第五节 金属的热变形 一、动态回复与动态再结晶 前面讨论的回复和再结晶是在金属冷变 形后的加热过程中发生的，称为静态回复和 静态再结晶。 第五节 金属的热变形 一、动态回复与动态再结晶 前面讨论的回复和再结晶是在金属冷变 形后的加热过程中发生的，称为静态回复和 静态再结晶。 金属在较高温度下变形时，也能发生回 复和再结晶，称为动态回复与动态再结晶。

㈠动态回复 动态回复：材料在变 形过程中发生的回复。 1、应力-应变曲线 第Ⅰ阶段：微应变阶段 (直线)，总应变量<1%; 发生动态回复时的真应力-真应变曲线特征 真应变 真应力 T=常数 动态回复：材料在变 形过程中发生的回复。 1、应力-应变曲线 第Ⅰ阶段：微应变阶段 (直线)，总应变量<1%; 第Ⅱ阶段：起始流变阶 段，屈服，有加工硬化; 第Ⅲ阶段：稳定流变阶 段，加工硬化率为零, 曲线转 为水平。

动态回复阶段的应力-应变 曲线（工业纯铁，700℃） 1.5×10-4 8.0×10-1 6.0×10-2 6.0×10-3 当温度一定，变形 速率增大时，曲线整体 向上移动，即稳定流变 的应力增大； 当变形速率一定， 温度升高时，曲线整体 向下移动，即稳定流变 应力下降；

铝在400℃挤压所形成的纤维组织（纵向，偏振光 ）40× 2、组织结构的变化 显微组织：晶粒沿着变形方向伸长而呈纤维状。 铝在400℃挤压所形成的纤维组织（纵向，偏振光 ）40×

a)光学显微组织（偏振光 430×）；b)透射电子显微组织 亚组织：等轴的亚晶粒。 变形开始阶段，加工硬化效果强，位错密度 增加，金属形成位错缠结和位错胞，构成亚晶界。 因为是在高温下变形，位错可通过攀移、交 滑移，使异号位错相遇，彼此抵消而破坏已形成 的亚晶界；同时在另一些地方又有新的亚晶界形 成，从而保持恒定的亚晶平均尺寸。 铝在400℃挤压所形成的动态回复亚晶 a)光学显微组织（偏振光 430×）；b)透射电子显微组织

影响亚晶尺寸的因素： 形变温度：形变温度高，亚晶尺寸大； 形变速率：形变速率小，亚晶尺寸大。 应变与回复同时进行，避免了冷加工效果的积 累，位错密度较冷变形时低。 动态回复产生的亚组织，不能靠综合冷加工和 静态回复两个过程迭加得到。 动态回复亚组织：位错密度较高，亚晶尺寸较 小； 冷加工+静态回复亚组织：位错密度较低，亚 晶尺寸较大。

动态回复组织的性能： 强度较冷变形组织低，较静回复和再结晶组 织强度高，因为材料屈服强度随亚晶粒的细化而 提高。 保留动回复组织，已应用于提高铝镁合金挤 压型材的强度。 易发生动态回复的金属： 层错能高的金属，如Al、Al合金、纯铁、铁 素体钢等，其位错的交滑移和攀移容易进行。 层错能低的金属，在变形量较小时，通常也 只发生动态回复。

发生动态再结晶时的真应力-真应变 曲线的特征 ㈡动态再结晶 1、真应力-真应变曲线 高应变速率，较低温度下： 连续动态再结晶。 0<ε<εc：加工硬化阶段； εc<ε<εs：动态再结晶初始阶 段； ε>εs：稳定流变阶段，(形变 硬化与再结晶软化达到动态 平衡)。 εc—开始发生动态再结晶的 临界变形量。 发生动态再结晶时的真应力-真应变 曲线的特征 真应力

