第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形

第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形熱塑性變形的概念實際熱加工溫度遠高于再結(jié)晶溫度在熱塑性變形過程中，回復、再結(jié)晶與加工硬化同時發(fā)生，加工硬化不斷被回復或再結(jié)晶所抵消，而使金屬處于高塑性、低變形抗力的軟化狀態(tài)。軟化分類：相變軟化和熱軟化。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

（1）動態(tài)回復

動態(tài)回復是在熱變形過程中發(fā)生的回復，金屬即使在遠高于靜態(tài)再結(jié)晶溫度下塑性變形時一般也只發(fā)生動態(tài)回復。（2）動態(tài)再結(jié)晶

動態(tài)再結(jié)晶是在熱變形過程中發(fā)生的再結(jié)晶，與靜態(tài)再結(jié)晶一樣，也是通過形核和生長來完成的。它容易發(fā)生在層錯能較低且有較大熱變形程度的金屬上。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

1.熱塑性變形時軟化過程

（3）靜態(tài)回復

在較低的溫度下、或在較早階段發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程稱為靜態(tài)回復。它是變形后的金屬自發(fā)地向自由能降低的方向轉(zhuǎn)變的過程。

（4）靜態(tài)再結(jié)晶

在再結(jié)晶溫度以上，金屬原子有更大的活動能力，會在原變形金屬中重新形成新的無畸變等軸晶，并最終取代冷變形組織，此過程稱為金屬的靜態(tài)再結(jié)晶。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

1.熱塑性變形時軟化過程

（5）亞動態(tài)再結(jié)晶

熱變形中已經(jīng)形成但未長大的再結(jié)晶晶核以及長大途中遺留下的再結(jié)晶晶粒，但變形停止后溫度足夠高時，會繼續(xù)長大，此過程稱為亞動態(tài)再結(jié)晶。它不需形核，所以進行得很快。

第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形圖4-10動、靜回復和再結(jié)晶示意熱軋和熱擠時，動、靜態(tài)回復和再結(jié)晶的示意圖。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形熱塑性變形機理第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

變形機理主要有：晶內(nèi)滑移、晶內(nèi)孿生、晶界滑移和擴散蠕變。一般來說，晶內(nèi)滑移是最主要和常見的（1）晶內(nèi)滑移熱變形的主要機理仍然是晶內(nèi)滑移。高溫時原子間距加大，熱振動和擴散速度增加，位錯滑移、攀移、交滑移及節(jié)點脫錨比低溫容易；滑移系增多，滑移靈便性提高，各晶粒之間變形更加協(xié)調(diào)；晶界對位錯運動阻礙作用減弱。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

2.熱塑性變形的機理

（2）晶界滑移

熱塑性變形時，由于晶界強度降低，使得晶界滑動易于進行；又由于擴散作用的增強，消除了晶界滑動引起的破壞。因此，與冷變形相比晶界滑動的變形量要大的多。此外，降低應(yīng)變速率和減小晶粒尺寸，有利于增大晶界滑動量。三向應(yīng)力的作用也利于“塑性焊合”，修復晶界滑動引起的裂縫。在常規(guī)的熱塑性變形中，其占的比例很小。

第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形擴散蠕變示意a）空位和原子的移動方向b）晶內(nèi)擴散c）晶界擴散2.熱塑性變形的機理

（3）擴散性蠕變

擴散性蠕變是在應(yīng)力場作用下，由空位的定向移動所引起的。受拉應(yīng)力的晶界的空位濃度高于其他部位的晶界，引起空位的定向移動，即空位從垂直于拉應(yīng)力的晶界放出，而被平行于拉應(yīng)力的晶界所吸收。a圖中虛箭頭方向表示空位移動的方向，實箭頭方向表示原子的移動方向，形狀改變。按擴散途徑的不同，可分為晶內(nèi)擴散相晶界擴散。晶內(nèi)擴散引起晶粒在拉應(yīng)力方向上的伸長變形(見圖b)，或在受壓方向上的縮短變形；而晶界擴散引起晶粒的“轉(zhuǎn)動”，如圖c所示。擴散性蠕變既直接為塑性變形作貢獻，也對晶界滑移起調(diào)節(jié)作用。溫度越高，擴散越強。晶粒越細，擴散距離越短；應(yīng)變速率低，擴散具有足夠的時間。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形熱塑性變形的主要機理仍然是晶內(nèi)滑移；由于晶界滑動和擴散蠕變作用的增加，再加之變形時會產(chǎn)生動態(tài)回復和再結(jié)晶。因此，熱態(tài)下金屬塑性變形能力比冷態(tài)下高，變形抗力較低。

