5.金属热变形机制1形变金属及合金在退火过程中的变化显微组织的变化将冷塑性变形的金属材料加热到0.5T熔温度附近， 进行保温，随时间的延长第一阶段0～τ1，显微 组织无变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状，称为 回复阶段第二阶段完全变成新的等轴晶粒，称 为再结晶阶段第三阶段称为晶粒长大阶段23储存能释放与性能变化冷塑变时，外力所作的功尚有一小部分储存在形 变金属内部，这部分能量叫储存能图7-2是三种 不同类型的储存能释放谱曲线A为纯金属、B与 C为合金储存能释放谱每条曲线都有一峰值， 高峰开始出现对应再结晶开始，在此之前为回复 回复期A型纯金属储存能释放少，C型储存能释 放最多储存能的释放使金属的对结构敏感的性 质发生不同程度的变化图7-3给出几种性能的变化与储存能的关系41．硬度 2．电阻率 3．胞状亚结构尺寸 4．密度57.2 回 复7.2.1 回复机理•钢在热加工中所以存在有回复过程，其原因是，高温的奥氏体区域是空位的生成和扩散频繁的温度区域，易于发生位错攀移运动、滑移运动、形成亚晶粒、亚晶界的运动以及晶界运动等现象•低温回复主要涉及点缺陷的运动空位或间隙原子移动到晶界或位错处消失，空位与间隙原子的相遇复合，空位集结形成空位对或空位片，使点缺陷密度大大下降。
•中温回复时，随温度升高，原子活动能力增强，位错可以在滑移面上猾移或交滑移，使异号位错相通相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化 67亚晶形成8高温回复，原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移主要机 制是多边化冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积，致使晶格弯曲 ，所增殖的位错杂乱分布高温回复过程中，这些刃位错便通过攀移和 滑移，由原来能量较高的水平塞积910回复动力学图7-5为经拉伸变形的纯铁在不同温度下加热时， 屈服强度的回复动力学曲线L-R)为剩余加工硬 化分数，t为退火时间11再结晶冷变形后的金属加热到一定温度之后，在变形基 体中，重新生成无畸变的新晶粒的过程叫再结晶 再结晶包括生核与长大两个基本过程12再结晶的形核1．小变形量的弓出形核机制132．亚晶合并机制143．亚晶蚕食机制151．晶粒长大的驱动力晶粒长大的驱动力，从整体上看，是晶粒长大前 后总的界面能差从个别晶粒长大的微观过程来说，晶界具有不同 的曲率则是造成晶界迁移的直接原因162．晶粒的稳定形貌实际的二维晶粒如图7-17所示，较大的晶粒往往 是六边以上1718• 钢在高温下变形时，会同时发生硬化(加工硬化) 和软化(回复和再结晶)两种对抗过程．• 从能量角度看，形变金属由于吸收了部分变形功 ，其内能增高，结构缺陷增多，处于不稳定状态 ．具有自发恢复到原始状态的趋势．室温下，原 子扩散能力低，这种亚稳定状态可保持下去．一 旦受热，原子扩散能力增强，将发生组织结构与 性能的变化．钢材热变形过程中的硬化、软化行为 19• 热加工中的软化过程分为:（1）动态回复;（2）动态再结晶；（3）亚动态再结晶；（4）静态再结晶；（5）静态回复。
• 动态：在外力作用下，处于变形过程中发生的• 静态：在热变形停止或中断时，借助热变形的余热，在无载荷的作用下发生的20• 动态动态 回复是指钢钢在热变热变 形过过程中，光学显显微组织发组织发 生改变变 前(即在再结结晶晶粒形成前)所产产生的某些亚结亚结 构和性能的 变变化过过程• 动态动态 再结结晶是指在再结结晶温度以上的变变形过过程中，随着变变 形所产产生的储储存能的释释放，应变应变 能逐渐渐下降，新的无畸变变 的等轴轴晶粒的形成和长长大过过程• 亚动态亚动态 再结结晶:除去变变形外力后已发发生动态动态 再结结晶的奥氏 体不必经过经过 任何孕育期可继续长继续长 大推移的现现象.• 静态态再结结晶:只发发生动态动态 回复的形变变奥氏体在变变形后经过经过 一定时间时间 (道次间间隔时间时间 )重新形核长长大.21•高温变形行为 高温变形行为：金属在0.5Tm以上变形时，称为高温变形钢材热变形过程中的硬化、软化行为：钢在高温下变形时，会同 时发生硬化(加工硬化)和软化(回复和再结晶)两种对抗过程， 这两个过程的不断交替进行保证变形得到顺利发展变形应力和位错的运动在实际的塑性加工条件下，变形是由于位错的运动而引起的。
