第八章--形变热处理

1、中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院第八章 形变热处理 8.1 8.1 热变形时金属的组织变化热变形时金属的组织变化 8.2 8.2 时效型合金的形变热处理时效型合金的形变热处理 8.3 8.3 马氏体型合金的形变热处理马氏体型合金的形变热处理中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院 概概 述：述：u将塑性变形的形变强化与热处理时的相变强化结合，使成型工艺与最终性能统一起来。缺陷与相变相互作用！u在塑性变型中，合金内部缺陷（以位错为主）增加，且晶体缺陷分布发生改变u若有相变，则相变与缺陷的相互影响，不是简单的形变强化与相变强化的叠加，也不是任何变形与热处理的

2、简单组合u形变热处理与常规热处理相比，具有高密度位错和亚结构（亚晶）u实质：亚结构强化Yield strength: 400600MPa or higher for some aluminum alloys!中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院An example: AA6061-Al-Mg-Si series Effect of thermomechanical treatment on alloy propertiesSPD methodH-T beforeSPDProcessing TemperatureYS/UTS(MPa)Elongation (%)ARB/3 p

3、assesFully annealedRT255/263-ARB/8 passesFully annealedRT-/3635ECAP/6 passesFully annealedRT280/-15ECAP/8 passesFully annealedRT-/3405WQ-ECAP/6 passes+LT agingWater quenched393K429/46417WQ-HRDSR/1 pass-LT agingWater quenched393K455/4897.4SPD: 强变形 ARB: 多道叠轧HRDSR: 高比值差分轧制中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Di

4、fferent microstructures for AA6061 after different processes: 803K for 4hrWQ or FCHRDSR(-aging at 373K), with the roll surfaces was maintained at 413K through the whole HRDSR process. FC: furnace cooling;HRDSR: High-ration differential speed rolling;WQ: water quenching.Ys=455MPa, UTS=489MPaRef: W.J.

5、 Kim et al., Mater. Sci. Eng. A 520(2009),23-28.EBSD images中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院AA6061: (a) FC-HRDSR (as received), (b) WQ-HRDSR, (c) WQ-HRDSR-aging at 373K for 48hr, (d) WQ-HRDSR-aging at 373K for 48hr (RD-ND plane), (e) precipitates, and/or , (f) other particles! Ref: Mater. Sci. Eng. A 520

6、(2009), 23-28.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院8.1 8.1 热变形时金属的组织变化热变形时金属的组织变化变形速度、变形程度、温度不断变化；合金、变形方式、设备-应力-应变图热变形过程中与热变形完成后的结构变化 动态回复：边加工边回复 动态再结晶：加工与再结晶同时发生 静态恢复与再结晶 亚动态再结晶：回复与再结晶过程（造成一定软化）热变形中组织变化复杂，不是单纯再结晶：动态的！热变形对应于位错可以攀移的温度：0.5Tm中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院动态回复动态回复RTQdtdZZbaDexplg1热变形时，回复机制：位错交滑移、攀

7、移。多次动态多边化，使位错密度恒定。位错密度急剧增加阶段-加工硬化大。稳定阶段，即回复导致的消失与加工导致的增加平衡。在热作用下，位错组合成亚晶即多边化（亚晶等轴状）。775OC测定的Zr-0.7Sn合金在不同应变速率下的应力应变曲线（动态回复）亚晶平均直径D与温度、变形速率的关系：可见：可见：变形温度高、变形速率低，达到稳定变形阶段的应力越小，位错密度越小，生成的亚晶越粗！775OC测定的Zr-0.7Sn合金在不同应变速率下的应力应变曲线（动态回复）775测定的Zr-0.7Sn合金在不同应变速率下的应力应变曲线（动态回复）中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院高层错能金属热

8、变形时易发生位错交滑移和攀移，即易发生动态回复，例：Al, alpha-Fe, Mo, W, Alpha-Zr, Be, Zn等，这些金属即使大变形也难出现再结晶。添加低层错能原子将显著阻碍动态回复，有利于动态再结晶。注意：注意：冷变形中也可能产生动态回复，降低加工硬化系数，但难达到稳定变形阶段。冷变形时唯一的动态回复机制是位错交滑移，位错消失速率小，不能抵消位错增殖，因而位错密度不断增加。位错能攀移的温度T=0.5Tm。热变形温度高于此。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院明显波浪：硬化与软化！先硬化再软化；有平衡值。动态再结晶动态再结晶层错能低的合金：Cu, Ni, g

