塑性变形工程 温度范围的划分是相对的，各种回复机制没有严格的温度界线 温温 度度回回 复复 机机 制制 低低 温温 1点缺陷移至晶界或位错处而消失点缺陷移至晶界或位错处而消失 2点缺陷合并点缺陷合并 中等温度中等温度 1缠结中的位错重新排列构成亚晶缠结中的位错重新排列构成亚晶 2异号位错在热激活作用下相互吸引而抵消异号位错在热激活作用下相互吸引而抵消 3亚晶粒长大亚晶粒长大 较高温度较高温度 1位错攀移和位错环缩小位错攀移和位错环缩小 2亚晶粒合并亚晶粒合并 3多边形化多边形化 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 回复中刃型位错的攀移回复中刃型位错的攀移 攀移形成小 角

7、度晶界 （多边化） 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 回复中刃型位错的攀移回复中刃型位错的攀移 两平行滑移 面上异号位 错通过攀移 相互抵消 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 回复中刃型位错的攀移回复中刃型位错的攀移 同一滑移面 上异号位错 攀移过夹杂 物后相互抵 消 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 回复中刃型位错的攀移回复中刃型位错的攀移 沿晶界 的攀移 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 亚晶粒合并亚晶粒合并 合并前的 亚晶粒 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 亚晶粒合并亚晶粒合并 开始合 并，一 个亚晶 在转动 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 亚晶粒合并亚晶粒合并 刚合并后

8、 的亚晶结 构 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 亚晶粒合并亚晶粒合并 某些亚晶 界迁移后 的最终亚 晶结构 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 多边形化多边形化 高温回复时，通过位错的滑移和攀移使位错变成 沿垂直滑移面的排列，形成所谓的位错墙 每组位错墙均以小角度晶界分割晶粒成为亚晶， 这一过程为位错的多边形化 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 平行刃型位错的交互作用平行刃型位错的交互作用 )/4 稳定同号位错沿垂直于滑移面方向排列 小角度晶界、亚晶界即是这样排列的结果 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 多边形化时位错的移动和排列多边形化时位错的移动和排列 金属塑性变形后， 滑移面上塞

9、积的同 号刃位错沿原滑移 面成水平排列 回复后的多 边形化，形 成位错墙 高温回复时，刃位错 通过滑移和攀移使位 错变成沿垂直滑移面 的排列，形成位错墙 回复前位错的分布 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 静态回复 综合上述可知，在整个回复阶段，点缺陷 减少，位错密度有所下降，位错分布形态 经过重新调整和组合而处于低能态，位错 发团变薄、网络更清晰，亚晶增大，但晶 粒形状没有发生变化。 所有这些，使整个金属的晶格畸变程度大 为减小，其性能也发生相应的变化。 金属热态下的塑性变形工程 去应力退火 使冷加工金属既可基本上保持加工 硬化的状态，又可消除残余应力，从而达到稳定 和改善金属性能，减少工

10、件畸变和开裂，提高其 耐蚀性。 回复在金属加工中的应用 静态回复 金属热态下的塑性变形工程 静态再结晶 冷变形金属加热到更高的温度后，在原来变形的金属 中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金 属的冷变形组织，这个过程称为金属的再结晶。 再结晶的驱动力也是冷变形时所产生的储能 再结晶是一个显微组织彻底重新改组的过程，金属的 强度、硬度显著下降，塑性大为提高，加工硬化和内 应力完全消除，物理性能也得到恢复，金属大体上恢 复到冷变形前的状态。 再结晶也是形核、长大过程，但再结晶在转变前后晶 体结构和化学成分不发生变化 再结晶并不只是一个简单地恢复到变形前组织的过程 再结晶 金属热态下的塑性变

11、形工程 静态再结晶 再结晶过程示意图 金属热态下的塑性变形工程 静态再结晶 再结晶的形核 根据透射电镜的一些观测结果，一般认为再结晶 形核是通过现存界面的移动来实现 1亚晶粒聚合、粗化的形核机制 2原有晶界弓出形核机制 金属热态下的塑性变形工程 静态再结晶 1亚晶粒聚合、粗化的形核机制 可以通过相邻亚晶粒的合并来实现 a.高层错能金属 即相邻亚晶粒某些边界上的位错，通过攀移和滑移， 转移到这两个亚晶外边的亚晶界上去，而使这两个亚 晶之间的亚晶界消失，合并成一个大的亚晶 同时通过原子扩散和相邻亚晶转动，使两个亚晶的取 向变为一致 金属热态下的塑性变形工程 静态再结晶 再结晶的形核机制示意图 高层