因此，变形速率取决于位错集团的运动速度，而变形应力则取 决于位错运动的阻力固溶强化型合金还存在着另一种阻力的作用，溶质原于同位错之 间相互作用，使位错受来自溶质原子的阻力在这流动速度相当快的高温下，即使位错是运动的，也会在其周 围形成溶质原子浓度高的区域(科垂耳气团) 22动态再结晶真 应 力真应变IIIIII（c ）12动态回复真 应 力真应变真 应 力真应变12（a ）（b ）动态回复时的应力-应变曲线特征动态再结晶时的应力-应变曲线特征高温下稳定变形时的应力-应变曲线23奥氏体热变 形时的变形应力与组织 特征随应变 量增加而变化，应力- 应变 曲线表现为 :• 在回复型变形中：变形初期:由于加工硬化的速度大于回复速度,应力快速上升,位错密 度增加,亚晶发展迅速,晶粒伸长. 当变形达到一定程度:回复过程可以完全平衡应变 硬化过程,曲线表 现为应 力不随应变 增加而变化的稳态 流变,位错密度保持不变,即位 错的增殖率与消失率相等晶粒仍然继续 伸长,回复所形成的亚晶呈 等轴状.• 在再结晶型的变形中：应变 量小于临界应变 量时只发生回复．在高温、高应变 速率的情况下，应力随应变 不断增加，直至达到峰 值后又随应变 下降，最后达到稳定态。
在低应变 速率下，与其对应 的稳定阶段的曲线成波浪形变化，这是由于反复出现动态 再结晶- 变形-动态 再结晶，即交替进行软化-硬化-软化而造成的高温下稳定变形时的应力-应变曲线24奥氏体高温变形过程：第 I 阶段•在变形过程中发生加工硬化和软化两个过程这两个过程的不断交替 进行保证变形得到顺利发展在变形初期，变形速率由零增加到所采 用的变形速率ε，随着变形的进行，位错密度(ρ) 将不断增加，产生加 工硬化，并且加工硬化速率较快，使变形应力迅速上升•由于变形在高温下进行，位错在变形过程中通过交滑移和攀移的方式 运动，使部分位错相互抵消，使材料得到回复由于这种回复随加工 硬化发生，故称之为动态回复•当位错排列并发展到一定程度后，形成清晰的亚晶，称之为动态多边 形化动态回复和动态多边化使加工硬化的材料发生软化随着变形 量的增加，位错密度增大，位错消失的速度也加快，反映在真应力－ 真应变曲线上，就是随变形量的增加，加工硬化逐渐减弱•在第一阶段中，总的趋势是加工硬化超过动态软化，随着变形量的增 加，应力不断提高，称之为动态回复阶段在一定条件下，当变形进 行到一定程度时，加工硬化和动态软化相平衡，反映在应力-应变曲线 上是随着变形量的增大，应力值趋于一定值。
25奥氏体高温变形过程：第 II 阶段• 在第一阶段动态软化不能完全抵消加工硬化随着变形量 的增加，位错密度继续增加，内部储存能也继续增加当 变形量达到一定程度时，将使奥氏体发生另一种转变—动态再结晶• 动态再结晶的发生与发展，使更多的位错消失，奥氏体的 变形抗力下降，直到奥氏体全部发生了动态再结晶，应力 达到了稳定值即第二阶段变形• 曲线表明，奥氏体发生动态再结晶有一临界变形量，只有 达到这一变形量时，才能发生动态再结晶26•奥氏体高温变形过程：第 III 阶段•奥氏体发生了动态再结晶之后，变形量不断增加，而应力值基本保持不变， 呈稳定状态•动态再结晶分为两种： – 连续动态再结晶： （εc εr）• 由于εr较小，奥氏体一旦发生动态再结晶，不需要太大的变形量 • 第一轮动态 再结晶完成后，已发生再结晶的晶粒还需继续变 形，才 能发生第二轮动态 再结晶27动态回复 回复过程按晶型或合金成分区分，如下表所示• 对A组金属动态回复是在金属全应变区域内完 成，对B 组金属是在低应变区域完成28• 动态回复是在低应变区域产生当变形量继续升高时 ，应力达到最大值后开始减小，最后达到稳定状态 在这个稳定状态下进行动态再结晶。
