第五章 材料的变形与再结晶
2、扩散蠕变机制
条件：温度高，应力较小。适用于陶瓷，Ni基 超合金。
扩散蠕变 C eQ / Rt 位流动模型，图5.75

应力作用下晶内空
C为一常数，3-4之间；Q为自扩散的激活能 3、晶界滑动蠕变机制
第五章 材料的变形与再结晶
5.4.4 超塑性
有些合金(如Ti-6Al-4V和Zn-23Al等)经过特殊 的热处理和加工后，在外力作用下可能产生异乎寻常 的均匀变形(某些材料在特定变形条件下呈现的特别 大的延伸率，其延伸率高达1000%)，这种行为称为超 塑性。对具有超塑性的材料，只用一个模具或少数几 个模具就可将合金成形为非常复杂的形状。 • 按产生超塑性的冶金因素不同，可将其分为两类： （1）微晶超塑性（组织超塑性），（2）相变超塑性。 目前研究最多的是微晶超塑性
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2.热变形形成流线（纤维组织），出现各向异性。 在热加工过程中铸态金属的枝晶偏析、晶界杂质偏聚、 夹杂物或第二相粒子、晶界等逐渐沿变形方向延展，在宏观 工件上勾画出一个个“流线”，即指动态再结晶形成等轴晶 粒而夹杂物(或第二相)仍沿变形方向呈流动状的纤维组织。 顺流线方向比横向具有更高的力学性能，特别是塑性和韧性 提高明显 。在制订热加工工艺时，要尽可能使纤维流线方向 与零件工作时所受的最大拉应力的方向一致(如下图)。
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3.动态再结晶组织
•
动态再结晶在应变速率较低时通晶界弓出形核，这是由于晶 界局部被缠结位错构成的亚晶界钉扎，同时弓出段两侧存在着 较大的应变能差；在应变速率较高时以亚晶合并长大方式形核， 这是由于位错缠结形成较多的亚晶粒，使晶界被钉扎点间的距 离缩小，可弓出段长度太小，以致弓出形核难以实现。 • 其长大是通过新形成的大角度晶界及随后移动的方式进行 • 其特点：反复形核、有限长大，晶粒较细。动态再结晶的 晶粒为等轴晶粒组织，晶粒较为细小，大小不均匀，晶界呈锯 齿状，等轴的等轴晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒，其 尺寸取决于应变速率和变形温度。由于具有较高的位错密度和 位错缠结存在，这种组织比静态再结晶组织具有较高的强度和 硬度。 • 应用：采用低的变形终止温度、大的最终变形量、快的冷 却速度可获得细小晶粒。
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5.4.3
蠕变
• 许多构件在高温下工作的，高压锅炉，蒸气轮机， 燃气轮机，反应容器等，不能用常温性能衡量高温 力学性能。 • 蠕变：在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作 用下，不断地发生变形。
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一、蠕变曲线
按
d 分成 dt

• Ⅰ：瞬态或减速蠕变阶段： 蠕变第一阶段，过渡蠕变阶 段。 • Ⅱ：稳态(恒速)蠕变阶段： 蠕变第二阶段，稳态蠕变阶 段。 • Ⅲ：加速蠕变阶段：蠕变第 三阶段，加速蠕变阶段。
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（二）动态再结晶
1. 动态再结晶的应力 金属在一定温度下以不同应变速率变形并发生动态再结 晶时的s—e曲线分成三个阶段： 第一阶段—加工硬化阶段：应力随应变上升很快，金属 出现加工硬化（0<ε<εc）。 第二阶段—动态再结晶开始阶段：应变达到临界值εc， 动态再结晶开始，其软化作用随应变增加而上升的幅度逐渐降 低，当σ>σmax时，动态再结晶的软化作用超过加工硬化，应 力随应变增加而下降（εc ≤ε<εs）。 第三阶段—稳定流变阶段：随真 应变的增加，加工硬化和动态再结晶引 起的软化趋于平衡，流变应力趋于恒定。 但当ε以低速率进行时，曲线出现波动， 其原因主要是位错密度变化慢引起。 （ε≥εs）