9、ama-Fe, Ag, Au, Pb, Co等热变形时易发生。变形速率小时，晶界弓出机制；速率大时亚晶长大。波浪线：波峰对应再结晶开始，波谷对应再结晶结束。 1100时0.25C钢()不同应变速率下 的应力应变曲线随变形速率变化，曲线特征稍有变化：变形快时，应力达到一定值后下降。继续变形，流变应力降至再结晶状态与未再结晶状态的中间值并逐渐稳定。变形慢时则出现波浪变形段，周期大体相同，而振幅逐渐衰减！中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院热变形时，变形与再结晶同时发生，即新晶粒形核长大的同时还要变形，因此再结晶完成时晶内仍处于变形态，产生加工硬化。晶界两侧位错密度有差别，但不大

10、，晶界迁移慢。动态再结晶后金属内部变形程度不均匀，流变应力高。各晶粒内亚结构不均匀：再结晶新晶粒、回复、加工硬化态。晶界锯齿、新晶粒出现在原始晶粒周围、等轴（不同于动态回复）溶质原子和第二相的作用分析：层错能和晶界可动性！Question 1: How to determine the parameters for a deformation processing which makes the Al-base alloys dynamically recrystallize?Question 2: Analyze the factors which affect dynamic recrys

11、tallization of alloys.中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院热变形完成后的组织结构变化热变形完成后的组织结构变化缓冷时：位错密度减小，软化。该软化包括：静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶。亚动态再结晶是已开始的动态再结晶的继续。热变形后合金不断冷却，组织变化规律复杂。软化的类型、动力学特征、对产品组织性能的影响与热变形中止的阶段有关。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院回复静态再结晶亚动态再结晶变形强化阶段，无静态再结晶变形强化剧烈，足以引起静态再结晶动态再结晶阶段但未稳定，亚动态再结晶动态再结晶稳定阶段，无静态再结晶对应组织如何？对

12、应组织如何？再结晶孕育期再结晶（软化）与热变形程度的关系再结晶（软化）与热变形程度的关系0.68%碳钢以1.3x10-3S-1的速率变形在 780时的应力应变曲线(a) 及该钢变形后在780 保温时间与软化程度的关系(b) 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院变形程度C，静态回复软化；变形程度D，开始出现动态再结晶的变形程度；S为稳定变形阶段的变形程度。OABFGH为软化与应变的对应关系。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院热轧过程的动态与静态再结晶示意图工业生产中合金变形与软化情况工业生产中合金变形与软化情况若道次压下量累积，可产生动态再结晶！热挤压过

13、程的动态与静态再结晶示意图变形量大！若变形区仅有动态回复，则挤压后可能出现两种情况。若挤压时有动态再结晶，则可出现亚动态与静态再结晶。层错能高层错能低中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院时效型合金形变热处理工艺：低温；高温；综合；预形变8.2 时效型合金的形变热处理时效型合金的形变热处理形变热处理的分类：按温度分高温和低温 按相变分时效性和马氏体型时效型合金的形变热处理多用于有色合金马氏体转变型的形变热处理用于各种有马氏体转变的合金（钢）中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院8.2.1 低温形变热处理低温形变热处理在时效前进行冷变形。较高抗拉强度和屈服强度

14、，但塑性较低。组织分析：组织分析： 冷变形引入位错，提高储能，低温时效时，基体回复，出现亚晶； （未冷变形的合金，则晶粒仍为淬火态的晶粒有可能保留再结晶） 弥散粒子有可能更弥散，多边化又受到沉淀粒子的影响。性能分析：性能分析：能发生再结晶? Nomonic90低温形变强化! 亚结构强化，强度较高； 缺陷密度增大，影响沉淀过程工艺：工艺：典型工艺（冷变形，多种形式，根据合金及性能要求而定） 特别工艺（温变形动态回复，提高形变热处理后的组织稳定性） 淬火预时效低温变形人工时效。动态回复剧烈，塑性？应用：应用：铝、镁、铜合金和铁基奥氏体合金半成品与制品，2A12，2A11中南大学中南大学金属材料热处

15、理MSE_材料科学与工程学院8.2.2 高温形变热处理高温形变热处理高温形变热处理工艺淬火加热与保温；2. 压力加工；3. 冷至变形温度；4. 快冷；5. 重新淬火加热短时保温；6. 淬火加热温度范围；7. 塑性区中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院热变形后直接淬火并时效。利用变形热固溶处理、淬火！三条件：三条件：热变形后的组织未再结晶（无动态再结晶）； 无静态再结晶；固溶体过饱和。组织：组织：淬火亚结构，晶粒碎化，晶界弯曲-塑性不降低； 时效中过饱和固溶体均匀分解，沉淀相沿亚晶界或 亚晶内位错析出-强度提高；性能：性能：强度提高；塑性和韧性提高；晶界呈锯齿状，提高稳定性。