发生动态再结晶时的真应力-真应变 曲线的特征 低应变速率，较高温 度下：间断动态再结晶. 应变速率低，位错增 殖速度小，在发生动态再 结晶引起软化后，位错密 度来不及增长到足以使再 结晶达到与加工硬化相抗 衡的程度，故重新发生加 工硬化，曲线上升，直到 位错密度积累到又能使再 结晶占据主导地位时，曲 线才又下降。 发生动态再结晶时的真应力-真应变 曲线的特征 真应力 这一过程不断重复，并呈周期性的变化，曲 线呈波浪状，其周期大体相同，但振幅逐渐衰减。

动态再结晶阶段的应力-应变曲线 a)应变速率的影响；b)变形温度的影响

2、组织结构的变化 显微组织： 非常细小的等轴晶粒，晶内还有 细小的亚晶和一定程度的位错缠结。 形核及长大方式： 与静态再结晶类似。 原因： 动态再结晶形核长大期间，同时 进行着形变，未再结晶区不断有动态 再结晶晶核形成，并只发生有限的长 大；已再结晶的晶内继续遭受变形， 可重复发生动态再结晶。 镍在934℃形变时通过动态再结晶形成的再结晶晶粒中的缠结位错（透射电子显微组织）

流变应力：流变应力越 高，动态再结晶后晶粒尺寸 越小。 镍通过动态再结晶与静态再结晶所形成的晶粒尺寸与流变应力之间的关系 影响动态再结晶晶粒尺 寸的因素： 流变应力：流变应力越 高，动态再结晶后晶粒尺寸 越小。 应变速率：应变速率越 高，晶粒尺寸越小。 变形温度：形变温度低， 晶粒尺寸小。 变形程度：变形程度大， 晶粒尺寸小。

易发生动态再结晶的金属： 层错能低的面心立方金属，如：Cu、Ni、γ-Fe及奥氏 体不锈钢等，其位错的交滑移和攀移难进行。 动态再结晶组织的性能： 强度低于动态恢复组织的强度，但高于静态再结晶后 的强度。因为晶内还有位错缠结。 控轧控冷： 较高应变速率下，材料中始终有动态再结晶晶核存在， 热变形后在高温停留时间长了，要发生静态再结晶和晶粒 长大。 因此，要将热变形获得的细小晶粒保留下来，要控制 热变形的终止温度和热变形后的冷却。如控轧控冷工艺。

二、热变形 1、热加工与冷加工 热加工：金属在再结晶温度以上的加工变形。 实质：变形中加工硬化与动态软化同时进行 的过程。 动态软化包括：动态回复和动态再结晶。 冷加工：形变时只发生加工硬化的加工变形。 冷、热加工不能以加工温度的高低来区分， 而应根据其再结晶温度来判定。

例：钨，T再=1200℃，1000℃的加工仍属冷 加工； 而铅， T再<15℃，20℃时的加工变形应属热 加工。 热加工时，有动态软化可以消除加工硬化 (至少部分消除)，因此热加工中金属一直保持较 高的塑性，可连续地进行大变形量加工。 主要用于截面尺寸较大、变形量较大的产品， 以及脆性较大的金属材料。 温度高，流变强度下降，形变阻力小，动力 消耗较少。

三、热加工对金属组织和性能的影响 1、提高材料致密性和力学性能 热加工可消除铸造材料中的某些缺陷，如焊 合气孔、疏松；部分消除偏析；打碎粗大的柱 状晶和树枝晶；改善夹杂物或脆性相的形态与 分布。 提高材料的致密性，细化晶粒，提高材料的 力学性能，特别是塑、韧性比铸态有显著提高。 受力复杂，负荷较大的重要工件，都要经过 热加工。

ak(J/cm2) WC =0.3%的碳钢铸态和锻态力学性能比较 状态 σb(Mpa) σ0.2(Mpa) δ(%) φ(%) 锻态 530 310 20 45 56 铸态 500 280 15 27 28

