臨界變形區(qū)相關(guān)理論

關(guān)于臨界變形區(qū)品粒長大的機(jī)理，有二種理論：一是按經(jīng)典理論認(rèn)為臨界變形區(qū)粗品是由于該區(qū)變形量小，形核數(shù)目少，新品核靠消耗其周圍已變形晶胞而長大；二是近代研究認(rèn)為，該區(qū)是無形核長大形成的，是由于變形程度小，位元錯密度低，不足以形成再結(jié)品核心。而某些品粒由于位向不合適，沒有塑性變形或變形很小，于是在加熱過程中，這些晶粒的晶界以畸變能差為驅(qū)動力向鄰近的畸變能高的晶粒內(nèi)遷移。隨著晶界遷移和品粒長大，這些品粒與相鄰品粒相比，不僅畸變能小，而且接口曲率小，于是接口曲率又成為新增加的驅(qū)動力。因此，品界遷移的驅(qū)動力隨著晶粒的長大而增大。在高溫下第二相質(zhì)點(diǎn)的集聚和固溶也加速了這一過程。臨界變形區(qū)粗品可能同時按上述兩種機(jī)理或其中一種機(jī)理而形成。［壇3f）o2v）'&b!J（q&L）vHHIII^MIIII^^BHMII^^H當(dāng)變形量大于臨界變形后，金屬內(nèi)部均產(chǎn)生了塑性變形，因而再結(jié)品時，同時形成很多核心，這些核心稍一長大即互相接觸了，所以再結(jié)晶后獲得了細(xì)品粒。當(dāng)變形量足夠大時，出現(xiàn)第二個大品粒區(qū)。該區(qū)的粗大晶粒與臨界變形時得到的大品粒不同，一般稱為織構(gòu)大品粒。所謂織構(gòu)，是指在足夠大的變形量下，金屬內(nèi)的各個品粒的某一個品面都沿著變形方向排列起來，也叫做“擇優(yōu)取向”。由變形產(chǎn)生的織構(gòu)稱“加工織構(gòu)”或“變形織構(gòu)”。把已經(jīng)有了“變形織構(gòu)”的材料進(jìn)行再結(jié)品退火，發(fā)現(xiàn)再結(jié)品后的品粒位向與原來變形織構(gòu)位向幾乎一致，這種具有一定位向的再結(jié)品組織，稱為再結(jié)晶織構(gòu)或退火織構(gòu)。關(guān)于第二峰值出現(xiàn)大晶粒的原因還可能是：①由于變形程度大（大于90%以上），內(nèi)部產(chǎn)生很大熱效應(yīng)，引起鍛件實(shí)際溫度大幅度升高；②由于變形程度大，使那些沿晶界分布的雜質(zhì)破碎并分散，造成變形的晶粒與晶粒之間局部地區(qū)直接接觸（與織構(gòu)的區(qū)別在于這時互相接觸的品粒位向差可以是比較大的），從而促使形成大品粒。三維網(wǎng)技術(shù)論壇9flMIIHHI^M^IIHM一）晶粒大小對性能的影響.s”?2s,R,D5K2?1.晶粒大小對力學(xué)性能的影響一般情況下，品粒細(xì)化可以提高金屬材料的屈服點(diǎn)（oS）、疲勞強(qiáng)度（。-1）塑性（8、V）和沖擊韌度（aK），降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，不同取向的晶粒越多，品界總長度越長，位錯移動時阻力越大，所以能提高強(qiáng)度和韌性。因此，一般要求強(qiáng)度、硬度高、韌性、塑性好的結(jié)構(gòu)鋼，工模具鋼及有色金屬，總希望獲得細(xì)品粒。鋼的室溫強(qiáng)度與晶粒平均直徑平方根的倒數(shù)成直線關(guān)系（見圖3-2）。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為o=o0+Kd1/J三維網(wǎng)技術(shù)論壇$q）S#I5P2a）{;A式中o——鋼的強(qiáng)度（MP）；。0——常數(shù)、相當(dāng)于鋼單品時的強(qiáng)度（MPa）；三維IcadI機(jī)械I汽車I技術(shù)K——系數(shù)、與材料性質(zhì)有關(guān)；d一晶粒的平均直徑（mm）。三維,cad，機(jī)械，技術(shù)，汽

