金屬在塑性變形中的組織結(jié)構(gòu)與性能變化

1、精選文檔6 材料在塑性變形中的組織結(jié)構(gòu)與性能變化 本章僅將簡(jiǎn)要地介紹冷形變及其后的加熱過(guò)程、以及熱形變過(guò)程對(duì)金屬和合金的組織結(jié)構(gòu)與性能的影響的主要理論。6.1 冷形變后金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的變化金屬和合金在低于再結(jié)晶溫度進(jìn)行壓力加工時(shí)，通常就稱為冷形變或冷加工。鋼在常溫下進(jìn)行的冷軋、冷拔、冷擠、冷沖等壓力加工過(guò)程皆為冷形變過(guò)程。在冷形變過(guò)程中組織和性能都會(huì)發(fā)生變化。6.1.1 金屬組織結(jié)構(gòu)的變化金屬塑性變形的物理實(shí)質(zhì)基本上就是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果就產(chǎn)生了塑性變形。在位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，位錯(cuò)之間、位錯(cuò)與溶質(zhì)原子、間隙位置原子以及空位之間、位錯(cuò)與其次相質(zhì)點(diǎn)之間都會(huì)發(fā)生相互作用，引起位錯(cuò)的數(shù)量、分

2、布和組態(tài)的變化。從微觀角度來(lái)看，這就是金屬組織結(jié)構(gòu)在塑性變形過(guò)程中或變形后的主要變化。塑性變形對(duì)位錯(cuò)的數(shù)量、分布和組態(tài)的影響是和金屬材料本身的性質(zhì)以及變形溫度、變形速度等外在條件有關(guān)的。單晶體塑性變形時(shí)，隨著變形量增加，位錯(cuò)增多，位錯(cuò)密度增加，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)在各種障礙前受阻，要連續(xù)運(yùn)動(dòng)需要增加應(yīng)力，從而引起加工硬化。變形到肯定程度后產(chǎn)生交滑移，因而引起動(dòng)態(tài)回復(fù)，這些塑性變形過(guò)程中的變化已是我們所熟知的，不再細(xì)述。多晶體塑性變形時(shí)，隨著變形量增加和單晶體變形一樣，位錯(cuò)的密度要增加。用測(cè)量電阻變化、儲(chǔ)能變化的方法，或者用測(cè)量腐蝕坑的方法以及電鏡直接觀測(cè)的方法都可以出金屬材料的位錯(cuò)密度。退火狀態(tài)的金屬，典

3、型的位錯(cuò)密度值是105108 cm-2，而大變形后的典型數(shù)值是10101012cm-1。通過(guò)試驗(yàn)得到的位錯(cuò)密度（）同流變應(yīng)力（）之間的關(guān)系是： （6-1）式中：a等干0203范圍的常數(shù)；G剪切彈性模量；b柏氏矢量。多晶體塑性變形時(shí)，由于各個(gè)晶粒取向不同，各晶粒的變形既相互阻礙又相互促進(jìn)，變形量稍大就形成了位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)。所謂胞狀結(jié)構(gòu)，是變形的各種晶粒中，被密集的位錯(cuò)纏給結(jié)區(qū)分很多個(gè)單個(gè)的小區(qū)域。這每一個(gè)小區(qū)域的內(nèi)部，位錯(cuò)密集度較低，相對(duì)地可認(rèn)為是沒(méi)有位錯(cuò)的，這一種區(qū)域就稱為胞子。這些小區(qū)域的邊界，稱為胞壁。胞壁位錯(cuò)密度最大。胞壁的排列看起來(lái)好象很混亂，但有一個(gè)共同的傾向，就是它們是平行于低指數(shù)晶

4、面排列的。胞壁兩側(cè)晶體之間通常存在著一個(gè)小于2o的取向差。胞的直徑一般是13，胞的直徑同原始晶粒大小無(wú)關(guān)，它可以隨變形量增加而削減到肯定程度。例如鐵在室溫下變形時(shí)胞的大小同變形量的關(guān)系如圖6-1所示，鐵在室溫下變形的胞狀結(jié)構(gòu)示于圖6-2所示。變形金屬中位錯(cuò)的數(shù)量、分布和組態(tài)要受到很多因素的影響。 圖6-1穩(wěn)態(tài)變形時(shí)鐵的胞子大小同變 圖6-2室溫下變形時(shí)鐵的胞狀結(jié)構(gòu)性量的關(guān)系 層錯(cuò)能高的金屬，擴(kuò)張位錯(cuò)的寬度較小，其螺位錯(cuò)易于交滑移，異號(hào)位錯(cuò)易于合并消逝，所以在相同變形量時(shí)，層錯(cuò)能高的金屬中，位錯(cuò)密度要比層錯(cuò)能低的位錯(cuò)密度低。同樣由于層錯(cuò)能高的金屬，其螺位錯(cuò)易交滑移，易于轉(zhuǎn)變它們所在的滑移面，從而

5、便于排成胞壁結(jié)構(gòu)，所以層錯(cuò)能高的金屬，例如AI、Ni、Fe等，簡(jiǎn)潔產(chǎn)生輪廓清楚的胞狀結(jié)構(gòu)。層錯(cuò)能低的金屬材料，如奧氏體不銹鋼，位錯(cuò)排列是分散的林位錯(cuò)狀的，沒(méi)有發(fā)覺(jué)輪廓清楚的胞狀結(jié)構(gòu)。空位與運(yùn)動(dòng)中的位錯(cuò)發(fā)生相互作用時(shí)要產(chǎn)生割階，割階阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，所以空位增多，可能使位錯(cuò)源增多，位錯(cuò)密度增大。同時(shí)又由于空位增多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙不易排列成胞壁，形成胞狀結(jié)構(gòu)所需要的變形量就要增大。所以，通常由于淬火冷卻比緩慢冷卻時(shí)的空位密度大，因而位錯(cuò)密度高，同時(shí)胞狀結(jié)構(gòu)不易形成。其次相質(zhì)點(diǎn)對(duì)位錯(cuò)的數(shù)量和分布以及組態(tài)也有明顯的影響。間距大的粗質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)胞狀結(jié)構(gòu)的形成。由于它起著位錯(cuò)源的作用，其次相質(zhì)點(diǎn)四周住錯(cuò)增加了

6、，因而就易于在其次相所在的滑移面上形成胞壁。相反，細(xì)小的其次相在變形中阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用大，因而防礙胞狀結(jié)構(gòu)的形成。這種狀況下，形成胞狀結(jié)構(gòu)所需的變形量要比單相金屬相應(yīng)地要大些，位錯(cuò)密度也比單相金屬相應(yīng)地要高些，處在胞內(nèi)的位錯(cuò)也增多了。變形溫度有很大影響，銅、鋁、金、鐵等很多金屬的試驗(yàn)都說(shuō)明：變形溫度降低，位錯(cuò)密度增大，胞內(nèi)位錯(cuò)的數(shù)目增多，形成胞狀結(jié)構(gòu)的傾向降低。即降低變形溫度后，形成明顯的胞狀結(jié)構(gòu)需要的變形量要大。明顯這些都是和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難易程度有關(guān)的。應(yīng)變速率影響的一般規(guī)律是：增加應(yīng)變速率有降低變形溫度相類似的效果。同種材料細(xì)晶粒樣品變形后的位錯(cuò)密度比粗晶粒的大。奇爾斯特（Christ）依