2、形成流线，使材料出现各向异性 流线：夹杂物、第二相、偏析等沿变形方向 分布，在经浸蚀的宏观磨面上出现的纤维组织。 顺流线方向性能高(特别是塑、韧性)，垂直 于流线方向性能较差。 低碳钢热加工后的流线

ak(J/cm2) 流线方向对45钢力学性能的影响 钢坯测定方向 σb(Mpa) σ0.2(Mpa) δ(%) φ(%) 纵向 715 470 17.5 62.8 62 横向 675 440 10.0 31.0 30

受力简单的零件，热 加工时应使流线与零件 工作时受到的最大拉应 力方向一致，而与外加 的切应力和冲击方向相 垂直。 右图 (a)流线分布正确， (b) 不正确。 易受疲劳剥蚀的零件， 应尽量使流线与工作表 面平行，不在工作表面 露头。(轴承套圈) 受力复杂零件，不要 有明显的流线分布，则 镦粗和拔长结合。 曲轴流线分布

3、形成带状组织 带状组织：在经过压延的金属材料中常常出现的组织。 加工时存在两相，两个相都沿变形方向伸长，在纵切面 上形成两相相间的条带状组织。 1Cr13：白色相，铁素体；黑色相，由奥氏体转变成的 珠光体。 Cr12：白色碳化物颗粒成带状分布，黑色基体为珠光 体。 由偏析造成的，压延时偏析区沿变形方向伸长成条带状， 冷却时偏析区成分不同，转变成的组织不同。 亚共析钢中，枝晶间富P、Si等，提高GS温度，先共析 F在此形核长大(白色区)，F析出后，使C向两侧扩散，富 C区随后转变为P。 非金属夹杂物也会在加工中被拉长(或碎成 小粒成串链 状)，先共析F通常会依附于它们而析出，形成带状组织。

热轧低碳钢板的带状组织 100 ×

带状组织对材料的力学性能影响 带状组织也使材料的力学性能产生方 向性，特别是横向塑、韧性降低。 防止方法： ①不在两相区变形； ②高温扩散退火消除偏析； 消除方法： 正火。

4、热变形后的组织控制（控轧控冷） 热变形后要获得细小的晶粒组织，需控制其 终止温度、最终变形量和热变形后的冷却速度。 采用低的终止温度、大的最终变形量和快的 冷却速度，可得到细小晶粒。 加入微量合金元素，阻碍热变形后的静态再 结晶和晶粒长大，也是细化晶粒的有效措施。

第六节 超塑性 一、基本概念 超塑性：材料在低载荷作用下，拉伸试验伸长率 δ>200%的现象。 超塑性的特点： 第六节 超塑性 一、基本概念 超塑性：材料在低载荷作用下，拉伸试验伸长率 δ>200%的现象。 超塑性的特点： 大伸长率，可高达百分之几千； 无缩颈，截面均匀缩小， ψ可接近100%； 低流动应力，只有几个到几十个MPa，且非常敏感地 依赖于应变速率； 易成形，加工时无加工硬化。超塑性成形时具有极好 的流动性和充填性，能加工出复杂而精确的零件。

二、超塑性的种类 1、细晶超塑性： 在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足的条件下 所呈现的超塑性。又称结构超塑性或恒温超塑性。 恒温：0.5~0.7Tm；应变速率：10-1~10-4s-1；晶粒直径： <10μm。 2、相变超塑性： 金属具有相变或同素异构转变，在一定外力作用下，使 金属在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定的循环次 数后，出现的超塑性。又称动态超塑性。 近几年研究发现：动态超塑性成形后，对形状有记忆效 果。变形后进行无载荷热循环，可使其形状恢复。