DJU沙第DJU沙第d"'"Aiihi圖3-2晶粒大小對鋼的強(qiáng)度影響合金結(jié)構(gòu)鋼的奧氏體品粒度從9級細(xì)化到15級后，鋼的屈服強(qiáng)度（調(diào)質(zhì)狀態(tài)）從1150MPa提高到1420MPa，并使脆性轉(zhuǎn)變溫度從-50°C降到-150°C。圖3-3為晶粒大小對低碳鋼和低碳竦鋼冷脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響。對于高溫合金不希望晶粒太細(xì)，而希望獲得均勻的中等品粒。從要求高的持久強(qiáng)度出發(fā)，希望晶粒略為粗大一些。因?yàn)榫ЯＷ兇终f明晶界總長度減少，對以沿晶界粘性滑動而產(chǎn)生變形或破壞形式的持久或蠕變性能來說，品粒粗化意味著這一類性能提高。但考慮到疲勞性能又常希望晶粒細(xì)一點(diǎn)，所以對這類耐熱材料一般取適中品粒為宜。例如GH135晶粒度對疲勞性能及持久性能的影響：品粒度從4?6級細(xì)化到7?9級時，室溫疲勞強(qiáng)度從290MPa提高到400MPa。在700C下，疲勞強(qiáng)度從400MPa提高到590MPa。因?yàn)樵诙鄶?shù)情況下大晶粒試樣疲勞斷口的疲勞條痕間距較寬，說明疲勞裂紋發(fā)展速度較快；而疲勞裂紋在細(xì)品粒內(nèi)向前推進(jìn)時，不但受到相鄰品粒的限制，而且從一個晶粒到另一個品粒還要改變方向，這些都可能是細(xì)品能提高疲勞強(qiáng)度的緣故。但是，晶粒細(xì)化后持久強(qiáng)度下降，蠕變速度增加。例如品粒從5級細(xì)化到7級時，在700C下100h的持久強(qiáng)度從450MPa下降到370MPa。而當(dāng)品粒度由4?5級細(xì)化到10?11級時，在700C和44MPa下的最小蠕變速度比原來增加了25?100倍，持久壽命縮短到原來的十分之一。河必咽?5|河必咽?5|做451部>sul}-L-I1--■-+蘭惡翻st*雖圖3-3晶粒大小對鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響1—3(C)=0.02%,3(Ni)=0.03%2—3(C)=0.02%,3(Ni)=3.64%2.晶粒大小對理化性能的影響三維網(wǎng)技術(shù)論壇.”$q+x5]!Qn6~(Y(1)晶粒大小對晶界腐蝕敏感性的影響三維網(wǎng)技術(shù)論壇+W4E7v1w'p0z1O以1Crl8Ni9Ti不銹鋼為例(圖3-4)，從圖中可以看出粗品粒鋼比細(xì)品粒鋼品界腐蝕敏感性大。一般說來，粗品粒使晶界腐蝕的程度加深，抗應(yīng)力腐蝕能力下降；但重量損失減少，因?yàn)榇制妨１燃?xì)品粒的晶界少。三維網(wǎng)技術(shù)論壇〃M!x0U*E9x3y'M%圖3-4晶粒大小對1Cr18Ni9Ti鋼抗腐蝕性能的影響(2)晶粒大小對導(dǎo)磁性能的影響工業(yè)純鐵常常作為導(dǎo)磁體廣泛用于儀表生產(chǎn)中。室溫下純鐵的品粒尺寸對最大導(dǎo)磁率|Jmax的影響列于表3-1。由表中可以看出，晶粒越大，|Jmax也越大。表3-1工業(yè)純鐵品粒大小對最大導(dǎo)磁率Jmax的影響晶粒尺寸(X100倍)/mm .Jmax(H/m)晶粒尺寸(X100倍)/mm .Jmax(H/m).6.3]三維,cad,機(jī)械,技術(shù),2.7+S$"^^^11.2三4nX0.00082%?3^^^^^H|+g6^^^^^B4nX0.00080三維網(wǎng)技術(shù)論壇*A)^^^lu)')x#^^^H4nX0.000730.60.34nX0.0006794nX0.000409三維|cad|機(jī)械]|汽車|技術(shù)|(二)影響晶粒大小的一些主要因素%y&"1C7G3j.w;B1.加熱溫度三維,cad,機(jī)械，技術(shù)，汽從熱力學(xué)條件來看，在一定體積的金屬中，品粒愈粗，則其總的晶界表面積就愈小，總的表面能也就愈低。由于晶粒粗化可以減少表面能，使金屬處于自由能較低的穩(wěn)定狀態(tài)，因此，晶粒長大是一種自發(fā)的變化趨勢。品粒長大主要是通過晶界遷移的方式進(jìn)行的，要實(shí)現(xiàn)這種變化過程，需要原子有強(qiáng)大的擴(kuò)散能力，以完成品粒長大時晶界的遷移運(yùn)動。由于溫度對原子的擴(kuò)散能力有重要影響。因此，加熱溫度愈高，晶粒長大的傾向愈大。圖片3-4a、b、c是硅鋼片試樣的同一部位，在加熱升溫過程中，在高溫顯微鏡下拍的，由圖可知，隨著加熱溫度的不斷升高，晶粒不斷長大。由于晶界的顯示是采用真空熱蒸發(fā)方式來完成的，所以各階段的晶界仍被保留下來。圖片3-4連續(xù)加熱時硅鋼片品粒不斷長大情況200Xa）冷軋后在870?880°C保溫b）升溫到1000?1020°Cc）升溫高于1020°C保