7、據(jù)試驗(yàn)資料提出了位錯(cuò)密度和晶粒大小的數(shù)量關(guān)系 （6-2）式中：d晶粒直徑；、1、n 和應(yīng)變有關(guān)的常數(shù)。小晶粒的材料變形后位錯(cuò)密度高，主要是由于晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，變形過(guò)程中運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)在晶界前產(chǎn)生塞積，而細(xì)小的晶粒組織，單位體積的晶界面積較多，所以細(xì)晶粒材料中位錯(cuò)密度就較大。金屬塑性變形時(shí)所消耗的能量，大部分轉(zhuǎn)化為熱能而散發(fā)掉了，但仍有一小部分以點(diǎn)陣缺陷（空位、間隙位置原子、位錯(cuò)、層錯(cuò)等）的彈性畸變能的形式存貯在變形后的金屬中，從而使其自由能較冷塑性變形前為高。隨變形量增加，位錯(cuò)密度增加，存貯于金屬內(nèi)部的能量增多。但其它點(diǎn)陣缺陷增加，對(duì)提高貯能也有貢獻(xiàn)，因此貯能的變化能較全面地反映塑性變形引起的

8、組織結(jié)構(gòu)變化。假定貯能的大小是和位錯(cuò)密度成比例的，則初次再結(jié)晶過(guò)程中可能釋放出的貯能： （6-3）式中k2是考慮貯能同位錯(cuò)密度的比例關(guān)系的常數(shù)，其余各個(gè)參數(shù)的含義同于式6-2。由上式可見(jiàn)，貯能的大小是和形變程度、晶粒大小有關(guān)的。貯能（嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)是自由能）是形變金屬發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。金屬冷變形后，晶粒外形、夾雜物和其次相的分布也會(huì)發(fā)生變化。拉伸時(shí)，各晶粒順著拉伸方向伸長(zhǎng)；壓縮時(shí)，晶粒被壓成扁平狀。伸長(zhǎng)與壓縮的程度與變形量有關(guān)。變形量大，伸長(zhǎng)與壓扁的程度也越大。變形量特殊大時(shí)，晶粒組織成纖維狀。浸蝕后的金相樣品中，幾乎無(wú)法辨別出晶粒，晶界模糊不清，但晶粒拉長(zhǎng)和壓扁的趨勢(shì)仍舊清楚可見(jiàn)，它與金

9、屬的變形程度相適應(yīng)。金屬或合金內(nèi)部含有其次相或者有夾雜物偏聚時(shí)，變形后會(huì)引起這些偏聚區(qū)域的伸長(zhǎng)而形成帶狀組織。如軸承鋼中的夾雜物帶狀和碳化物帶狀那樣。由晶粒伸長(zhǎng)而形成的纖維組織可用退火消退之，但夾雜物或碳化物集聚區(qū)因變形伸長(zhǎng)而成的帶狀組織，雖經(jīng)過(guò)高溫退火也經(jīng)常不能完全消退。金屬和合金的多晶體一般說(shuō)來(lái)是各向同性的，但經(jīng)冷變形，消滅了帶狀組織和纖維組織后，就使金屬和合金在性能上具有方向性。金屬和合金冷變形后，組織結(jié)構(gòu)上還有一個(gè)重要的變化，就是可能產(chǎn)生擇優(yōu)取向的多晶體組織，即形成形變織構(gòu)。此外，金屬材料在冷變形過(guò)程中，晶體可能被破壞，晶內(nèi)，晶界可能產(chǎn)生微裂紋，甚至宏觀裂紋等。多晶體的各個(gè)部分，以至于

10、晶粒間甚至晶粒內(nèi)各部分間的變形是不均勻的，因而變形后材料內(nèi)部還有殘余內(nèi)應(yīng)力存在。6.1.2 金屬性能的變化金屬材料冷變形后，從顯微鏡能辨別的尺度來(lái)看，晶粒被拉長(zhǎng)，形成了纖維組織；夾雜和其次相質(zhì)點(diǎn)成帶狀或點(diǎn)鏈狀分布，也可能產(chǎn)生形變織構(gòu)；產(chǎn)生各種裂紋。從更加微細(xì)觀的尺度來(lái)看，金屬冷變形后，位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生胞狀結(jié)構(gòu)。點(diǎn)缺陷和層錯(cuò)等晶體缺陷增多，自由能增大。組織結(jié)構(gòu)上這一系列的變化，就會(huì)影響到金屬材料的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能發(fā)生顯著變化。力學(xué)性能的變化體現(xiàn)在：冷加工后，金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)（比例極限、彈性極限、屈服極限、強(qiáng)度極限、硬度）增加，塑性指標(biāo)（面結(jié)率、延長(zhǎng)率等）降低，韌性也降低了。此外，

11、隨著變形程度的增加，還可能產(chǎn)生力學(xué)性能的方向性。生產(chǎn)上經(jīng)常利用冷加工能提高材料的強(qiáng)度，通過(guò)加工硬化（或稱形變強(qiáng)化）來(lái)強(qiáng)化金屬材料，向用戶供應(yīng)冷硬狀態(tài)交貨的冷軋、冷拔和冷擠壓的高強(qiáng)度型材、帶材、線材和鋼絲等。因此，冷加工是通過(guò)塑性變形轉(zhuǎn)變金屬材料性能的重要手段之一。加工硬化作用的應(yīng)用，近年來(lái)有很大進(jìn)展。例如，預(yù)先形變熱處理就是利用加工硬化作用的一例。將平衡組織的鋼于室溫（或零下溫度）進(jìn)行冷變形，獲得相當(dāng)程度的強(qiáng)化，然后進(jìn)行中間回火（軟化），最終再進(jìn)行快速加熱的淬火及最終回火。這種處理工藝就稱為預(yù)先形變熱處理。與一般熱處理相比，由于預(yù)先形變的強(qiáng)化作用，鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有相當(dāng)?shù)奶岣撸?030

12、），而塑性則保持不變或略有增減。冷加工后，形變材料的物理、化學(xué)性能也發(fā)生明顯變化。經(jīng)冷變形后的金屬，由于在晶間和晶內(nèi)產(chǎn)生微觀裂紋和空隙以及點(diǎn)陣缺陷，因而密度降低，導(dǎo)熱、導(dǎo)電、導(dǎo)磁性能降低。同樣緣由，使其金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性降低，耐腐蝕性能降低，溶解性增加。6.2 回復(fù)金屬和合金經(jīng)過(guò)冷塑性變形后，力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能都已發(fā)生了變化，但是金屬冷變外形態(tài)的這些性能是不穩(wěn)定的。冷變形過(guò)程中所消耗的機(jī)械能的一少部分貯存在變形金屬中，從而使其自由能較變形前為高，因此冷變形后的金屬在熱力學(xué)上是處于不穩(wěn)定的亞穩(wěn)狀態(tài)。假如上升溫度，使金屬中的原子獲得足夠的活動(dòng)力量，以克服亞穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)定態(tài)之間的位壘，則經(jīng)冷

13、變形的金屬將自發(fā)地通過(guò)點(diǎn)陣缺陷的削減和重新排列而恢復(fù)到冷變形前的穩(wěn)定態(tài)。點(diǎn)陣缺陷的削減和重排，即是組織結(jié)構(gòu)恢復(fù)到變形前狀態(tài)的變化，也相應(yīng)地引起各種性能的恢復(fù)。冷塑性變形后的金屬加熱時(shí)，通常是依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段的化。這三個(gè)階段不是絕然分開(kāi)的，常有部分重疊?；貜?fù)是指經(jīng)冷塑性變形的金屬在加熱時(shí)，在大角度晶界掃過(guò)變形基體從而形成無(wú)畸變的組織（即再結(jié)晶晶粒組織）前所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化階段。再結(jié)晶是指經(jīng)冷變形后的金屬在加熱時(shí)，通過(guò)再結(jié)晶核心的形成及隨后的成長(zhǎng)，直到變形基體全部被新晶粒消耗完畢，新晶粒相互接觸為止的階段。這一階段又稱為初次再結(jié)晶階段。隨后進(jìn)入晶粒長(zhǎng)大階段?；貜?fù)過(guò)