在加工硬化区， 由位错缠结构成的亚晶界发达亚晶是动态回复的重 要标志亚晶出现说明已发生了动态回复 29动态再结晶临界变形程度c•只有变形程度超过临界变形程度c时，奥氏体才能发生动态再结晶 临界变形程度c 的大小与钢的奥氏体成分和变形条件(变形温度T、变 形速度)有关临界变形程度c 近似的等于对应应力峰值的变形程度 p，或者说c =0.83 p，也有人认为， c =0.7 p•动态再结晶的临界变形程度 c 受到变形温度和变形速度的影响变 形温度升高时，临界变形程度 c 变低，变形速度变小时，临界变形 程度 c 也变低可见，于高温低速的条件下变形时容易出现动态再结晶•此外，钢的化学成分、原始晶粒度对临界变形程度c的大小也都有影 响如奥氏体型Fe-Ni-Cr合金的临界变形程度c 比铁素体钢大得多原始奥氏体晶粒粗大时，临界变形程度也大30变形奥氏体不同条件下的动态再结晶行为 (a)1s-1, (b)0.5s-1, (c)0.25s-1, (d)0.1s-1 1: 900℃, 2: 950℃, 3: 1000℃, 4: 1050℃, 5: 1100℃, 6: 1150℃•举例31不同变形温度下应力-应变曲线加热条件:1100℃+2.5min,10℃/s冷却到变形温度 ,60%变形,变形速率0.1s-1,变形后立即水淬•应变速率较 小时，温度 越低，发生 动态再结晶 越迟；•温度降至 850 ℃时动 态回复；•850~800 ℃为应变诱 导铁素体区 间；•750 ℃两相 区，动态再 结晶。
32耐候钢应变速率为1/s33不同变形温度与奥氏体微观组织变形条件: 1100℃+2.5min,10℃ /s冷却到变形温度,60%变形,应 变速率15s-1,变形后立即水淬,苦味酸腐蚀 a-变形温度1050℃;完全动态再结晶，晶粒较粗 b-变形温度900℃；动态回复；非等轴，晶粒明显碎化，细小亚晶 组成团状或串状奥氏体团34变形速率的影响• 提高应变速率，可以明显推迟动态再结晶的发生；传统上 认为的奥氏体再结晶温度区（950）变形时，通过改变应 变速率（>10s-1），应变-应变曲线明显为动态回复形貌特 征；35不同应变速率下950 ℃变形时奥氏体微观组织形貌•特征：细小奥氏体亚晶组成大的奥氏体团块，同时具有形变特征，应 变速率越高，亚晶粒越细小36反映了奥氏体变形条件(变形温度，变形速率)与峰值应力和峰值应变的相互关系可以看出：变形温度升高、变形速率降低时，峰值应力及与其对应的峰值应变降低37普碳钢Q235随温度的降低和应变速率的提高,可使 形变奥氏体只发生动态回复不发生动态再结晶.（ 压缩量60%）普碳钢Q235压缩变形发生动态再结晶、部分动态再结晶、未再结晶 时温度与应变速率关系图:●发生动态再结晶; ○未再结晶38原始晶粒大小对动态再结晶的影响 加热温度低，变形时原始奥氏体晶粒尺寸小，发生动态再结晶 所需变形量相对小，孕育期短，相对容易发生动态再结晶。
Q235钢在不同加热条件及相同变形温度条件下的应 力-应变曲线（变形温度为900℃ ，应变速率0.11s-1）39随温度的降低和应变速率的提高,材料微观组织发生不同变 化,相应变化的应力-应变曲线是:无峰平台动态回复→多峰 的不连续动态再结晶→单峰连续动态再结晶→部分动态再结 晶→无峰和具有上升趋势的动态回复→形变诱导相变.真应力-真应变曲线与形变温度/应变速率关系示意图40奥氏体热加工真应力-真应变曲线与材料微观组织变化示意图再结晶组织的演变：形变过程中随应变量增大微观组织发生变化的过程为:变形初期的加工硬化→部分再结晶阶段→全部再结晶阶段41形核机制 ：在上图 中（变形条件为0.6，950 。