第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

4.熱塑性變形對金屬組織和性能的影響1）對組織的影響

（1）改善晶粒組織，細化晶粒

對于鑄態(tài)金屬，粗大的樹枝狀晶經(jīng)塑性變形及再結(jié)晶而變成等軸（細）晶粒組織；對于經(jīng)軋制、鍛造或擠壓的鋼坯或型材，在以后的熱加工中通過塑性變形與再結(jié)晶，其晶粒組織一般也可得到改善。晶粒越細小均勻，金屬的強度和塑、韌性指標均越高。盡管晶粒度還可以通過鍛后的熱處理來改善，但如果鍛件的晶粒過于粗大，則這種改善也不可能很徹底。至于那些無固態(tài)相變、不能通過熱處理來改善其晶粒度的金屬(如奧氏體不銹鋼、鐵索體不銹鋼和一些耐熱合金等)，控制其塑性變形再結(jié)晶晶粒度就更具有十分重要的意義。

第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形1）對組織的影響

（2）鍛合內(nèi)部缺陷

鑄態(tài)金屬中疏松、空隙和微裂紋等缺陷被壓實，提高金屬致密度。鍛合經(jīng)歷兩個階段：缺陷區(qū)發(fā)生塑性變形，使空隙兩壁閉合；在壓應(yīng)力作用下，加上高溫，使金屬焊合成一體。沒有足夠大的變形，不能實現(xiàn)空隙閉合，很難達到宏觀缺陷焊合。足夠大三向壓應(yīng)力，能實現(xiàn)微觀缺陷鍛合。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

4.熱塑性變形對金屬組織和性能的影響第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形1）對組織的影響

（3）形成纖維組織

在熱變形過程中，隨變形程度增加，鋼錠內(nèi)粗大樹枝晶沿主變形方向伸長，與此同時，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向也逐漸與主變形方向一致，形成流線。由于再結(jié)晶的結(jié)果，被拉長的晶粒變成細小的等軸晶，而流線卻很穩(wěn)定地保留下來直至室溫。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

4.熱塑性變形對金屬組織和性能的影響第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形1）對組織的影響