14、程中，金屬會(huì)釋放出冷塑性變形過(guò)程所貯能量的一部分。殘余內(nèi)應(yīng)力會(huì)降低或消退，電阻率、硬度、強(qiáng)度會(huì)降低，密度、塑性、韌性等會(huì)提高，但是各種性能對(duì)不同的組織結(jié)構(gòu)的敏感性是不同的，所以各種性能的變化速率不盡相同。回復(fù)過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)的變化狀態(tài)與形變后的組織結(jié)構(gòu)以及回復(fù)的溫度和時(shí)間有關(guān)?；貜?fù)溫度較低時(shí)，由于塑性變形所產(chǎn)生的過(guò)量空位就會(huì)消逝。其消逝至少存在著四種可能的機(jī)理：空位遷移到金屬的自由表面或晶界而消逝；空位與塑性變形所產(chǎn)生的間隙位置原子重新合并而消逝：空位與位錯(cuò)發(fā)生相互作用而消逝Z空位聚集成空位片，然后倒塌成位錯(cuò)環(huán)而消逝。電阻率和密度對(duì)空位、間隙位置原子等點(diǎn)缺陷的變化很敏感，而機(jī)械性能對(duì)這些點(diǎn)缺陷的

15、變化卻不很敏感。因此低溫退火時(shí)，機(jī)械性能的變化是不大的，而電阻率卻有較大的不同程度的降低。回復(fù)溫度稍高一些時(shí)，同一個(gè)滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)，會(huì)在塞積位錯(cuò)群的長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)作用下，會(huì)聚而合并消逝，降低位錯(cuò)密度。同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)會(huì)聚前，必需借熱激活來(lái)截過(guò)它們所在的滑移面上的林位錯(cuò)，由于這一過(guò)程的激活能不大，在不很高的溫度下就能發(fā)生。圖6-3多邊化示意圖 圖6-4回復(fù)與再結(jié)晶對(duì)冷 圖6-5再結(jié)晶綜合動(dòng)力曲線變形金屬性能影響回復(fù)溫度較高時(shí)，不但同一滑移而上的異號(hào)位錯(cuò)可以會(huì)聚抵消，而且不同滑移面上的位錯(cuò)也易于攀移和交滑移，從而相互抵消或重新排列成一種能量較低的結(jié)構(gòu)?；貜?fù)溫度越高，位錯(cuò)相互抵消越多，位錯(cuò)密度

16、越低。正是由于位錯(cuò)通過(guò)滑移、攀移運(yùn)動(dòng)的重組，異號(hào)位錯(cuò)相互抵消，形成多邊形化組織。Orowan用位錯(cuò)模型表承多邊形化，如圖6-3；a）表示散亂分布的同號(hào)位錯(cuò)所引起的點(diǎn)陣彎曲；b）表示多邊化前各層點(diǎn)陣彎曲；c）表示多邊化后各層點(diǎn)陣曲，此時(shí)位錯(cuò)已有規(guī)章的排列成行，由原來(lái)無(wú)序狀態(tài)變?yōu)榇怪苯M合。這一過(guò)程只有在較高溫度（例如 Zn單晶體是400）下才能產(chǎn)生。不同金屬的多邊化速度不同，Al多邊形化速度比Cu快100倍。這可能是位錯(cuò)攀移速度較快的原因。這種刃位錯(cuò)的排列形式就構(gòu)成了小角度的傾斜晶界，就形成了亞晶組織。回復(fù)過(guò)程進(jìn)行的速度與各種因素有關(guān)。凡是能使變形金屬中位錯(cuò)密度提高，畸變能增大的各種因素，例如增大

17、變形量，降低變形溫度，加大形變速度，減小晶粒直徑等都加快恢復(fù)。加熱溫度和加熱時(shí)間是影響回復(fù)速度的外部條件。加熱溫度高，恢復(fù)的速度快，同樣的溫度下，初期回復(fù)速度快，時(shí)間增長(zhǎng)以后，回復(fù)速度降低了，是一種所謂的弛豫過(guò)程?；貜?fù)退火在生產(chǎn)中主要用作去內(nèi)應(yīng)力退火，使冷加工的金屬件，在基本上保持加工硬化的條件下降低其內(nèi)應(yīng)力，以避開(kāi)變形和開(kāi)裂，改善工件的耐蝕性。予先形變熱處理工藝中，低溫冷變形后進(jìn)行的中間回火，也是一種回復(fù)性質(zhì)的處理。其目的是為了得到比較穩(wěn)定的位錯(cuò)（亞晶組織），在進(jìn)行快速淬火加熱和最終的回火處理后，仍能夠保持良好的形變強(qiáng)化的效果。6.3 再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大退火溫度上升冷變形材料將發(fā)生再結(jié)晶。再結(jié)

18、晶是從形成無(wú)畸變的晶核開(kāi)頭，漸漸長(zhǎng)大成位錯(cuò)密度很低的等軸狀晶粒。更精確地說(shuō)，是通過(guò)無(wú)畸變的再結(jié)晶核和可移動(dòng)的大角度晶界的形成，及隨后晶界的移動(dòng)，從而形成無(wú)畸變的新晶粒組織的過(guò)程。這一過(guò)程與固態(tài)相變相像，但沒(méi)有相的變化。當(dāng)變形基體全部被無(wú)畸變的新晶粒消耗完畢時(shí)，就完成再結(jié)晶階段，隨后即進(jìn)入晶粒長(zhǎng)大階段。此時(shí)，材料組織從不穩(wěn)定狀態(tài)變成穩(wěn)定狀態(tài)。冷塑性變形后的金屬加熱時(shí)，其組織和性能最顯著的變化是在再結(jié)晶階段發(fā)生的。如圖6-4所示。再結(jié)晶是消退加工硬化的重要軟化手段。再結(jié)晶還是把握晶粒大小、形態(tài)、均勻程度、獲得或避開(kāi)晶粒的擇優(yōu)取向的重要手段。通過(guò)各種影響因素對(duì)再結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行把握，將對(duì)金屬材料的強(qiáng)韌性

19、、熱強(qiáng)性、沖壓住和電磁性等發(fā)生重大的影響。 6.3.1主要影響因素6.3.1.1 溫度精確地確定再結(jié)晶溫度比較困難，這是由于材料純度及化學(xué)成分，晶粒尺寸，形變程度，退火保溫時(shí)間等都是影響金屬再結(jié)晶溫度的因素。測(cè)定再結(jié)晶溫度通常接受硬度法。將冷變形金屬加熱退火保溫3060min后，測(cè)量硬度變化，將軟化程度達(dá)到50的溫度定為再結(jié)晶溫度。同時(shí)接受金相法及X射線法進(jìn)行校核。形變度小于10 15時(shí)多接受金相法校核。在光學(xué)顯微鏡下觀看第一顆新晶粒，或者觀看晶界上消滅“鋸齒狀”邊緣。變形度大時(shí)用X-射線衍射法測(cè)定連續(xù)衍射環(huán)背底上消滅第一個(gè)清楚的斑點(diǎn)時(shí)的溫度。由于形變金屬的再結(jié)晶溫度受多種因素影響，所以材料再

20、結(jié)晶溫度并非固定值。金屬純度及形變量肯定時(shí)，再結(jié)晶溫度與加熱時(shí)間的關(guān)系為 （6-4）式中：t保溫時(shí)間；T再結(jié)晶溫度（K）；Q激活能；R氣體常數(shù)。純金屬形變度為15時(shí)僅消滅晶粒長(zhǎng)大，不發(fā)生再結(jié)晶形核，退火后得到晶粒粗大的組織，材料的強(qiáng)度及塑性同時(shí)下降。這個(gè)形變度稱為臨界變形度。這種現(xiàn)象一般不期望消滅，但是卻可利用這種方法制取單晶體。加熱溫度越高，再結(jié)晶速度越快，開(kāi)頭再結(jié)晶、完成再結(jié)晶所需要的時(shí)間也越短。其規(guī)律如圖6-5所示。6.3.1.2 變形程度金屬的冷變形程度越大，其儲(chǔ)存的能量也越高，再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也越大，因此，再結(jié)晶溫度就越低（如圖6-6所示），同時(shí)等溫退火的再結(jié)晶速度也就越快，開(kāi)頭再結(jié)晶