碳钢和轴承钢的伸长率δ与温度循环次数n之间的关系 试验温度幅度：538 ～ 816℃；定负荷：σ=17.6MPa）

三、动态（相变）超塑性的影响因素 加热温度：相变温度上、下； 加热、冷却速度：要高； 热循环幅度：要大； 循环次数：要多； 施加应力：要小。

四、细晶超塑性变形的力学特征 1、应力-应变曲线 条件应力-应变曲线上，当条件应力达到最大值后， 随变形程度的增加而下降，而变形量可达很大的数值。 真实应力-应变曲线上，真应力几乎不随变形程度的 增加而变化。 超塑性材料的条件应力-应变曲线 超塑性材料的真实应力-应变曲线

2、流动应力(真应力)对变形速率极其敏感 特征方程： c—决定于试验条件的材料常数； m—应变速率敏感性指数。它反映材料抗局部收缩或 产生均匀拉伸变形的能力。 m 是表征超塑性的一个重要指标。 m值大，流动应力会随应变速率的增大而急速增大。 如试样某处有局部缩小，该处应变速率加大，继续变 形所需应力也随之剧增，阻止了该处断面的继续减小，促 使变形向别处发展而趋于均匀，最终获得更大的伸长率。 m=1，上式即为牛顿粘性流动公式，c为粘性系数。普 通金属，m=0.02~0.2；超塑性金属，m=0.3~1.0；m值越大， 伸长率越大。

五、影响细晶超塑性的主要因素 1、应变速率 在 较低或较高时，m值都较小， m在 适中时，m值 最大。 2、变形温度 温度高于或低于某一温度范围，不出现超塑性。一般合 金超塑性温度在0.5Tm左右。 只有应变速率和变形温度综合作用，获得最大m值，合 金才能表现出最好的超塑性状态。 3、组织 要求金属具有超细、等轴、双相及稳定的晶粒。

Mg-Al共晶合金在350℃变形时流变应力σ和应变速率敏感指数m随应变速率 的变化（晶粒尺寸：10.6μm）

晶粒越细，真应力越低，伸长量(或m值)越 大，且最大塑性移向高应变速率一边。一般 φ>10μm，难实现超塑性。 等轴晶，以便有数量多，且短而平坦的晶界。 组织为双相，可使母相和第二相晶粒，相互 阻止对方的晶粒长大. 组织稳定，则在变形过程中，晶粒长大速度 缓慢，以便在保持细晶的条件下有充分的热变形 持续时间

六、组织变化和对力学性能的影响 1、组织变化 变形后晶粒虽有些长大，但仍为等轴晶，晶粒未变形拉 长； 在试样抛光表面上不出现滑移线，没有亚结构的形成和 位错密度的增加； 有显著的晶界滑移痕迹，在许多情况下，晶界或相界处 形成空洞. 2、对力学性能的影响 不产生各向异性，且具有较高的抗应力腐蚀性能； 变形后没有残余应力； (恒温、缓慢变形，内部无弹性 畸变能) 压缩时有加工软化现象； 可提高抗疲劳强度。

七、超塑性变形机理 晶界滑动和扩散蠕变联合机理：在晶界滑移的同时，伴随有 扩散蠕变，对晶界滑移起调节作用的不是晶内位错的运动，而是 原子的扩散迁移。 4个六边形晶粒在应力作用下， 通过晶界滑动、转动和原子的定向 扩散(体扩散和晶界扩散)，晶粒形 状由初始状态，经过中间状态，变 为最终状态。最终和初始状态的晶 粒形状相同，但位置发生了变化。 因此，超塑性变形时，试样的宏 观变化是依靠晶粒的换位，而这种 换位又是通过晶界的滑动与扩散来 完成的。 超塑性变形机制示意图

八、超塑性的应用 利用合金的超塑性，可以采用精密模锻或 类似于热塑料和热玻璃的加工工艺（如吹制）， 来成形形状复杂的零件。 超塑性加工的零件，尺寸精度高，粗糙度 好。 使用常规成型设备，严格控制组织和成形 条件，即可实现超塑性成形，但成本将增高。