溫

2.機(jī)械阻礙物一般說來，金屬的晶粒隨著溫度的升高不斷長大，幾乎成正比關(guān)系。但是，也不完全如此。有時加熱到較高溫度時，品粒仍很細(xì)小，可以說沒有長大，而當(dāng)溫度再升高一些時，晶粒突然長大。例如本質(zhì)細(xì)品粒鋼，在加熱到950C之前，品粒是細(xì)小的，之后晶粒則將迅速長大；有些材料，隨加熱溫度升高，品粒分階段突然長大。一般稱前一種長大方式為正常長大，后一種為異常長大。品粒異常長大的原因，是由于金屬材料中存在機(jī)械阻礙物，對晶界有釘札作用，阻止晶界遷移的緣故。三維網(wǎng)技術(shù)論壇8Y#h$R'o%T%?3w9|^^M圖片3-5為Ly鋁合金中的機(jī)械阻礙質(zhì)點(diǎn)影響品粒長大的情況。此種質(zhì)點(diǎn)在品粒長大時使晶界發(fā)生彎曲，不易通過。三維網(wǎng)技術(shù)論壇9"p$L$[.G6z

圖片8-210和8-211分別為有點(diǎn)狀偏析的渦輪盤和點(diǎn)狀偏析處的高倍組織，此處有較多的碳硼化合物，由于這些質(zhì)點(diǎn)的存在，阻礙了這一區(qū)域晶粒的長大。圖片LD2合金中的機(jī)械阻礙物對晶界遷移的阻礙（箭頭所指）530X圖片8-210渦輪盤點(diǎn)狀偏析的低倍組織圖片8-211點(diǎn)狀偏析處的高倍組織（細(xì)品帶為碳、硼化合物偏析區(qū)）100X同一鋼種的電渣重溶鋼比電爐鋼的過熱溫度低，品粒容易粗化，原因是由于前者夾雜物少。機(jī)械阻礙物在鋼中可以是氧化物（A12O3等）、氨化物（如AlN、FiN等）