21、和完成結(jié)晶需要的時(shí)間越短（圖6-7所示）。 圖6-6開(kāi)頭結(jié)晶溫度與預(yù)先冷變形量的關(guān)系 圖6-7再結(jié)晶綜合動(dòng)力曲線晶粒越細(xì)小，同體積的金屬中，晶界的總面積越大，經(jīng)相同程度的塑性變形后，由于位錯(cuò)在晶界四周塞積而導(dǎo)致晶格猛烈彎曲的區(qū)域也就越多，從而供應(yīng)更多的形核場(chǎng)所，因此再結(jié)晶的形孩率更大，再結(jié)晶速率更快，形成晶粒也就越小。6.3.1.3 微量溶質(zhì)原子微量溶質(zhì)原子的存在對(duì)金屬的再結(jié)晶有巨大的影響。表6-1列出了一些溶質(zhì)元素對(duì)變形純銅的再結(jié)晶溫度的影響。表6-1微量溶質(zhì)元素可見(jiàn)微量溶質(zhì)元素會(huì)阻礙再結(jié)晶，提高再結(jié)晶溫度。不同的溶質(zhì)元素其提高再結(jié)晶溫度的程度也不相同。微量溶質(zhì)元素阻礙再結(jié)晶，是由于溶質(zhì)原子

22、與位錯(cuò)及晶界間存在著交互作用，使溶質(zhì)原子多偏聚在位錯(cuò)及晶界處，對(duì)位錯(cuò)的滑移與攀移和晶界的遷移起阻礙作用，不利再結(jié)晶的形核和核長(zhǎng)大，就阻礙了再結(jié)晶。不同溶質(zhì)原子對(duì)再結(jié)晶的影響程度不同，是由于它們與位錯(cuò)及晶界間具有不同的交互作用能，同時(shí)不同溶質(zhì)原子在金屬中還具有不同的集中系數(shù)所致。6.3.1.4 彌散相顆粒彌散相質(zhì)點(diǎn)對(duì)再結(jié)晶的影響主要取決于基體上彌散相顆粒的大小及其分布。金屬發(fā)生冷塑性變形時(shí)，基體中的彌散相硬顆粒直徑較大、間距較大時(shí)，位錯(cuò)在顆粒四周塞積，增大了加工硬化速率，增加了冷變形儲(chǔ)存的能量，使再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力增大。此外，位錯(cuò)在顆粒四周的塞積，在基體中產(chǎn)生了很多有利于再結(jié)晶形核的局部晶格畸變區(qū)，

23、因而促進(jìn)了再結(jié)晶。假如彌的硬顆粒直徑和間距都較小時(shí)，雖然冷變形后的位錯(cuò)密度更大，但是這種彌散分布的細(xì)小的其次相顆粒阻礙了加熱時(shí)位錯(cuò)重新排列構(gòu)成亞晶界，也阻礙了晶界的遷移過(guò)程（即核的生長(zhǎng)過(guò)程），從而使再結(jié)晶受到阻礙。6.3.2 影響再結(jié)晶后晶粒大小的主要因素晶粒大小對(duì)材料的力學(xué)性能和加工性能都有很大的影響。晶粒細(xì)小均勻的材料，變形均勻，變形簡(jiǎn)潔協(xié)調(diào)，塑性韌性好；晶粒細(xì)小，金屬的流變應(yīng)力高，材料的強(qiáng)度高；晶粒細(xì)化，晶界面積增加，使單位面積上偏聚的雜質(zhì)原子數(shù)量削減，可降低脆性轉(zhuǎn)化溫度。利用晶粒細(xì)化是提高材料的性能的重要手段，期望通過(guò)變形和再結(jié)晶過(guò)程來(lái)細(xì)化晶粒。對(duì)沒(méi)有相變重結(jié)晶的金屬和合金來(lái)說(shuō)，形變和

24、再結(jié)晶是細(xì)化晶粒的唯一途徑。因此爭(zhēng)辯影響冷變形金屬再結(jié)晶后晶粒大小的因素是很有實(shí)際意義的。打算再結(jié)晶退火后晶粒大小的最主要因素是預(yù)先變形量、退火溫度，其次是原始晶粒度、雜質(zhì)及退火時(shí)間等。6.3.2.1變形量的影響當(dāng)退火時(shí)間、退火溫度肯定時(shí)，再結(jié)晶后晶粒大小和變形量的關(guān)系如圖6-8所示。當(dāng)變形量很小時(shí)，晶格畸變能低，形核率低，甚至不形核，而且沒(méi)有足夠的動(dòng)力推動(dòng)再結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，不發(fā)生再結(jié)晶，只有晶粒長(zhǎng)大，消滅粗晶組織。當(dāng)變形量達(dá)到肯定值（如碳鋼為210）時(shí)，再結(jié)晶后的晶粒特殊粗大，此變形程度稱為臨界變形程度。在制定壓力加工工藝和進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留意不使局部區(qū)域的形變量在臨界變形區(qū)范圍內(nèi)。當(dāng)變形程

25、度超過(guò)臨界變形程度以后，變形量越大再結(jié)晶后的晶粒越細(xì)，這是由于變形程度增加，使再結(jié)晶核心數(shù)目增多的結(jié)果。為了細(xì)化晶粒，條件允許時(shí)，應(yīng)盡量接受大變形量，避開(kāi)在臨界變形程度加工。6.3.2.2 退火溫度的影響提高退火溫度，不僅使再結(jié)晶晶粒度大，而且還會(huì)影響到臨界變形程度。見(jiàn)圖6-9，隨著退火溫度上升，其臨界變形程度變小，且再結(jié)晶晶粒明顯長(zhǎng)大。原始晶粒的大小及夾雜的存在都對(duì)再結(jié)晶后的晶粒大小有影響。通常在同樣變形程度和溫度下，原始晶粒越細(xì)，再結(jié)晶后的晶粒也越細(xì)；通常雜質(zhì)阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，對(duì)組織細(xì)化有肯定影響，特殊是分布在晶界上的雜質(zhì)成連續(xù)膜時(shí)，造成的障礙作用更大。 圖6-8 溫度肯定時(shí)變形量與 晶

26、粒大小的關(guān)系圖6-9 低碳鋼(0.06%C)變形量及退火溫度對(duì)再結(jié)晶晶粒大小的影響6.4 熱變形過(guò)程中金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的變化 熱形變或熱加工是指在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的變形過(guò)程。在冶金產(chǎn)品中，除一些鑄件和燒結(jié)件外，利用材料一般在熱變形時(shí)其塑性較好的特點(diǎn)，幾乎全部初加工產(chǎn)品都接受熱加工方法。其中一部分產(chǎn)品就以熱加工狀態(tài)使用，另一部分為中間產(chǎn)品，為深加工產(chǎn)品供應(yīng)坯料。不論中間產(chǎn)品還是最終成品，它們的性能都要受到熱加工過(guò)程所形成的組織的影響。熱加工變形之所以具有如此重要的作用，是由于有其固有特點(diǎn)。6.4.1 熱變形的特點(diǎn)與其它加工方法相比，熱加工所具有優(yōu)點(diǎn)是： （1）處欲熱變形時(shí)的金屬，其變形抗力低

27、，因此能量消耗少。 （2）金屬在熱加工變形時(shí)，在加工硬化過(guò)程的同時(shí)，也存在著回復(fù)或再結(jié)晶的軟化過(guò)程，就使塑性變形簡(jiǎn)潔進(jìn)行。一般狀況下其塑性、韌性好，產(chǎn)生斷裂的頻向性削減。同時(shí)，高溫下金屬原子活動(dòng)性提高，使金屬中密閉的空洞、氣泡、裂紋等缺陷易于焊合。但要充分留意，熱加工的最佳溫度范圍隨鋼種成分的不同而異，避開(kāi)在可能發(fā)生塑性惡化的溫度區(qū)間內(nèi)加工。例如工業(yè)純鐵或鋼中含硫量過(guò)高時(shí)，可能形成分布于晶界上的低熔點(diǎn)硫化物共晶體，熱變形時(shí)發(fā)生開(kāi)裂的“紅脆”現(xiàn)象 （3）與冷加工相比，熱加工變形一般不易產(chǎn)生織構(gòu)。這是由于在高溫下發(fā)生滑移的系統(tǒng)比較多，使滑移面和滑移方向不斷發(fā)生變化，因此，工件的擇優(yōu)取向性較小。 （