（4）破碎改善碳化物和非金屬夾雜在鋼中分布

高速鋼、高鉻鋼、高碳工具鋼等，其內(nèi)部含有大量的碳化物。通過鍛造或軋制，可使這些碳化物被打碎、并均勻分布，從而改善了它們對金屬基體的削弱作用。

（5）在一定程度上改善鑄造組織的偏析是由于熱變形破碎枝晶和加速擴散所致。其小枝晶偏析(或顯微偏析)改善較大，區(qū)域性偏析改善不明顯。2）對性能的影響

細化晶粒、鍛合內(nèi)部缺陷、破碎并改善碳化物和非金屬夾雜在鋼中分布可提高材料的強度、硬度、塑性和韌性。

纖維組織形成，使金屬力學性能呈各向異性，沿流線方向比垂直流線方向具有較高的力學性能，其中尤以塑性、韌性指標最為顯著。

第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

4.熱塑性變形對金屬組織和性能的影響第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

熱加工變形的優(yōu)點：1)金屬熱變形時，變形抗力低，能耗少。高溫時原子運動及熱振動增強，擴散和溶解加速，臨界切應(yīng)力降低；滑移系統(tǒng)增多，變形更為協(xié)調(diào)；加工硬化因完全再結(jié)晶而被消除。2)金屬熱變形時，塑性升高，產(chǎn)生斷裂的傾向減小。由于完全再結(jié)晶使加工硬化消除，在斷裂與愈合的過程中使愈合加速。3)與冷加工相比較，熱加工變形一般不易產(chǎn)生織構(gòu)。在高溫下發(fā)生滑移的系統(tǒng)較多，滑移面和滑移方向不斷發(fā)生變化。4)在生產(chǎn)過程中，不需要像冷加工那樣的中間退火，從而可使生產(chǎn)工序簡化，生產(chǎn)效率提高。5)熱加工變形可引起組織性能的變化，以滿足對產(chǎn)品某些組織與性能的要求。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形熱加工變形的不足：1)對薄或細的軋件，由于散熱較快，在生產(chǎn)中保持熱加工的溫度條件比較困難。因此，生產(chǎn)薄的或細的金屬材料一般仍采用冷加工方法。2)熱加工后軋件的表面不如冷加工生產(chǎn)的尺寸精確和光潔。因為熱軋件表面生成氧化皮和冷卻時有收縮。3)熱加工后產(chǎn)品的組織及性能不如冷加工時均勻。因為熱加工結(jié)束時，各處的溫度難以均勻一致，溫度偏高處的晶粒尺寸要大一些。4)從提高材料的強度來看，熱加工不及冷加工，因為熱加工時由于溫度的作用使金屬軟化。5)有些金屬不宜進行熱加工。例如，在一般的鋼中含有較多的FeS，或在銅中含有鉍時，在熱加工中由于晶界上由這些雜質(zhì)所組成的低熔點共晶體發(fā)生熔化，使晶間的結(jié)合遭到破壞，而引起金屬斷裂。第二節(jié)金屬熱態(tài)下的塑性變形

第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形第三節(jié)影響金屬塑性的因素3.1影響金屬塑性的內(nèi)部因素3.2影響金屬塑性的外部因素3.3提高金屬塑性的途徑化學成份組織結(jié)構(gòu)變形速度變形程度應(yīng)力狀態(tài)變形溫度接觸摩擦第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形1化學成份對變形抗力的影響化學成份對變形抗力的影響非常復雜。一般情況下，對于各種純金屬，因原子間相互作用不同，變形抗力也不同。同一種金屬，純度愈高，變形抗力愈小。合金元素對變形抗力的影響，主要取決于合金元素的原子與基體原子間相互作用特性、原子體積的大小以及合金原子在基體中的分布情況。合金元素引起基體點陣畸變程度愈大，變形抗力也越大。第三節(jié)影響金屬塑性的因素