和碳化物（VC、TiC、NbC、WC等）等；在鋁合金中可以是Mn、Cr、Ti、Fe等元

素及其化合物。三維|cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)1||||^^^^^|||第二相質(zhì)點(diǎn)對晶界遷移阻力愈大，則晶界遷移愈困難，品粒愈不易長大。第二相質(zhì)點(diǎn)的總釘札力與第二相的體積分?jǐn)?shù)和第二相粒子半徑有關(guān)。第二相質(zhì)點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)愈大，則晶粒尺寸愈?。坏诙囿w積分?jǐn)?shù)一定時，粒子半徑愈小，則總的釘札力愈大，晶粒尺寸便愈小，反之，便愈大。因此，隨著加熱溫度升高，第二相粒子集聚長大時，由于總的釘札力減小，晶粒便隨之長大。當(dāng)加熱溫度很高，機(jī)械阻礙物溶人品內(nèi)時，晶粒便迅速長大到與其所處溫度對應(yīng)的尺寸大小。由于這些物質(zhì)溶入基體時的溫度有高有低（即穩(wěn)定性大小不同），存在于鋼內(nèi)的數(shù)量有多有少，種類可能是一種或幾種同時存在，因此，使晶粒突然長大的溫度與程度就有所不同。例如本質(zhì)細(xì)品粒鋼的機(jī)械阻礙物主要是AlN和A12O3,它們在950C之后溶入品內(nèi)，阻礙作用便消失，于是，晶粒便迅速長大。圖3-5為GH220高溫合金晶粒尺寸隨加三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽?1而Ii，ioAw岫T圖3-5 GH220合金品粒平均直徑隨溫度變化的曲線熱溫度變化的情況。GH220中的機(jī)械阻礙物主要是Y'相、二次碳化物M6C、硼化物和一次碳化物TiC、TiCN等。Y'相的固溶溫度是1160°C,M6C的固溶溫度是1190C，按圖中的曲線可以將晶粒長大的過程分為三個階段：第一階段，在1140C以下，晶粒尺寸幾乎沒有變化，在1140?1160C范圍內(nèi)品粒尺寸突然長大，這是由于Y'相溶解引起的；第二階段，在1180?1200C范圍內(nèi)，由于M6C的溶解，促使晶粒更迅速長大；第三階段，當(dāng)高于1220C時，晶粒繼續(xù)長大，以全出現(xiàn)粗大品粒，這是由于晶界微量相（主要是硼化物）的溶解引起的。應(yīng)該指出，通常所說的機(jī)械阻礙物總是指一些極小的微?；衔铮坏堑诙喙倘荏w也可以起機(jī)械阻礙作用，阻止晶粒長大。例如，一些鐵素體型不銹鋼，特別是高銘（3（Cr）＞21%）類型的不銹鋼，加人少量竦（3（Ni）^2%）或錳（3（Mn）^4%），由于能形成少量奧氏體，使作為基體的鐵素體品粒不易長大，從而提高了材料的韌性。又例如，a+p鈦合金中的初生a相和a+p銅合金中的a相，可以阻止P晶粒長大，當(dāng)溫度超過P轉(zhuǎn)變溫度時，由于a相消失，B品粒將迅速長大3.變形程度和變形速度變形程度對晶粒大小影響的規(guī)律如圖3-6所示?？偟目?，隨著變形程度從小到大，晶粒尺寸由大變小，但是晶粒大小有兩個峰值，即出現(xiàn)兩個大晶粒區(qū)，第一個大晶粒區(qū)叫做臨界變形區(qū)。不同材料和不同變形溫度時，臨界變形程度的大小不一樣，臨界變形區(qū)是一個小變形量范圍。在某些情況下，當(dāng)變形量足夠大時，可能出現(xiàn)第二個大晶粒區(qū)。圖3-6再結(jié)晶后的晶粒大小與變形程度的關(guān)系關(guān)于臨界變形區(qū)晶粒長大的機(jī)理，有二種理論：一是按經(jīng)典理論認(rèn)為臨界變形區(qū)

粗晶是由于該區(qū)變形量小，形核數(shù)目少，新晶核靠消耗其周圍已變形晶胞而長大;