28、4）生產(chǎn)過(guò)程中，不需要象冷加工那樣的中間退火，從而可簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序，提高生產(chǎn)率，降低成本。 （5）通過(guò)把握熱加工過(guò)程，可以在很大程度上轉(zhuǎn)變金屬材料的組織結(jié)構(gòu)以滿足各種性能的要求。但和其它加工方法比較起來(lái)，其不足之處主要是： （1）對(duì)過(guò)薄或過(guò)細(xì)的工件，由于散熱較快，生產(chǎn)中保持熱加工溫度困難。因此，目前生產(chǎn)落的或細(xì)的金屬材料，一般仍接受冷加工（冷軋、冷拉）的方法。 （2）熱加工后工件的表面不如冷加工生產(chǎn)的光滑，尺寸也不如冷加工生產(chǎn)的精確。 （3）由于在熱加工結(jié)束時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)的溫度難于均勻全都，溫度偏高處晶粒尺寸要大一些，特殊是大斷面的狀況下更為突出。因此，熱加工后產(chǎn)品的組織、性能經(jīng)常不如冷加工的均勻。

29、 （4）熱加工金屬材料的強(qiáng)度比冷加工的低。 （5）某些金屬材料不宜熱加工。例如銅中含Bi時(shí)，它們的低熔點(diǎn)雜質(zhì)分布在晶界上，熱加工會(huì)引起晶間斷裂。6.4.2 金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的變化熱加工變形后組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是： （1）改造鑄態(tài)組織鑄態(tài)金屬組織中的縮孔、疏松、空隙、氣泡等缺陷等得到壓縮式焊合，鑄態(tài)組織的物理、化學(xué)和結(jié)晶學(xué)方面的不均勻性會(huì)得到改造。（2）細(xì)化晶粒和裂開(kāi)夾雜物圖6-10氧化物夾雜的數(shù)量與接觸疲憊壽命的關(guān)系鑄態(tài)金屬中的拄狀晶和粗大的等軸晶經(jīng)鍛造或軋制等熱變形和對(duì)再結(jié)晶的有效把握，可變?yōu)檩^細(xì)小均勻的等軸晶粒。變形金屬中（如各種坯料）的粗大不均勻的晶粒組織，通過(guò)熱變形和有效的再結(jié)晶把握也可

30、變?yōu)榧?xì)小均勻的等軸晶粒。假如熱變形和隨后的冷卻條件適當(dāng)?shù)貐f(xié)作，還可以得到強(qiáng)韌性能很好的亞晶組織。細(xì)小均勻的晶粒組織，亞晶組織是具有強(qiáng)度高、塑性好、韌性好、脆性轉(zhuǎn)化溫度低的特點(diǎn)。因此，一般的結(jié)構(gòu)鋼都期望得到細(xì)小均勻的晶粒組織和亞晶組織。熱變形裂開(kāi)夾雜物和其次相并能轉(zhuǎn)變它們的分布，這對(duì)改善性能格外有益。夾雜物對(duì)變形組織的影響，不僅同它的總量有關(guān)，而且還和夾雜物的大小和分布有關(guān)。通過(guò)熱變形裂開(kāi)夾雜物，并改善它集中分布的狀態(tài)，盡可能的使其分布在較大的范圍內(nèi)，就可分散它的不利作用，從而降低其危害性。如在冷作模具鋼、高速鋼、軸承鋼中存在粗大的碳化物，將明顯降低其耐磨性、韌性和接觸疲憊壽命，圖6-10表示了

31、氧化物夾雜的尺寸與接觸疲憊壽命的關(guān)系。熱加工對(duì)裂開(kāi)碳化物、在肯定程度上轉(zhuǎn)變碳化物的外形并使之均布可起到作用。（3）熱變形中形成的纖維組織 形成纖維組織也是熱加工變形的一個(gè)重要特征。鑄態(tài)金屬在熱加工變形中所形成的纖維組織和金屬在冷加工變形中由于晶粒被拉長(zhǎng)而形成的纖維組織不同。前者是由于金屬鑄態(tài)結(jié)晶時(shí)所產(chǎn)生的枝晶偏析，在熱變形中保留下來(lái)，并隨著變形而延長(zhǎng)形成的“纖維”。 變形金屬由于纖維組織的形成而消滅方向性，其縱向和橫向具有不同的機(jī)械性能，從表6-2中可見(jiàn)到，沿纖維組織方向試樣具有較高的強(qiáng)度和塑性,沿橫向的塑性指標(biāo)降低。生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)充分利用纖維組織造成變形金屬具有方向性這一特點(diǎn)，使纖維組織形成的

32、流線在工件內(nèi)有更適宜的分布。表6-2 45號(hào)鋼機(jī)械性能與纖維方向性的關(guān)系 （4）形成帶狀組織熱加工形成的帶狀組織可表現(xiàn)為晶粒帶狀和碳化物帶狀兩類。緩冷的熱軋低碳鋼中可能會(huì)消滅先共折鐵素體和珠光體交替相間的顯微組織帶狀（二次帶狀），兩相區(qū)的低溫大變形量軋制使先共析鐵素體，被拉長(zhǎng)而成的帶狀組織都屬于晶粒帶狀組織。枝晶偏析嚴(yán)峻的高碳鋼（如軸承鋼、工具鋼）假如熱加工前或加工過(guò)程中未作均勻化退火，先共折滲碳體在熱加工中裂開(kāi)沿延長(zhǎng)方向分布，也可能消滅碳化物帶狀。終軋溫度過(guò)高，冷卻速度過(guò)漫，壓縮比不足都會(huì)增大碳化物帶狀的級(jí)別。脆性?shī)A雜物在熱加工中可能被裂開(kāi)而成點(diǎn)鏈狀分布，塑性?shī)A雜物會(huì)被拉長(zhǎng)或壓扁而成條帶狀。

33、鋼材中消滅這些帶狀組織，都會(huì)降低鋼材的機(jī)械性能。（5）形成網(wǎng)狀組織高碳鋼（如軸承鋼）的軋前加熱溫度一般都高于AC。線，加熱時(shí)碳化物幾乎全部溶解到奧氏體區(qū)內(nèi)。在軋后奧氏體狀態(tài)下的冷卻過(guò)程中，二次滲碳體析出并在奧氏體晶界形成網(wǎng)狀碳化物，對(duì)材料的使用壽命影響很大，嚴(yán)峻地降低其強(qiáng)度和韌性。爭(zhēng)辯結(jié)果表明，保溫溫度和保溫時(shí)間比變形量對(duì)網(wǎng)狀碳化物的影響顯著。在變形條件下，在750保溫，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)析出嚴(yán)峻。在軋制生產(chǎn)中，接受降低終軋溫度，在850左右終軋，通過(guò)形變細(xì)化碳化物，隨后快速冷卻到700以下，就可以消退或削減網(wǎng)狀碳化物?？傊?，通過(guò)熱變形可以顯著的轉(zhuǎn)變金屬的組織和性能。設(shè)計(jì)合適的加工工藝，得到具備