拖钩的纤维组 织（a）模锻 钩（合理）， （b）切削加 工钩（不合理）
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3. 形成带状组织 形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响：各向异性。 消除：避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高 温扩散退火或正火。
第五章 材料的变形与再结晶
4. 控制热加工工艺，以获得细小的晶粒组织。 通过动态回复和动态再结晶后，在晶粒内部都 形成了亚晶粒，具有这种亚组织的材料，其强度、 韧性提高，为亚组织强化，其屈服强度与亚晶尺寸 ds之间满足Hall-Petch。
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5.4
热变形和动态回复再结晶
压力加工是利用塑性变形的方法使金属成形并 改性的工艺方法。由于在常温下进行塑性变形会引 起金属的加工硬化，即出现变形抗力增大、塑性下 降，这使得对某些尺寸较大或塑性低的金属在常温 下难以进行塑性变形。生产上通常采用在加热条件 下进行塑性变形。 热变形或热加工指金属材料在再结晶温度以上 的加工变形。工业生产个，高温进行的锻造，轧制 等压力加工属热加工。热加工过程中，在金属内部 同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的 过程。
第五章 材料的变形与再结晶
2.动态再结晶的机制
在高应变速率下，随变形量增加位错密度不断增高，使动 态再结晶加快，软化作用逐渐增强，当软化作用开始大于加工 硬化作用时．曲线开始下降。当变形造成的硬化与再结晶造成 的软化达到动态平衡时，曲线进入稳定阶段。 在低应变速率下，与其对应的稳定态阶段的曲线呈波浪形 变化，这是由于位错增殖速度小，在发生动态再结晶软化后， 继续进行再结晶的驱动力减小，再结晶软化作用减弱，以致不 能与新的加工硬化平衡，从而重新发生硬化，曲线重新上升。 等到位错再度积累到一定程度，使再结晶又占上风时，曲线又 重新下降。这种反复变化的过程将不断进行下去，变化周期大 致不变，但振幅逐渐衰减。因此这种情况下，动态再结品与加 工硬化交替进行：使曲线呈波浪式。层错能偏低的材料如铜及 其合金，奥氏体钢等易出现动态再结晶。故动态再结晶是低的 层错能金属材料热交形的主要软化机制。
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5.4.1 动态回复和动态再结晶
在金属冷形变后的加热过程中发生的，称为静态回复和 静态再结晶。若提高金属变形的温度,使金属在较高的温度下 形变时，金属在热变形的同时也发生回复和再结晶，这种与 金属热变形同时发生的回复和再结晶称为动态回复(dynamic recovery)和动态再结晶(dynamic recrystallization)。 动态回复：在热加工过程中，塑性变形使金属产生形变 强化的同时发生的回复的现象。 动态再结晶：在热加工过程中，塑性变形使金属产生形 变强化的同时发生的再结晶的现象。 这是在通常的热加工时发生的过程。在发生回复和再结 晶时，由形变造成的加工硬化与由动态回复，动态再结晶造 成的软化同时发生。
热加工过程中的动态再结晶示意图
第五章 材料的变形与再结晶