二是近代研究認(rèn)為，該區(qū)是無形核長大形成的，是由于變形程度小，位元錯密度

低，不足以形成再結(jié)晶核心。而某些晶粒由于位向不合適，沒有塑性變形或變形

很小，于是在加熱過程中，這些晶粒的晶界以畸變能差為驅(qū)動力向鄰近的畸變能

高的晶粒內(nèi)遷移。隨著晶界遷移和晶粒長大，這些晶粒與相鄰晶粒相比，不僅畸

變能小，而且接口曲率小，于是接口曲率又成為新增加的驅(qū)動力。因此，晶界遷

移的驅(qū)動力隨著晶粒的長大而增大。在高溫下第二相質(zhì)點(diǎn)的集聚和固溶也加速了

這一過程。臨界變形區(qū)粗晶可能同時按上述兩種機(jī)理或其中一種機(jī)理而形成。圖

片3-6、3-7所示為熱軋鋼板在軋制過程中局部表面劃傷，在劃痕兩側(cè)，因變形

量不大，處于臨界變形，從而產(chǎn)生粗晶，圖片8-255中見到的粗晶，也是屬于臨

界變形的例子。圖片3-6低碳鋼熱軋板的劃痕（左）及其對應(yīng)的粗晶帶（右）50X圖片3-7粗品處的板材端面品粒情況200X圖片8-2554Cr14Ni14W2Mo鋼排氣閥門脖部的粗大晶粒100X當(dāng)變形量大于臨界變形后，金屬內(nèi)部均產(chǎn)生了塑性變形，因而再結(jié)品時，