34、抱負(fù)組織和性能的產(chǎn)品是我們的目的所在。6.4.3 金屬在熱變形過(guò)程中的特點(diǎn) 金屬在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的熱變形過(guò)程中發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶，熱變形的最大特點(diǎn)是加工硬化與軟化同時(shí)進(jìn)行。熱加工過(guò)程中的回復(fù)和再結(jié)晶，就其性質(zhì)來(lái)講可分成五種形態(tài)，即動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶及亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是熱變形終止后，利用余熱進(jìn)行的回復(fù)和再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是指在形變過(guò)程中和形變同時(shí)發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶。正由于其發(fā)生的時(shí)間、條件的不同，對(duì)材料的組織結(jié)構(gòu)、性能影響不同。 下面以鋼的奧氏體高溫加工為例來(lái)說(shuō)明金屬在熱加工過(guò)程中發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶。 （1） 奧氏體熱加工過(guò)程

35、中的組織結(jié)構(gòu)變化 奧氏體熱加工是加工硬化與高溫動(dòng)態(tài)軟化同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可以由奧氏體熱。變形的應(yīng)力一應(yīng)變曲線反映出來(lái)。圖6-11是奧氏體熱變形的真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線的一般形式。應(yīng)力應(yīng)變曲線由三個(gè)階段組成。圖6-11奧氏體熱變形的真實(shí)應(yīng)力一應(yīng)變曲線的一般形式第一個(gè)階段：當(dāng)塑性變形量小時(shí)，隨著變形量增加，流變應(yīng)力漸漸增大，直到達(dá)到最大值。位錯(cuò)密度不斷增加，造成了材料的加工硬化。但變形是在高溫下進(jìn)行，加工硬化加劇的同時(shí)，變形中所產(chǎn)生的位錯(cuò)能夠在加工過(guò)程中通過(guò)交滑移和攀移運(yùn)動(dòng)，使部分位錯(cuò)消逝，部分位當(dāng)位錯(cuò)重新排列進(jìn)展到肯定程度時(shí)，形成了清楚的亞晶界。結(jié)構(gòu)上的這些變化都使得材料軟化，由于這是在熱加工

36、過(guò)程中發(fā)生的，故稱為動(dòng)態(tài)軟化。這種動(dòng)態(tài)軟化是回復(fù)產(chǎn)生的，所以它是一種動(dòng)態(tài)回復(fù)。變形綜合作用的結(jié)果是形變硬化超過(guò)動(dòng)態(tài)回復(fù)的軟化作用，因此隨著變形量增加，流變應(yīng)力增加，始終達(dá)到峰值為止。只是當(dāng)變形量漸漸增大，位錯(cuò)密度不斷增大的同時(shí)，位錯(cuò)消逝的速度隨之增加，加工硬化速度漸漸減弱。反應(yīng)在應(yīng)力一應(yīng)變曲線上，隨著形變量增加，曲線的斜率越來(lái)越小。在這一階段等軸的奧氏體晶粒被拉長(zhǎng)了。 其次階段：第一階段的動(dòng)態(tài)回復(fù)抵消不了形變產(chǎn)生的加工硬化。隨著變形量的增加，金屬內(nèi)部畸變達(dá)到肯定程度后，形變的奧氏體就將發(fā)生再結(jié)晶。由于是在熱加工過(guò)程中發(fā)生的再結(jié)晶，故稱為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，使更多的位錯(cuò)消逝，材料的

37、流變應(yīng)力很快下降，這是熱加工過(guò)程的另一種軟化方式。發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶必需的最低變形量，稱為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量，以表示， 幾乎與應(yīng)力應(yīng)變曲線上的峰植相等，精確定量的講。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界變形程度數(shù)值的物理意義是：當(dāng)形變量小于時(shí)，在奧氏體晶粒內(nèi)位錯(cuò)密度上升、發(fā)生加工硬化的同時(shí)，只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)的軟化過(guò)程；當(dāng)變形量大于時(shí)，才能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是在熱加工過(guò)程中發(fā)生進(jìn)展的，即在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核長(zhǎng)大的同時(shí)，形變是在連續(xù)進(jìn)行著，因此動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所形成的新晶粒，其結(jié)構(gòu)是與靜態(tài)再結(jié)晶晶粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)不同的，富集了新的位錯(cuò)，仍有較高的位錯(cuò)密度或者亞晶。在金屬內(nèi)部不同的部分都可能分別存在著由零到一系列不同程度的形變

38、量，就是說(shuō)仍舊存在著肯定的加工硬化的。同時(shí)在已經(jīng)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒內(nèi)部，可能開(kāi)頭新的動(dòng)態(tài)回復(fù)，形成新的亞晶，甚至又產(chǎn)生新的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶核心。就整個(gè)奧氏體來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生并不能都消退全部的加工硬化。因此，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不是完全軟化機(jī)理。反映在應(yīng)力一應(yīng)變曲線上，即使發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，流變應(yīng)力仍比原始狀態(tài)的數(shù)值高，這也與靜態(tài)再結(jié)晶不同。圖6-12連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與間斷動(dòng)態(tài)再結(jié)晶應(yīng)力應(yīng)變曲線第三階段：這一階段的應(yīng)力一應(yīng)變曲線可能消滅兩種狀況，即變形量連續(xù)增加時(shí)，應(yīng)力基本不變，呈穩(wěn)態(tài)變形，如圖6-12曲線a所示。另外也可能隨著變形量連續(xù)增加時(shí)，呈非穩(wěn)態(tài)變形，如圖6-11之曲線b所示。連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的穩(wěn)態(tài)

39、變形 熱加工形變及再結(jié)晶都不斷進(jìn)行，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所形成的晶粒，重新發(fā)生形變、加工硬化，隨即又開(kāi)頭新的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，如此循環(huán)不止。假如材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶從產(chǎn)生核心到奧氏體全部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶完成所需要的形變量為，可能大于發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量；也可能小于。當(dāng)臨界變形量時(shí)，發(fā)生連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的穩(wěn)態(tài)變形。即已發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒，又承受變形，并在某些區(qū)域已達(dá)到的變形量，就可能產(chǎn)生其次輪的再結(jié)晶核心，開(kāi)頭其次輪的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。如此類推，在變形過(guò)程中的奧氏體內(nèi)可能同時(shí)發(fā)生幾輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，每一輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶又可能同時(shí)處于再結(jié)晶進(jìn)展的不同階段，有的剛開(kāi)頭，有的接近結(jié)束。奧氏體內(nèi)各處的形變量不同，有的是零，有的具有肯定的

40、數(shù)值，于是，平均起來(lái)看，在這個(gè)階段的變形過(guò)程中，平均變形量大體恒等于某一個(gè)數(shù)值，結(jié)果就反映出一個(gè)平均不變的應(yīng)力值。這種狀況就是消滅連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)的穩(wěn)態(tài)變形。當(dāng)時(shí)，發(fā)生間斷動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。間斷動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 第一輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶完成時(shí)，晶粒的形變量尚未達(dá)到值，還不能馬上發(fā)生其次輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。其次輪再結(jié)晶未開(kāi)頭前，這時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶這種軟化機(jī)理已失效，流變應(yīng)力要增加直到其次輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶開(kāi)頭為止，因此應(yīng)力一應(yīng)變曲線上消滅了波浪形，呈非穩(wěn)態(tài)變形。這種狀況下，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是間斷進(jìn)行的。 和受到形變條件的影響，變形溫度和速度是主要影響因素。變形溫度高或應(yīng)變速率降低都使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量降低。但是上升溫度，降低應(yīng)變速

41、率，由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶開(kāi)頭形核到全部完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需要的變形量降低得更顯著。所以上升變形溫度，降低應(yīng)變速率，就可能消滅的狀況。由于在高變形溫度，或低應(yīng)變速率狀況下，在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒內(nèi)的位錯(cuò)密度增加得較慢，與未動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的含有較高位錯(cuò)密度的基體間具有肯定的位錯(cuò)密度差，也就是能保持肯定的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶界的遷移速度，這樣動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的速度較快，就可以在較小的變形量完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，為。相反地，在變形溫度低，或低應(yīng)變速率高狀況下，已動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒中的位錯(cuò)密度增加得較快，與未動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的畸變能差減低，降低了晶界移動(dòng)速度，降低了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的速度，因而需要變形量更大時(shí)才能全部完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使得變大，消滅現(xiàn)象。圖6