12、错能金属中A、B、C三个亚晶粒合并成一个核心 合并后的较大亚晶的晶界上吸收了更多的位错，它逐渐转 化为易动性大的大角度晶界 这种亚晶成为再结晶晶核 金属热态下的塑性变形工程 静态再结晶 亚晶粒聚合、粗化的形核机制 再结晶形核可能是直接通过亚晶界的迁移来实现 b.低层错能金属 变形后的亚晶组织中，有些位错密度很高，同号位 错过剩，大量的亚晶界与它相邻的亚晶取向差就比 较大 退火时，这种亚晶界易于迁移，亚晶界迁移过程中 清除并吸收其扫过区域相邻亚晶的位错，使亚晶界 获得更多位错，与相邻亚晶取向差进一步增大，最 终成为一个大角度晶界，便于成为再结晶晶核 金属热态下的塑性变形工程 静态再结晶 再结晶的

13、形核机制示意图 一般在变形程度比较大时发生 低层错能金属中局部位错密度很高的亚晶界迁移长大为核 变形量愈大，愈有利于再结晶按这种机制形核 金属热态下的塑性变形工程 静态再结晶 2 原有晶界弓出的形核机制 多晶体变形较小，不均匀，位错密度不同，变形 大的晶粒位错密度高，变形小的晶粒位错密度低 两晶粒边界（大角度晶界）在形变储能的驱动下， 向高密度位错晶粒移动时，晶界扫掠过的区域位 错密度降低，能量释放 无应变的小区域尺寸达到一定值时就成为再结晶 核心 金属热态下的塑性变形工程 静态再结晶 大角度晶界向高密度位错区域弓出形核示意图 若AB向高密度位错晶粒（） 弓出V的体积，形成无畸 变新晶核，相应

14、增加晶界面 积A AB为两个不同位错密度区的 边界（大角度晶界），两区 域的单位体积自由能差为 Gv 金属热态下的塑性变形工程 静态再结晶 再结晶后晶粒长大 金属在再结晶刚完成时，一般得到细小等轴晶粒 继续保温或提高退火温度，会发生晶粒相互吞并 而长大的现象，即“晶粒长大过程” 两种晶粒长大方式 正常长大（亦称均匀长大）正常长大（亦称均匀长大） 反常长大（亦称非均匀长大或二次再结晶）反常长大（亦称非均匀长大或二次再结晶） 金属热态下的塑性变形工程 表13-1 回复、再结晶和晶粒长大的特点及应用 回 复 再 结 晶晶 粒 长 大 发生温度较低温度较高温度更高温度 转变机制 原子活动能量小，空位

15、移动使晶格扭曲恢复。 位错短程移动，适当集 中形成规则排列 原子扩散能力大，新晶粒在 严重畸变组织中形核和生长， 直至畸变晶粒完全消失，但 无晶格类型转变 新生晶粒中大 晶粒吞并小晶 粒，晶界位移 组织变化 金相显微镜下观察组织 无变化。宏观内应力和 微观内应力有较大下降 形成新的等轴晶粒，有时还 产生再结晶织构，位错密度 大大下降 晶粒明显长大 性能变化 强度、硬度略有下降， 塑性略有上升，电阻率 明显下降 强度、硬度明显下降，加工 硬化基本消除。塑性上升 使性能恶化， 塑性明显下降 应用说明 去应力退火工艺，一般 只有回复转变 再结晶退火可消除加工硬化 效果，消除组织各向异性 应在工艺处理

16、 过程中防止产 生 金属热态下的塑性变形工程 动态回复与动态再结晶 在热变形时由温度和外力联合作用下发生的回复 和再结晶过程称为“动态回复”和“动态再结晶” 热加工时由于温度很高，金属在变形的同时将发 生回复和再结晶，同时发生加工硬化和软化两个 相反的过程 金属经塑性变形后再加热发生的回复和再结晶则 称之为静态回复和静态再结晶 金属热态下的塑性变形工程 动态回复 高层错能金属 热变形中动态回复是其软化的唯一方式，不发生 动态再结晶 如铝、铝合金、-铁、铁素体钢及一些密排六方 结构金属（Zn、Sn、Mg等) 热变形动态回复的真实应力-应变曲线三个阶段 第一阶段是微应变阶段 第二阶段加工硬化率逐渐

17、降低 第三阶段曲线稳定变形阶段 金属热态下的塑性变形工程 动态回复 动态回复的真应力-真应变曲线 1.微应变阶段 有很强的加 工硬化作用 金属热态下的塑性变形工程 动态回复 动态回复的真应力动态回复的真应力- -真应变曲线真应变曲线 已发生动态回复 2. 加工硬化率逐渐降低阶段 加工硬化部分地被动态回复引起 的软化所抵消 金属热态下的塑性变形工程 动态回复 动态回复的真应力-真应变曲线 加工硬化作用几乎完全被 动态回复软化作用所抵消 3.稳定变形阶段 曲线接近为一水平线 变形过程产生的位错密度 的增加被回复过程引起的 位错密度减少所抵消 恒应力下可持续变形 金属热态下的塑性变形工程 动态回复