同時形成很多核心，這些核心稍一長大即互相接觸了，所以再結(jié)晶后獲得了細(xì)品

粒。圖片8-257就是改進(jìn)工藝（即增大變形量，避免臨界變形）后獲得的細(xì)品粒。圖片8-257一火成形的排氣閥門脖部的細(xì)小晶粒100X

當(dāng)變形量足夠大時，出現(xiàn)第二個大品粒區(qū)。該區(qū)的粗大晶粒與臨界變形時得到的

大品粒不同，一般稱為織構(gòu)大品粒。所謂織構(gòu)，是指在足夠大的變形量下，金屬

內(nèi)的各個晶粒的某一個品面都沿著變形方向排列起來，也叫做“擇優(yōu)取向”。由

變形產(chǎn)生的織構(gòu)稱“加工織構(gòu)”或“變形織構(gòu)”。把已經(jīng)有了“變形織構(gòu)”的材

料進(jìn)行再結(jié)品退火，發(fā)現(xiàn)再結(jié)品后的品粒位向與原來變形織構(gòu)位向幾乎一致，這

種具有一定位向的再結(jié)品組織，稱為再結(jié)晶織構(gòu)或退火織構(gòu)。圖3-6中出現(xiàn)的第

二個大品粒峰值，顯然是先形成變形織構(gòu)，經(jīng)再結(jié)晶后形成了織構(gòu)大品粒所致。

圖片3-8、3-9所示為LD2鋁合金經(jīng)大變形后出現(xiàn)的變形織構(gòu)（箭頭所指處）和

經(jīng)再結(jié)晶后出現(xiàn)的再結(jié)晶織構(gòu)。三維網(wǎng)技術(shù)論壇）［'虬B"E'r%?.圖片3-8LD2合金的變形織構(gòu)（箭頭所指）210X圖片3-9LD2合金中的再結(jié)品織構(gòu)（箭頭所指）210X關(guān)于第二峰值出現(xiàn)大晶粒的原因還可能是：①由于變形程度大（大于90%以上），內(nèi)部產(chǎn)生很大熱效應(yīng)，引起鍛件實(shí)際溫度大幅度升高；②由于變形程度大，使那些沿晶界分布的雜質(zhì)破碎并分散，造成變形的晶粒與晶粒之間局部地區(qū)直接接觸（與織構(gòu)的區(qū)別在于這時互相接觸的品粒位向差可以是比較大的），從而促使形成大品粒。4.固溶處理前的組織情況三維,cad,機(jī)械，技術(shù)，汽車,c固溶處理后的晶粒大小除了受固溶溫度和機(jī)械阻礙物質(zhì)的影響外，受固溶加熱前的組織情況影響很大。如果鍛后是未再結(jié)晶組織，而且處于臨界變形程度時，固溶處理后將形成粗大品粒；如果鍛后是完全再結(jié)品組織，固溶處理后一般可以獲得細(xì)小而較均勻的品粒；如果鍛后是不完全再結(jié)品組織，即半熱變形混合組織，固溶加熱時，由于各處形核的時間先后、數(shù)量多少和長大條件等不一樣，固溶處理后晶粒大小將是不均勻的。以GH135高溫合金為例，圖3-7為其固溶處理時的再結(jié)品立體圖。圖上點(diǎn)劃線是表示各種變形溫度和變形程度下熱變形后的晶粒大小。由于這種合金的再結(jié)品溫度高，再結(jié)品速度慢，鍛后常常出現(xiàn)未完全再結(jié)品或未再結(jié)品的組織。當(dāng)鍛后是未再結(jié)晶組織，且變形量處于臨界變形區(qū)時，由圖中可以看出，固溶處理后將形成粗品。在非臨界變形區(qū)范圍內(nèi)，如果鍛后是半熱變形的混合組織，雖然固溶處理后平均晶粒度不大，但是品粒的不均勻程度較大。這對零件的力學(xué)性能是很不利的。圖3-7GH135合金固溶再結(jié)品圖（圖中虛線是GH135合金的第二類再結(jié)品圖）GH3合金也是再結(jié)品溫度高、再結(jié)品速度慢的一種材料。某廠在鍛GH3合金的小型鍛件時，鍛前加熱溫度選用1100°C，經(jīng)平鍛機(jī)一次鍛造成形，固溶處理后因晶粒粗大導(dǎo)致了產(chǎn)品的報廢。而將鍛前加熱溫度提高后就得到了合格的品粒組織（見實(shí)例48）。鍛前加熱溫度選用1100C，雖然高于再結(jié)品溫度，但由于鍛件尺寸較小，在操作過程中溫度降低很快，所以變形時坯料的實(shí)際溫度已接近或低于再結(jié)品溫度，于是經(jīng)鍛造和固溶處理后得到的是品粒粗細(xì)不均的組織。后來，適當(dāng)提高加熱溫度，雖然在操作過程中坯料溫度會有所降低，但變形終了時仍能保證在再結(jié)品溫度以上，最后得到的是均勻的細(xì)品組織。除以上四個因素外，化學(xué)成分和原始品粒度對晶粒尺寸也有不同程度的影響，在此不再 討論了。（三）細(xì)化晶粒的途徑三維網(wǎng)技術(shù)論壇〃”〃H）k;k%Q!v1） 在原材料冶煉時加人一些合金元素（鉭、鈮、鋯、鉬、鎢、釩、鈦等等）及最終采用鋁和鈦?zhàn)髅撗鮿┑裙に嚧胧﹣砑?xì)化晶粒。它們的細(xì)化作用主要在于：當(dāng)液態(tài)金屬凝固時，那些高溶點(diǎn)化合物起結(jié)品核心作用，從而保證獲得極細(xì)的品粒。此外，這些化合物同時又都起到機(jī)械阻礙作用，使已形成的細(xì)品粒不易長大。2） 采用適當(dāng)?shù)淖冃纬潭群妥冃螠囟纫材苓_(dá)到細(xì)化品粒的目的。例如在設(shè)計(jì)模具和選擇坯料形狀、尺寸時，既要使變形量大于臨界變形程度，又要避免出現(xiàn)因變形程度過大而引起的激烈變形區(qū)，并且模鍛時應(yīng)采用良好的潤滑劑，以改善金屬的流動條件，使其變形均勻。鍛件的品粒度主要取決于終鍛溫度下的變形程度