42、-13奧氏體在熱加工間隔時(shí)間內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化 第三階段的變樣子況除受變形條件影響外，材料的化學(xué)成分、奧氏體原始晶粒大小對(duì)其也有影響。一般狀況是：奧氏體中固溶有合金元素或存在有細(xì)小的其次質(zhì)點(diǎn)，提高；原始奧氏體晶粒尺寸較大，也使提高。某些時(shí)候，期望得到亞晶組織，不期望發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)，就可以通過(guò)把握各種因素來(lái)把握和變形量以達(dá)到預(yù)期的目的。 （2） 奧氏體在熱加工間隔時(shí)間內(nèi)及熱加工后發(fā)生的變化 在多道次的完成的奧氏體熱加工過(guò)程中，材料始終是處于高溫狀態(tài)下，因此格外有必要爭(zhēng)辯熱加工間隔時(shí)間內(nèi)或熱加工后奧氏體的組織結(jié)構(gòu)變化。在變形過(guò)程中發(fā)生的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，都不能完全消退材料的加工硬化，奧氏

43、體晶粒中仍殘留有畸變能，因而這樣的組織結(jié)構(gòu)仍舊不是穩(wěn)定的。在熱加工的間隔時(shí)間內(nèi)及熱加工后緩冷過(guò)程中，性能上會(huì)連續(xù)軟化，對(duì)應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)的變化就是回復(fù)和再結(jié)晶。不過(guò)這是在熱加工后發(fā)生的，叫做靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶。在此我們引入了軟化百分?jǐn)?shù)描述奧氏體熱加工后在間隔時(shí)間內(nèi)的軟化程度。將鋼加熱到奧氏體區(qū)后進(jìn)行熱加工，當(dāng)形變量達(dá)某一數(shù)值時(shí)，停止熱加工并卸載，隨后等溫保持不同時(shí)間以后，再加力使之變形。發(fā)覺(jué)其次次變形時(shí)，流變應(yīng)力有不同程度的降低，如圖6-13所示。停留時(shí)間越長(zhǎng)，流變應(yīng)力越低。圖6-14 0.68%C鋼在780熱變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在兩次形變之間奧氏體的軟化百分?jǐn)?shù)X為： （6-5） 式中：奧氏體熱

44、加工前原始的屈服強(qiáng)度奧氏體熱加工達(dá)到變形量時(shí)的流變應(yīng)力；予變形為并等溫保持時(shí)間后再變形的流變應(yīng)力。 軟化百分?jǐn)?shù)X，與熱加工溫度、加工速度、變形量和間隔時(shí)間都有關(guān)。不同的熱加工量使奧氏體在熱加工中形成的組織結(jié)構(gòu)不同，爭(zhēng)辯幾種不同形變量的奧氏體在間隔時(shí)間內(nèi)軟化百分?jǐn)?shù)的變化，實(shí)質(zhì)上也是爭(zhēng)辯在熱加工過(guò)程中，已形成的不同奧氏體結(jié)構(gòu)在熱加工的間隔時(shí)間內(nèi)將連續(xù)發(fā)生的變化。遠(yuǎn)小于時(shí)：如圖6-14曲線上 a點(diǎn)所示的形變量，這一形變量既小于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形，也小于靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量。在這一變形量時(shí)，熱加工中只有動(dòng)態(tài)回復(fù)發(fā)生，熱加工后在該溫度下保溫時(shí)其軟化狀況如圖6-15中曲線a所示。由該曲線可見(jiàn)，形變停止

45、后，奧氏體軟化馬上開(kāi)頭。隨著保溫時(shí)間增長(zhǎng)，軟化程度增大，但軟化達(dá)到肯定程度后就停止不變，即使延長(zhǎng)保溫時(shí)間，也仍有約70以上的加工硬化不能消退。這種變化有如冷加工退火時(shí)的回復(fù)階段，稱為靜態(tài)回復(fù)。在靜態(tài)回復(fù)中，位錯(cuò)連續(xù)削減，亞晶界更加清楚。未消退的加工硬化，對(duì)下道熱加工的硬化有迭加作用。假如這是最終一道軋制，則在急冷下來(lái)的相變組織中，仍保留高溫形成的高位錯(cuò)密度結(jié)構(gòu)。 小于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量，但大于靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量時(shí)：如圖6-14曲線上b點(diǎn)所示的變形量，在熱加工中未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，只有動(dòng)態(tài)回復(fù)。熱加工后在該溫度保溫時(shí)，經(jīng)過(guò)肯定時(shí)間的靜態(tài)回復(fù)后會(huì)發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。其熱加工后的恒溫軟化過(guò)程如圖6

46、-15中曲線b所示。由該曲線可見(jiàn)其軟化過(guò)程包括兩個(gè)階段，第一階段軟化靜態(tài)回復(fù)，其次階段就是靜態(tài)再結(jié)晶。靜態(tài)再結(jié)晶進(jìn)展的結(jié)果，形成新的低位錯(cuò)密度的再結(jié)晶晶粒，熱加工產(chǎn)生的加工硬化可全部消退。此時(shí)，假如再次熱加工，流變應(yīng)力便回復(fù)到熱加工前的原始屈服強(qiáng)度。 大于時(shí)：如圖6-14曲線上c點(diǎn)所示的變形量，在熱加工中已發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，熱加工后，其軟化過(guò)程如圖6-15中曲線C所示。該軟化過(guò)程由三個(gè)階段所組成。第一階段為靜態(tài)回復(fù)，其次階段為亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，第三階段為靜態(tài)再結(jié)晶。亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是另一種軟化機(jī)理，它不同于靜態(tài)再結(jié)晶，不需要新的再結(jié)晶核心，而是利用奧氏體已經(jīng)形成的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶核心，但還沒(méi)有進(jìn)行動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的

47、核心作為自己的核心；它也不同于一般的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，體現(xiàn)在它是發(fā)生在形變終止以后的再結(jié)晶。既在已發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的奧氏體中，已經(jīng)存在不少剛形成的核心，在形變停止時(shí)，這些剛形成的核心未承受過(guò)形變，比四周基體更穩(wěn)定，因此停止形變后，四周基體就以其為核心，發(fā)生再結(jié)晶，這就是所謂的亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生后，軟化過(guò)程連續(xù)進(jìn)行時(shí)，就發(fā)圖6-15 0.68%C鋼在780變形時(shí)不同變形量對(duì)靜態(tài)軟化的影響圖6-16奧氏體在熱加工中及其后的間隔時(shí)間內(nèi)的變化示意圖生靜態(tài)再結(jié)晶。由于在未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的奧氏體中，只有變形終止后才能形成再結(jié)晶核心，因而這些區(qū)域只能發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶而不能發(fā)生亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。 遠(yuǎn)大干時(shí)：如圖

48、6-14曲線上d點(diǎn)所示，形變停止后，其軟化過(guò)程如圖6-15中曲線d所示。軟化過(guò)程由兩階段組成。第一階段是靜態(tài)回復(fù)，其次階段是亞動(dòng)再結(jié)晶。由于變形量很大，熱變形時(shí)已處于穩(wěn)定變形階段，變形中形成的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶核心，在形變停止后，這些動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的核心快速長(zhǎng)大，亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行很快，在靜態(tài)再結(jié)晶未發(fā)生前，奧氏作已全部發(fā)生了亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。 奧氏體熱加工后的間隔時(shí)間所發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)的變化，與奧氏體熱變形歷史狀況親密相關(guān)，即與奧氏體的變形溫度、形變速率、形變量等有親密關(guān)系。奧氏體在熱加工過(guò)程中及熱加工停止后的間隔時(shí)間內(nèi)發(fā)生的變化，可綜合表示于圖6-16中。圖的上半部是熱加工的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，圖的下半部是熱