18、动态回复晶粒大小 动态回复所产生的亚晶粒尺寸与稳态变形应力和变 形速率成反比，与变形温度成正比 金属热态下的塑性变形工程 动态回复 动态回复组织 热加工后的晶粒沿变形方向伸长，同时，晶粒内 部出现动态回复所形成的等轴亚晶粒 亚晶粒增大时，亚晶粒内部和亚晶界上的位错密 度都会降低，亚晶界上的位错也从无序状态变为 较规整的排列，使胞状亚晶粒的轮廓更为清晰 动态回复的组织具有比再结晶组织更高的强度 可作为强化材料的一种途径，如建筑用铝镁合金 采用热挤压法保留动态回复组织可提高使用强度 金属热态下的塑性变形工程 动态回复 铝在400挤压时动态回复形成的亚晶 光学显微组织 （偏振光430） 薄膜透射电镜

19、照片 金属热态下的塑性变形工程 动态回复 动态回复软化机制 动态回复引起的软化过程是通过刃位错的攀移、螺位错的 交滑移，使异号位错相互抵消，位错密度降低的结果 1.层错能高，其扩展位错的宽度窄，容易发生交滑移和攀移 如铝及铝合金中 层错能高是决定动态回复进行得充分与否的关键 2.层错能高，位错易从节点和位错网中解脱，促使其与异号 位错相抵消 如果加入的溶质原子降低了层错能，使扩展位错变宽，交 滑移和攀移变得困难，动态回复过程将受到阻碍，动态再 结晶倾向增加 如高镁的铝镁合金也能发生动态再结晶 金属热态下的塑性变形工程 动态再结晶 动态再结晶（低层错能金属）动态再结晶（低层错能金属） 低层错能金

20、属 如铜、黄铜、镍、-Fe、不锈钢等在热加工时，有 利于发生动态再结晶 扩展位错很宽，难于从节点和位错网中解脱出来，也 难于通过交滑移和攀移而与异号位错相互抵消，动态 回复过程进行得很慢，亚组织中位错密度较高 回复后剩余储能足以引起再结晶 金属热态下的塑性变形工程 动态再结晶 低层错能金属在热加工时发生动态再结晶时的应力 应变曲线示意图 曲线1-高应变速率 曲线2-低应变速率 金属热态下的塑性变形工程 动态再结晶 低层错能金属在热加工时发生动态再结晶时的应力 应变曲线示意图 加工硬化阶段 尚未发生动态再结晶 金属热态下的塑性变形工程 动态再结晶 高应变速率下回复软化，发 生部分动态再结晶阶段

21、应变增加，曲线斜率减小，应变升 至最大值后，曲线开始下降，表明 动态再结晶在逐渐加剧 低应变速率，动态再结晶开始 软化超过加工硬化 加工硬化程度大于软化 低层错能金属在热加工时发生动态再结晶时的应力 应变曲线示意图 金属热态下的塑性变形工程 动态再结晶 低层错能金属在热加工时应力应变曲线示意图 高应变速率-开始动态 再结晶阶段 软化超过加工硬化 金属热态下的塑性变形工程 动态再结晶 低层错能金属在热加工时应力应变曲线示意图 2.低应变速率下反复动态再结晶、变形、动态 再结晶 1.高应变速率下连续快速动态 再结晶 完全动态再结晶阶段，稳 态变形 加工硬化和动态再结晶软化达到平衡，曲 线接近水平，

22、流变应力接近恒定值，为稳 态变形 软化硬化交替 金属热态下的塑性变形工程 动态再结晶 形变温度越高，应变速率越小，应变量越大，越有利于 进行动态再结晶 动态再结晶影响因素 Fe-0.68C碳钢在相区加工，变形速率和加工温度对应力应变曲线的影响 金属热态下的塑性变形工程 动态再结晶 动态再结晶组织 晶界是动态再结晶的主要形核处 稳态变形阶段 与静态再结晶相似，动态再结晶也是通过新的大角度 晶界形成和迁移的方式进行的 与静态再结晶晶粒相比，具有更高的强度和硬度。 晶核长大的同时变形继续，形成的新晶粒内有一 定程度的应变，出现缠结位错的亚结构 动态再结晶的晶粒是等轴的，晶界呈锯齿状 等轴晶内存在被缠

