材料科学基础之热变形

1、材料科学基础之热变形再结晶再结晶动力学曲线热激活过程吩瞬+2再结晶温度 再结晶温度晶粒尺寸再结晶临界变形量再结晶温度MlMl210)05M) 4(-, ?X、g形量羸204060温度再结晶尺寸80晶粒长大a正常再结晶b大吞并小”“凹面变平* SSb正常晶粒长大Mg-3AI-0.8Zn合金退火组织c异常晶粒长大=二次再结晶E 7-01宦的再图*来来BipEg5.4热变形定义 再结晶温度以上的形变过程 过程加工硬化和动态回复及再结晶引 起的软化同时存在，组织和性能 取决于它们之间相互抵消的程度。动态回复与动态再结晶5.4.2热加工对组织性能的影响5.4.3蠕变5.4.4超塑性高温力学性能;硬化软化

2、达到动态平衡I徉常数反复形核、有限长大|-RM化始逐增等轴晶粒的晶界呈锯齿状， 晶内存在缠结位错的亚结构硬化和软化同时进行 最终保持动态平衡歹常数真应变动态回复纤维状拉长晶粒的内部保持等轴状亚晶粒，亚晶内位错密度 较低，胞壁处位错密度较高。流变应力反比亚晶粒大小形变速率形变温度流变应力反比晶粒大形变速率形变温度动态再结晶相同流变应力时，动态再结晶材料的晶粒尺寸要 小于静态再结晶的晶粒尺寸；相同晶粒大小时，动态再结晶材料的强度和硬度 要高于静态再结晶材料。通过动态回复和动态再结晶，晶粒内部形成了亚 晶粒，使材料的强度、韧性提高，通过对热加工的 控制，使亚晶细化而产生强化一亚组织强化。如建筑用铝镁

3、合金采用热挤压法保留动态回复组 织用于提高使用强度。热加工对组织性能的影响 改善铸态组织； 形成流线和带状组织； 晶粒尺寸及亚结构的细化。屈服强度佔消除方法：1）避免在两相区变形;2）减少夹杂和偏析；3）完全退火加正火控制好热加工的变形速率、温度、每道次的III亚晶尺寸d应变量和间隔时间，以及冷却速度。就可以调整热加工材料的晶粒度和强度O5.4.3蠕变很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空发动机叶 片的使用温度高达1000°C,用Cr-Mo-V钢制造的汽轮机转子 使用温度约为550弋等。长时间的高温受力件必须考虑它们的高温力学性能蠕变特性（蠕变强度、蠕变速率）当温度TRGg时，金属

4、材料在恒载荷（通常9s）的持续作 用下，应变随时间增加而增大，发生与时间相关的塑性 变形。蠕变在较低温度下也会发生，但只有当约比温度大于0.3时才比较显著，并且应变速率非常小（通常10E-3） o1蠕变曲线发生蠕变时的应变与时间关系曲线称为蠕变曲线。蠕变曲线上任一点的斜 率表示该点的蠕变速率根据蠕变速率的变化情况 可以将蠕变过程分为三个 阶段：第一阶段（ab段）蠕变速率随时间而逐渐减小，称为减速蠕变阶段；第二阶段（be段）蠕变速率保持恒定，又称恒速蠕变或稳态蠕变阶段，第三阶段（cd段）蠕变速率随时间延长急剧增大直至断裂，称为加速蠕变阶段蠕变曲线各阶段持续时间的长短随材料和试验条件（T和。）而变

5、化等温曲线（cr4>（r3>（y2>cn）等压力曲线（T4>T3>T2>T1）应力和温度对蠕变曲线影响示意图同一种材料的蠕变曲线随着温度和应力的增高，蠕变第二阶段变短，直至完全消失，在高温下的服役寿命大大缩短。貝蠕变过程最重要的参数是稳态的蠕变速率，蠕 麦寿命和总的伸长率都取决于它。Q：蠕变激活能n：应力指数（对金属约为37）可通过测定恒应力下的稳态蠕变速率与温度的关系求得Q实验测得的许多金属与陶瓷的稳态蠕变阶段激活能都与自 扩散激活能非常接近，说明稳态蠕变过程是由扩散机制控 制的，可看做应力作用下原子流的扩散。由于面心立方r-Fe的扩散系数只有曰一Fe的1

6、/350,其蠕变 速率也只有a-Fe的1/200,因此高温合金多是以/-Fe或 面心立方金属为基的合金。2、蠕变机制t=位错蠕变：滑移为变形方式之一，当滑移受阻，在高 （0.3Tm）下刃型位错可借助热激活攀移到邻近的1）温滑移面上继续滑移。减速蠕变阶段主要是滑移引起的加 工硬化和高温动态回复中刃型位错的攀移形成软化相博 弈，两者相等时，就进入第二阶段，形成稳态蠕变。2）扩散蠕变：在更高温（0.9Tm）且低应力下，或 位错能动性差的情况下，主要通过空位定向扩散来进 行软化。3）晶界滑动蠕变：高温下，晶界上的原子容易扩散, 受力后易产生滑动，也促进了蠕变的进行。扩散蠕变:应力梯度引起的空位扩散流是

7、扩散蠕变的主要机制拉应力于力轴方向的晶界空位形成能较高，空位数目少，其间的空位浓度差使原子定向扩散，从而产生晶体变形。晶界受到拉力后，在垂直于 拉力方向的晶界空位形成能 较低，空位数目多，在平行5.4.4超塑性某些金属材料在特定条件下拉伸时，可以使材料在较 低的流动应力下，得到延伸率高达500%2000%的均 匀塑形变形，而不发生缩颈，这种特性叫做超塑f生.不产生缩颈和获得高延伸率是衡量材料超塑性的两 项指标。超塑性变形能极大地发挥变形材料的塑性潜力，大大 降低变形抗力，有利于复杂零件的精确成形，对于难 成形的合金材料，如钛合金.镁合金以及某些高合金 钢等具有重要的意义。BiSn挤压材料在慢速

8、拉伸下获得大的延伸率(5=1950%)原始 试样拉伸 试样实现组织超塑性的条件:(1) 材料本身具有细小、等轴、稳定的复相组织A晶粒直径小于10um, 一般在0.5-5.0pm,由两相组成，第二 相可阻碍晶粒长大，保证在热加工过程中晶粒不会显著长大A此类材料有共晶合金、共析合金和析出型合金(2) 在高温下变形A超塑性加工温度一般在(0.5-0.65) TmA超塑性变形行为不同于动态回复和动态再结晶(3) 低的应变速率和高的应变速率敏感系数A超塑性的应变速率一般在10-210-4mm/s,以保证晶界扩散得 以顺利进行。1.超塑性的表征（力学性能指标）获得高延伸率和不产生缩颈是衡量材料超塑性的两项指标。用应变速率敏感系数m表示抗缩颈能力。应变速率敏感指数m在应变量w和温度T 一定的条件下， 真应力ex随应变速率 变化的程度。m： lgo-lg£ '关系曲线 的斜率p o 1 9101 S 篥富610710 IQ*3 ICT' 10-t110J 7-105 Mg-Al共晶合金在350T变形时的流变应力0和参数m与应变速率的关系（晶粒尺寸106微米Om越大，表示应力对应变速率越敏感，越有利于获得超塑性。当试样要发生缩颈时，缩颈处的应变速率比均匀变形的 应变速率大很多，如果具有高的m,导致该处的局部应 力快速升高形成硬化，抑制缩颈的进一步形