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热加工时，硬化过程与软化过程是同时进行的，按 其特征不同，可分为下述五种形式： (1) 动态回复 (2) 动态再结晶 （1）、（2）是在温度和负荷联合作用下发生的。 (3) 亚动态再结晶 (4) 静态再结晶 (5) 静态回复 （3）、（4）、（5）是在变形停止之后，即在无负 荷作用下发生的。
第五章 材料的变形与再结晶
二、蠕变的变形机制
• 常温下的变形：可通过位错的滑动，产生滑移 和孪晶两种变形方式。 • 高温下的蠕变：高温位错还可以通过攀移，使 位错迁到障碍时作垂直于滑移面的运动，继续变 形→软化过程。总之，位错滑动和攀移交替进行 的结果。 • 蠕变变形机制两种： 位错蠕变机制 扩展蠕变机制 这两种蠕变机制之间没有确切的划分界限
第五章 材料的变形与再结晶
5.4.2 金属热变形的组织和性能
1.改善铸造状态的组织缺陷，提高材料的致密性和力学 性能。 可使铸态组织中的气孔、 气泡、疏松及微裂纹焊合，提 高金属致密度，还可以使铸态 的粗大树枝晶通过变形和再结 晶的过程而变成较细的晶粒， 某些高合金钢中的莱氏体和大 块初生碳化物可被打碎并使其 分布均匀、降低偏析等。 这 些组织缺陷的消除会使材料的 性能得到明显改善。提高强度、 塑性、韧性。
第五章 材料的变形与再结晶
1、位错蠕变机制
• 条件：温度较低,T＜0.5Tm应力较高 • 蠕变过程发生在大多数工业合金，平衡时：
d d d d d dt dt
• 第二阶段：加工硬化率＝回复转化速率
即
d 0 • 第二阶段的蠕变速率由位错攀移速率所控。蠕 变方程符合5.41式。
•
第五章 材料的变形与再结晶
3.动态回复时的组织变化
动态回复过程随变形的进行金属中的晶粒延伸成纤维状，而 通过多边化或位错胞规整化形成大量的亚晶粒组织始终保持等 轴状，即使形变量很大也是如此。这被解释为动态回复过程中 亚晶界的迁移和多边化的结果。亚晶的尺寸及相互间位向差取 决于金属类型、形变温度和应变速率。 亚晶平均直径d与T、ε的关系如下： 1/d = a + blog[εexp（Q/RT）] a、b为常数 动态回复所获得的亚稳组织可通过热变形后的迅速冷却而保 留下来，其强度远远高于再结晶组织的强度。但若从高温缓冷 下来，则将发生静态再结晶。 • 对于给定金属材料，动态回复亚晶粒的大小受形变温度和形 变速率的影响：形变温度越高或形变速率越低，亚晶粒越大。 • 动态回复组织已成功地应用于提高建筑合金挤压型材的强度 方面。
第五章 材料的变形与再发析出与动态再结晶
发生塑性变形时，合金中的固溶体内可能析出第 二相。这种过程叫作形变诱发析出。合金在高温下形 变时，形变诱发析出现象尤为普遍。析出的第二相颗 粒对动态再结晶有一定阻碍作用。这种阻碍作用的强 弱决定于第二相颗粒的数量与尺寸。应变速率很高时， 由于受原子扩散速度的限制，第二相来不及析出。应 变速率低时，第二相颗粒粗化，对动态再结晶的阻碍 作用不大。只有在中等应变速率形变时，应变诱发析 出的第二相既有一定数量，颗粒又比较细小，它们对 动态再结晶有较大的阻碍作用。
第五章 材料的变形与再结晶
2.动态回复机制 第Ⅰ阶段, 金属中的位错密度由退火态的 1010~1011m-2 增至1011~1012m-2 。第Ⅱ阶段位错密度继 续升高,但因动态回复的出现,位错消失率也增大。第 Ⅲ阶段，位错的增殖率和消失率达到平衡，位错密度 维持在1014~1015m-2。和冷形变时相同，随着位错密度 的增大，金属中形成位错缠结和位错胞。位错密度的 增大导致了回复过程的发生，位错消失的速率随应变 的增大不断增大，最后终于使位错增殖与位错消失达 到平衡，不再发生加工硬化的稳态流变阶段。 动态回复机制是位错的攀移和交滑移，攀移在动 态回复中起主要的作用。层错能的高低是决定动态回 复进行充分与否的关键因素。动态回复易在层错能高 的金属，如铝及铝合金中发生。