3.1影響金屬塑性的內(nèi)部因素第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形圖(a)是形成無限固溶的二元合金之硬度隨成分而變化的圖示，它表明固溶體的硬度比純金屬的高。變形抗力的最大值對應(yīng)于固溶體的最大飽和度，從而對應(yīng)于點陣的最大畸變。圖(b)指出了形成共晶體二元合金的硬度隨成分變化的情況。共晶體混合物可由純金屬構(gòu)成，也可由其他化合物或固溶體構(gòu)成。圖(c)是形成化合物的二元合金的硬度隨成分變化的圖示。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形碳在較低的溫度下隨著鋼中含碳量的增加，鋼的塑性變形抗力升高。溫度升高時其影響減弱。圖中示出，在不同變形溫度和變形速度條件下，壓下率為30％時含碳量對變形抗力的影響。可見，低溫時的影響比高溫時大得多。熱加工中，碳雖能完全溶解在A中，但C含量高，鋼的熔化溫度降低，鍛造溫度范圍變窄，奧氏體晶粒長大傾向越大，再結(jié)晶速度越慢，對熱加工不利。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形硅鋼中含硅對塑性變形抗力有明顯的影響。用硅使鋼合金化時，可使鋼的變形抗力有較大的提高。例如含硅量為1.5％～2.0％的結(jié)構(gòu)鋼(55Si2、60Si2)在一般的熱加工條件下，其變形抗力比中碳鋼約高出20％～25％。含硅量高達5％～6％以上時，熱加工較為困難。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形鉻對含鉻量為0.7～1.0％的鉻鋼來講，影響其變形抗力的不是鉻，而是鋼中的含碳量。這些鋼的變形抗力僅比其相應(yīng)含碳量的碳鋼高5～10％。高碳鉻鋼GCr6～GCrl5(含鉻量0.45～1.65％)的變形抗力雖稍高于碳鋼，但影響變形抗力的主要因素也是碳。鎳鎳在鋼中可使變形抗力稍有提高。但是，對25NiA，30NiA和13Ni2A等來講，其變形抗力與碳鋼相差不大。含鎳量較高的鋼(Ni25~Ni28)，這種差別是很大的。在許多情況下，在鋼中同時加入幾種合金元素，例如在鋼中加入鉻和鎳。這時，鋼中的碳、鉻和鎳對變形抗力都要產(chǎn)生影響。12CrNi3A鋼的變形抗力比45號碳鋼高出20％。Cr18Ni9Ti鋼的變形抗力比碳鋼提高50％。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形雜質(zhì)元素磷——冷脆硫——熱脆氮——蘭脆氫——氫脆、白點第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形1．某些金屬或合金在低于再結(jié)晶溫度或溫度下降時所表現(xiàn)的韌性劇烈下降的現(xiàn)象。2．鋼中含磷量較高時，鋼在冷加工過程中所表現(xiàn)的脆性現(xiàn)象。3．紫銅中氧、硫含量較高時，因形成Cu2O、Cu2S而造成的塑性下降現(xiàn)象。S在固態(tài)Fe中的溶解度很小，幾乎不能溶解。它在鋼中以FeS的形式存在，而FeS和Fe易形成熔點較低（僅有985度）的共晶體。當鋼在1100~1200度進行熱加工時，分布于晶界的低熔點的共晶體熔化而導致開裂，這就是通常所說的S的“熱脆”現(xiàn)象不同種類的鋼筋，其強度隨溫度的變化規(guī)律有所不同。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常用的普通低碳鋼，隨著溫度的升高，屈服臺階逐漸減小，到300℃時屈服臺階消失。400℃以下時，隨溫度升高，鋼筋的抗拉強度和硬度均比常溫略高，但是塑性降低。這種現(xiàn)象稱為藍脆現(xiàn)象。產(chǎn)生藍脆的原因是碳和氮間隙原子的形變時效。在150～350℃溫度范圍內(nèi)形變時，已開動的位錯迅速被可擴散的碳、氮原子所錨定，形成柯垂耳氣團(柯氏氣團)。為了使形變繼續(xù)進行，必須開動新的位錯，結(jié)果鋼中在給定的應(yīng)變下，位錯密度增高，導致強度升高和韌性降低。為了消除碳鋼的藍脆，鋼中加入一定量強碳化物和氮化物形成元素如鈦、鈮、釩，在鋼中形成Tic、TiN、NbC、NbN、vC、vN，將碳、氮原子固定。另外加入少量鋁，除脫氧外，還與氮形成AlN，也可減少藍脆傾向。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形氫脆是溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過鋼的強度極限，在鋼內(nèi)部形成細小的裂紋，又稱白點。氫脆只可防，不可治。氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。在材料的冶煉過程和零件的制造與裝配過程(如電鍍、焊接)中進入鋼材內(nèi)部的微量氫(10—6量級)在內(nèi)部殘余的或外加的應(yīng)力作用下導致材料脆化甚至開裂。在尚未出現(xiàn)開裂的情況下可以通過脫氫處理(例如加熱到200℃以上數(shù)小時，可使內(nèi)氫減少)恢復鋼材的性能。因此內(nèi)氫脆是可逆的。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形2組織結(jié)構(gòu)對變形抗力的影響晶粒大小結(jié)構(gòu)變化單相組織和多相組織第三節(jié)影響金屬塑性的因素