49、加工后時(shí)間隔時(shí)間內(nèi)軟化的幾種機(jī)理及軟化百分?jǐn)?shù)。圖的上半部可看到熱加工過(guò)程的真應(yīng)力變化，圖的下半部可以看到熱加工后間隔時(shí)間內(nèi)將發(fā)生的軟化過(guò)程。在下半部的圖中，對(duì)應(yīng)任一變形量作一垂線，垂線可能通過(guò)的幾個(gè)區(qū)域,既表示軟化的幾種機(jī)理。沿垂線由下向上，表示軟化過(guò)程的挨次及相應(yīng)的軟化百分?jǐn)?shù)。圖中的陰影線部分表示殘留的加工硬化百分?jǐn)?shù)。在靜態(tài)軟化過(guò)程中，有一個(gè)關(guān)鍵的變形量，即靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形，只有當(dāng)變形量大于時(shí)，在熱加工后的間隙時(shí)間內(nèi)才可能發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。的大小受變形后的保溫溫度、形變速率、奧氏體的化學(xué)成份及奧氏體的晶粒大小影響。降低變形后的保溫溫度，提高變形速率及增大奧氏體的晶粒尺寸，都使增加，使靜態(tài)再

50、結(jié)晶不易發(fā)生。增加奧氏體中合金元素也有同樣的效果。（3）回復(fù)與再結(jié)晶的速率及再結(jié)晶后的晶粒大小熱加工后奧氏體回復(fù)與再結(jié)晶的速率主要打算于奧氏體內(nèi)部存在的畸變能大小，熱加工后停留的溫度凹凸，奧氏體的成份及其次相質(zhì)點(diǎn)大小等。當(dāng)奧氏體的成份肯定時(shí)，增大變形量，提高應(yīng)變速率，提高形變后的停留溫度t，都將提高回復(fù)與再結(jié)晶的速率，并促使再結(jié)晶晶粒細(xì)化。晶粒大小直接影響到材料的性能，對(duì)熱加工后的再結(jié)晶晶粒大小把握格外重要。熱加工后發(fā)生的再結(jié)晶晶粒大小和變形量、變形溫度、應(yīng)變速率、變形后停留時(shí)間以及原始奧氏體晶粒大小有關(guān)。大的變形量和低的熱加工溫度，高的應(yīng)變速率和細(xì)的原始晶粒尺寸都將增大再結(jié)晶的形核速率，促使

51、再結(jié)晶晶粒細(xì)化。經(jīng)過(guò)熱加工是可以細(xì)化奧氏體晶粒的。但再結(jié)晶完成后連續(xù)保持在高溫，奧氏體晶粒就會(huì)粗化。鋼中如有細(xì)小分散的其次相存在會(huì)阻礙晶界移動(dòng)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大較慢些，短時(shí)間高溫停留，或冷卻速度慢一些，也不會(huì)變得太粗，這一點(diǎn)是很有意義的。變形后的靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸主要取決于該溫度下的形變量大小，與形變溫度關(guān)系小。原始晶粒大小的影響在變形量比較小時(shí)更明顯，由于再結(jié)晶的核心主要集中在奧氏體中晶界四周，但當(dāng)形變量大時(shí)，不僅晶界四周，晶內(nèi)也易于產(chǎn)生再結(jié)晶核心，故此時(shí)奧氏體晶粒大小對(duì)再結(jié)晶后的晶粒尺寸的影響就漸漸減弱。但要留意，假如變形溫度降低，靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量增大，靜態(tài)再結(jié)晶就難發(fā)生。在肯定的變形

52、溫度以下，甚至熱加工后停留很長(zhǎng)的時(shí)間也不發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。在這樣的溫度下進(jìn)行熱加工，奧氏體晶粒不能通過(guò)靜態(tài)再結(jié)晶而細(xì)化，但是可以得到細(xì)小的亞晶組織。隨著變形量增加，奧氏體晶粒被拉長(zhǎng)，晶內(nèi)的亞晶尺寸也越來(lái)越小。利用亞晶來(lái)強(qiáng)化金屬材料具有重要的工業(yè)意義6.5 材料的各向異性6.5.1形變織構(gòu)塑性變形前的金屬多晶體各晶粒的位向是任憑的，塑性變形后晶粒的某些晶向平行于肯定方向，某些晶面平行于肯定平面，材料性能在某種程度上變得有方向性,使材料呈現(xiàn)出各向異性。這些晶面及晶向優(yōu)先平行于某個(gè)方向或某個(gè)平面的現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向，這種結(jié)構(gòu)稱為形變織構(gòu)。為了更好地利用或消退金屬材料的各向異性，爭(zhēng)辯形變織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)的

53、形成規(guī)律是格外重要的。例如純Al經(jīng)99的拉拔變形后，大約有92的晶粒的<111>平行于拉伸軸，稱之為絲織構(gòu)，纖維織構(gòu)或<111>絲織構(gòu)。冷變形金屬再結(jié)晶退火后消滅的織相稱為再結(jié)晶織構(gòu)。形變織構(gòu)實(shí)際上并非全部晶粒的某類晶向嚴(yán)格平行于肯定方向，某些晶粒和亞晶粒與抱負(fù)方向常有肯定的位向差，這種現(xiàn)象稱為“織構(gòu)散布”。織構(gòu)散布不僅存在于晶粒之間，也存在于晶粒內(nèi)部。形變織構(gòu)有幾種不同類型。（1）軸向絲織構(gòu) （拉拔織構(gòu)）材料拉伸時(shí)各晶粒向著拉伸外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，形成了某一晶向與拉伸軸平行。Fe，W ，Mo，Nb等體心立方金屬拉伸后<110>方向平行于拉伸軸，形成<11

54、0>絲織構(gòu)。面心立方金屬的絲織構(gòu)主要有<111>和<100>。鋁只有<111>織構(gòu)，純銅、鎳兩種織構(gòu)都又。幾種純金屬的絲織構(gòu)如表6-3。表6-3 面心立方金屬的絲織構(gòu) （2）體心立方金屬壓縮變形時(shí)主要產(chǎn)生（111）織構(gòu)，同時(shí)也有較弱的<100>和<112>織構(gòu)，變形量增大，<112> 織構(gòu)變?nèi)?。面心立方金屬一般產(chǎn)生<110>織構(gòu)及其它一些弱織構(gòu)。（3）軋制產(chǎn)生的織構(gòu)不僅某些晶向平行于軋制方向，而且某些晶面平行于軋制平面，稱為板織構(gòu)。體心立方金屬合金的典型軋制織構(gòu)主要是100<011>+112&

55、lt;110>+111<112>。純鐵經(jīng)過(guò)98.8%壓下率的軋制后的織構(gòu)就是這種類型。面心立方金屬板織構(gòu)基苯上可以分為兩類：一類為“銅式”織構(gòu)，也稱為“純金屬”織構(gòu)。銅、鋁、鎳、金等金屬的軋制織構(gòu)就是這種類型。其特點(diǎn)是具有110<112>和112<111>兩種織構(gòu)組分。另一類是“黃銅式”織構(gòu)，也稱為“合金”織構(gòu)，特點(diǎn)是110<112>織構(gòu)的組分。常見(jiàn)金屬形變織構(gòu)如表6-4。表6-4面心和鐵心形變織構(gòu)的比較 （4）形變織構(gòu)理論形變織構(gòu)是多晶體滑移過(guò)程中晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，僅以面心立方金屬絲織構(gòu)為例做一簡(jiǎn)要分析。 形變織構(gòu)較成功的定量理論尚未建立。最早爭(zhēng)辯形變織構(gòu)的是WBoas和ESchmid，利用標(biāo)準(zhǔn)投影圖分析了滑移時(shí)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6-17是面心立方單晶體最有利滑移系統(tǒng)與拉伸方向的關(guān)系。（a）圖中箭頭所指方向表示晶體轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，從中可見(jiàn)形變后的確能形成<111>或<100>織構(gòu)。（b）圖中三角形內(nèi)各區(qū)