16、实用性：实用性：淬火温度范围较宽的、过饱和固溶体稳定性高的合金。 Al合金中只有Al-Mg-Si系和 Al-Zn-Mg系。 高温形变热处理+低温形变热处理中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院8.2.3 预形变热处理预形变热处理在淬火、时效前预先热变形。实际上为两道工艺（形变+热处理）。控制简单，适用于铝合金半成品生产，2A12和6A04挤压制品等在这种形变热处理中，加工时热变形程度常达到稳定变形阶段，可忽略变形程度的影响。由图可知，要得到亚结构，最好用挤压或模压。-挤压效应与组织强化效应条件：热变形中无动态再结晶； 变形后无亚动态或静态再结晶； 固溶处理时亦无再结晶合金组织

17、状态图：变形程度、温度、速度与组织的关系变形后即再结晶T/OC变形速度IIIIIIIVAABBCC变形后淬火无再结晶变形后淬火完全再结晶变形后淬火部分再结晶挤压模压轧制锻造中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Example: 2 phase / Ni-base alloys: Ni-36%Al and Ni-38%Al Hot-compressed in the region and subsequently annealed in the / region.2. After hot deformation, equiaxed grains formed due to dy

18、namics recrystallization. Strong fiber texture parallel to the compressive axis developed in phase.After annealing, transformed from , resulting fiber texture.Film-shaped preferentially often precipitate along the grain boundaries. / boundaries are partially coherent.1523K for 1hr.Tt transusGas cool

19、ingHot compression=0.4, 0.9速率=1x10-31x10-1/ST=13231573K1123K for 1hr中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院Time (hr)Schematic thermomechanical treatment for AA5754 alloy (Al-Mg-Mn). AC: As-cast Ann: Annealed A/C: Air cooled 90OC/min A/H: Air heated 50OC/hr CR: Cold rolled Hom: Homogenized R/H: Rapid heated 350

20、OC/s WR: Warm rolled (300OC) WQ: Water quenched中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院思考题：How to explain the curve of pure Cu?中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院8.3 8.3 马氏体型合金的形变热处理马氏体型合金的形变热处理20世纪50年代中期探索钢的强韧化途径。传统的形变热处理：传统的形变热处理： 亚稳定奥氏体形变淬火（低温） 稳定性高但不发生再结晶的温度变形，随后淬火、低温回火； 奥氏体位错结构遗传给马氏体；晶粒细化。 高温形变热处理（稳定奥氏体） 强度较低但塑性较

21、高； 消除回火脆性；提高裂纹扩展抗力； 注意：变形程度不宜太大，否则易再结晶。奥氏体层错能低中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院钢的低温形变热处理工艺在过冷A区变形，但无再结晶！合金钢强度可达2800-3300MPa（相对普通的1800-2200MPa）-A中位错遗传，M细小。剧烈强化的钢断裂韧性很可能降低，在结构材料生产中应与注意！中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院钢的高温形变热处理工艺在A区变形后淬火，钢强度与前者比稍低，可达2200-2600MPa, 但塑性较高。可消除回火脆性。M细小，亚晶多，减少应力集中。A层错能低，易发生再结晶，特别是高温形

22、变程度不宜过大，否则出现动态再结晶。总变形量必须大时，应分次进行变形。碳钢和低碳钢变形结束后应立即淬火，防止静态再结晶。有些钢铁材料的亚结构可以多次遗传！性能遗传！如37CrNi3：950 变形25%-淬火100 回火，强度达2500MPa；500 x300min900 x2min淬火100 ，强度重新回到2500MPa。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院扩散型相变前变形的形变热处理工艺高温形变A的珠光体化；2. 低温形变A的珠光体化；3. 高温形变A的贝氏体化；4. 低温形变A的贝氏体化；5. 形变正火形变正火温度控制！形变与扩散性相变结合的形变热处理：形变与扩散性相变

23、结合的形变热处理： 钢中形变与珠光体、贝氏体等转变相结合的形变热处理。 相变前形变：形变等温退火、贝氏体形变等温淬火、形变正火等 相变中形变：获得珠光体或贝氏体。韧性提高。中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院PB扩散型相变与形变热处理F细小；CM含量不高时，形变断裂后可加速球化，弥散分布。这种P屈服强度更高、韧性更好！这种工艺相变过程中的形变热处理可以作为钢淬火前的预备处理。Question: To analyze the characteristics of the microstructures of 45# steel in each process? 中南大学中南大学金属材料热处理MSE_材料科学与工程学院预形变热处理：预形变热处理： 冷变形亚再结晶快速加热+