3.1影響金屬塑性的內(nèi)部因素第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形晶粒大小金屬的變形抗力與其組織有密切關(guān)系，其中晶粒大小是一個重要因素。試驗結(jié)果表明，晶粒越細小變形抗力越大。位錯理論也有人認為，當晶粒變小時，晶粒的表面積相對增大，從而使表面力（表面張力和周圍晶粒影響所產(chǎn)生的力)增大，結(jié)果使變形抗力升高。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形在變形金屬中夾雜物的存在也會影響到變形抗力。在一般情況下，夾雜物會使物體的變形抗力升高。雜質(zhì)含量對變形抗力有影響，含量增大，抗力顯著增大。雜質(zhì)原子與基體組元組成固溶體時，會引起基體組元點陣畸變，從而提高變形抗力。雜質(zhì)元素在周期表中離基體愈遠，則雜質(zhì)的硬化作用愈強烈，因而變形抗力提高愈顯著。若雜質(zhì)以單獨夾雜物的形式彌散分布在晶粒內(nèi)或晶粒之間，則對變形抗力的影響較小。若雜質(zhì)元素形成脆性的網(wǎng)狀夾雜物，則使變形抗力下降。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形結(jié)構(gòu)變化金屬與合金的性質(zhì)取決于結(jié)構(gòu)，即取決于原子間的結(jié)合方式和原子在空間排布情況。當原子的排列方式發(fā)生變化時，即發(fā)生了相變，則抗力也會發(fā)生一定的變化。組織狀態(tài)不同，抗力值也有差異，如退火態(tài)與加工態(tài)，抗力明顯不同。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形單相組織與多相組織當合金是單相組織時，變形抗力的提高是晶格畸變的結(jié)果。當合金為多相組織時，第二相的性質(zhì)、大小、形狀、數(shù)量與分布狀況對變形抗力都有影響。一般而言，硬而脆的第二相在基體相晶粒內(nèi)呈顆粒狀彌散分布，合金的抗力就高。第二相越細，分布越均勻，數(shù)量越多，則變形抗力越高。第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形化學成份應(yīng)力狀態(tài)組織結(jié)構(gòu)接觸摩擦變形溫度變形速度變形程度……第三節(jié)影響金屬塑性的因素

3.2影響金屬塑性的外部因素第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形按應(yīng)力狀態(tài)圖的不同，可將其對金屬塑性的影響順序做這樣的排列：三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖最好，兩向壓－向拉次之，兩向拉－向壓更次，三向拉應(yīng)力狀態(tài)圖為最差。在塑性加工的實際中，即使其應(yīng)力狀態(tài)圖相同，但對金屬塑性的發(fā)揮也可能不同。例如，金屬的擠壓，圓柱體在兩平板間壓縮和板材的軋制等，其基本的應(yīng)力狀態(tài)圖皆為三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖，但對塑性的影響程度卻不完全一樣。這就要根據(jù)其靜水壓力的大小來判斷。靜水壓力越大，變形金屬所呈現(xiàn)的塑性越大。應(yīng)力狀態(tài)第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形變形溫度對大多數(shù)金屬隨著溫度升高，塑性增加，但并非簡單的線性上升。在加熱中往往由于相態(tài)或晶粒邊界狀態(tài)的變化而出現(xiàn)脆性區(qū)，使金屬塑性下降。Ⅰ區(qū)低溫脆性區(qū)Ⅱ藍脆區(qū)Ⅲ熱脆區(qū)Ⅳ高溫脆性區(qū)磷——冷脆硫——熱脆氮——藍脆氫——氫脆第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形溫度升高塑性增加的原因：（1）發(fā)生回復和再結(jié)晶（2）原子動能增加，位錯活動增加，滑移系增多，晶粒協(xié)調(diào)性增加。（3）金屬組織、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（4）擴散蠕變機制起作用（5）晶間滑移作用增強第11章-2金屬塑性變形物理基礎(chǔ)-熱變形變形速度（一）熱效應(yīng)與溫度效應(yīng)熱效應(yīng)：塑性變形時金屬所吸收的能量，絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能的現(xiàn)象。溫度效應(yīng)