23、结位错所分割的亚晶粒 金属热态下的塑性变形工程 亚动态再结晶 热加工完成或者中断，动态再结晶的核心或正在长大的 晶粒留下来 亚动态再结晶 如果金属的温度仍高于再结晶温度，而且冷却很缓慢， 则保留下来的晶核和晶粒都会继续长大，此软化过程即 称为亚动态再结晶 这种再结晶不需要孕育期，进行非常迅速，工业生产条 件下很难保留 金属热态下的塑性变形工程 二、热塑性变形机理 金属热塑性变形机理主要有：晶内滑移、晶内孪生、晶 界滑移和扩散蠕变等： 晶内滑移 热变形的主要机理，是最主要和常见的； 晶内孪生 多在高温高速变形时发生，但对于六方晶系金属，这种 机理也起重要作用； 晶界滑移 与冷变形相比晶界滑动的变

24、形量要大得多 热塑性变形时，由于晶界强度低于晶内，使得晶界滑动 易于进行；又由于扩散作用的增强，及时消除了晶界滑 动所引起的破坏 常规的热变形条件下，晶界滑动相对于晶内滑移变形量 还是小的。 金属热态下的塑性变形工程 二、热塑性变形机理 扩散蠕变 在应力场作用下，由空位的定向移动引起 按扩散途径的不同，可分为晶内扩散和晶界扩散 图图 扩散性蠕变扩散性蠕变 a)a)空位和原子移动方向空位和原子移动方向 b)b)晶内扩散晶内扩散 c)c)晶界扩散晶界扩散 金属热态下的塑性变形工程 二、热塑性变形机理 扩散蠕变 温度越高、晶粒越细和应变速率越低，扩散蠕变 所起的作用就越大 扩散蠕变既直接为塑性变形作

25、贡献，也对晶界滑 移起调节作用 随着变形条件(如变形温度、应变速率、三向压应 力状态等)的改变，这些机理在塑性变形中所占的 分量和所起的作用也会发生变化。 金属热态下的塑性变形工程 三、双相合金热塑性变形机理 冷塑性变形中所分析的双相合金第二相的性质、 大小和分布状况等对合金塑性变形的影响，对于 热塑性变形也是普遍存在的。 但是，热塑性变形时金属是处于一定的高温条件 下，由于热力学因素的加入，情况会变得更为复 杂。 金属热态下的塑性变形工程 四、热塑性变形对金属组织和性能 的影响 热加工改变了金属的形状，且对金属的微 观组织结构产生影响，使材料性能发生改 变 改善晶粒组织 锻合内部缺陷 破碎并

26、改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布 形成纤维组织 金属热态下的塑性变形工程 四、热塑性变形对金属组织和性能的 影响 改善晶粒组织 细化晶粒可以提高材料的综合力学性能 热加工后要获得细小的晶粒必须控制变形量、变 形的终止温度和随后的冷却速度 添加微量的合金元素抑制热加工后的静态再结晶 也是有效的方法 锻件的晶粒大小直接取决于热塑性变形时的动 态回复和动态再结晶的组织状态，以及随后的 三种静态软化机理的作用，特别是其中的静态 再结晶和亚动态再结晶。 金属热态下的塑性变形工程 热变形时只发生动态回复的金属，只要变形程度 足以达到稳定动态回复阶段，则亚晶结构是均匀 相等的，其尺寸大小主要与热变形时的

27、（终锻） 温度和（应变）速率有关。 热加工时动态再结晶的晶粒大小与动态再结晶时 的组织状态和亚动态再结晶过程有关。 变形温度、应变速率和变形程度对其影响 动态再结晶的晶粒大小主要取决于变形时的流变 应力，应力越大，晶粒越细小 四、热塑性变形对金属组织和性能的 影响 金属热态下的塑性变形工程 C.合金元素的微粒，都有利于提高再结晶形核率和降 低晶界的迁移速度，因而能使再结晶晶粒细化。 D. 热变形时的变形不均匀，会导致再结晶晶粒大小 的不均匀 在热塑性变形时，当变形程度过大(大于90) 且温度很高时，还会出现再结晶晶粒的相互吞并 而异常长大，此称二次再结晶。 通过动态回复和动态再结晶后，在晶粒内

28、部形 成了亚晶粒，具有这种亚组织的材料，其强度、 韧性提高，称为亚组织强化 四、热塑性变形对金属组织和性能的 影响 金属热态下的塑性变形工程 四、热塑性变形对金属组织和性能的 影响 第二类再结晶图或动态再结晶图 将不同变形温度和在 此温度下的不同变形程 度、以及发生再结晶后 空冷所得的晶粒大小， 画成的立体图 第第一类再结晶图或静态再结晶图一类再结晶图或静态再结晶图 GH4037镍基高温合金动态再结晶图 金属热态下的塑性变形工程 四、热塑性变形对金属组织和性能的 影响 锻合内部缺陷 消除铸态组织，减少缺陷，比铸态机械性能好 宏观缺陷的锻合通常经历两个阶段：闭合阶段、 焊合阶段 焊合铸态组织中的气孔和疏松等缺陷，