2、鋼的奧氏體形變與再結(jié)晶

1、2 、鋼的奧氏體形變與再結(jié)晶,高溫變形：金屬在再結(jié)晶溫度（0.5Tm）以上的變形時。鋼材熱變形中的硬化、軟化行為：鋼在高溫下變形時，會同時發(fā)生硬化(加工硬化)和軟化(回復和再結(jié)晶)兩種對抗過程，這兩個過程的不斷交替進行保證變形得到順利發(fā)展。變形應(yīng)力和位錯的運動在實際的塑性加工條件下，變形是由于位錯的運動而引起的。因此，變形速率取決于位錯集團的運動速度，而變形應(yīng)力則取決于位錯運動的阻力。固溶強化型合金還存在著另一種阻力的作用，溶質(zhì)

2、原于同位錯之間相互作用，使位錯受來自溶質(zhì)原子的阻力。在流動速度相當快的高溫下，即使位錯是運動的，也會在其周圍形成溶質(zhì)原子濃度高的區(qū)域(科氏氣團)。,熱加工中的軟化過程分為:（1）動態(tài)回復;（2）動態(tài)再結(jié)晶；（3）亞動態(tài)再結(jié)晶；（4）靜態(tài)再結(jié)晶；（5）靜態(tài)回復。動態(tài)：在外力作用下，處于變形過程中發(fā)生的。靜態(tài)：在熱變形停止或中斷時，借助熱變形的余熱，在無載荷的作用下發(fā)生的。,,2.1 熱變形過程中鋼的奧氏體再結(jié)晶行為

3、 熱塑性加工變形過程是加工硬化和回復、再結(jié)晶軟化過程的矛盾統(tǒng)一 ，加工硬化和高溫動態(tài)軟化過程同時進行，根據(jù)這兩個過程的平衡狀況來決定材料的變形應(yīng)力。,第一階段：當塑性變形小時，隨著變形量增加變形抗力增加，直到達到最大值。 金屬發(fā)生塑性變形，位錯密度?不斷增加，產(chǎn)生加工硬化，造成應(yīng)力不斷增加達到峰值。 由于變形在高溫下進行，位錯在變形過程中通過交滑移和攀移的方式運動，使部分位錯相互抵消，使材料得到回復。由于這種回復隨

4、加工硬化發(fā)生，故稱之為動態(tài)回復。 當位錯排列并發(fā)展到一定程度后，形成清晰的亞晶，稱之為動態(tài)多邊化。動態(tài)回復和動態(tài)多邊化使加工硬化的材料發(fā)生軟化。隨著變形量的增加，位錯密度增大，位錯消失的速度也加快，反映在真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線上，就是隨變形量的增加，加工硬化逐漸減弱。 在第一階段中，總的趨勢是加工硬化超過動態(tài)軟化，隨著變形量的增加，應(yīng)力不斷提高，稱之為動態(tài)回復階段。在一定條件下，當變形進行到一定程度時，加工硬化和

5、動態(tài)軟化相平衡，反映在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上是隨著變形量的增大，應(yīng)力值趨于一定值。,控制軋制方式示意圖(a) 奧氏體再結(jié)晶區(qū)控軋；(b) 奧氏體未再結(jié)晶區(qū)控軋；(c) (?+?)兩相區(qū)控軋,第二階段： 在第一階段動態(tài)軟化不能完全抵消加工硬化。隨著變形量的增加，位錯密度繼續(xù)增加，內(nèi)部儲存能也繼續(xù)增加。當變形量達到一定程度時，將使奧氏體發(fā)生另一種轉(zhuǎn)變—動態(tài)再結(jié)晶。 動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生與發(fā)展使更多的位錯消失，材料的變形

6、應(yīng)力很快下降。由再結(jié)晶形成的新晶粒又發(fā)生了變形，產(chǎn)生了加工硬化，加上新晶粒得到了細化，金屬材料的變形應(yīng)力仍然高于原始狀態(tài)的變形應(yīng)力。 發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶所必需的最低變形量稱為動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量，以?c表示，臨界變形量的大小表征了奧氏體發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的難易程度，而且可以通過改變工藝參數(shù)找出影響臨界變形量的各種因素，因此研究臨界變形量是研究奧氏體動態(tài)再結(jié)晶的一種好方法。?c?0.83?p ?p 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上應(yīng)力

7、峰值?p所對應(yīng)的應(yīng)變量?p的大小與鋼的奧氏體成分和變形條件（溫度、速度）有關(guān)。,Z為溫度補償變形速率因子，可表示 和 的各種組合。,當變形溫度愈低、變形速率愈大時，Z值變大，即?p 、?s大，動態(tài)再結(jié)晶開始的變形量?c和動態(tài)再結(jié)晶完成的變形量? s也變大，也就是說需要一個較大的變形量才能發(fā)生再結(jié)晶。,A：常數(shù) Q：變形活化能R：氣體常數(shù) T：絕對溫度,（1）變形速率不變時，同一應(yīng)變條件下，變形溫度越高，所

8、對應(yīng)的真應(yīng)力越低 （2）變形溫度不變時，同一應(yīng)變條件下，變形速率越低，所對應(yīng)的真應(yīng)力也越低，且真應(yīng)力的峰值向真應(yīng)力變小的方向移動 （3）相同變形溫度、速度條件下，隨應(yīng)變的增加，曲線呈現(xiàn)由高變低并逐漸趨于穩(wěn)定的形態(tài),圖5. 0.10%C,1.22%Mn,0.02%Nb鋼在0.6Tm 以上溫度變形時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線,鋼材熱變形時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線規(guī)律,（3）第三階段：當?shù)谝惠唲討B(tài)再結(jié)晶完成以后，將出現(xiàn)兩種情況，即穩(wěn)態(tài)變形（連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶

9、）和非穩(wěn)態(tài)變形（間斷動態(tài)再結(jié)晶）。 由動態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生核心到全部完成一輪再結(jié)晶所需要的變形量用?r表示， ?r可能大于 ?c，也可能小于?c。當?c ?r時發(fā)生間斷動態(tài)再結(jié)晶。,工藝參數(shù)（溫度和速率）對?c、?r都有影響，只是對?r的影響比對?c的影響大。當 高或 低時， ?c> ?r，出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)變形，間斷動態(tài)再結(jié)晶；當 低或 高時， ?c< ?r，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)變形，連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶。,形核

10、機制：,在上圖 中（變形條件為0.6，950 ℃ ，1s-1），在原奧氏體晶界的幾個位置，觀察到了晶界突出現(xiàn)象，如圖中箭頭所示，表明實驗鋼的動態(tài)再結(jié)晶是通過晶界突出形核機制進行的。關(guān)于再結(jié)晶形核機制問題，有二種理論，即亞晶長大形核機制及晶界突出形核機制。,奧氏體熱加工真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線與材料微觀組織變化示意圖,再結(jié)晶組織的演變： 形變過程中隨應(yīng)變量增大微觀組織發(fā)生變化的過程為: 變形初期的加工硬化→部分再結(jié)晶階段→全部再結(jié)晶階段

11、,動態(tài)再結(jié)晶組織演化（HQ685，1050℃，1s-1）,,,,,變形條件:1100℃+2.5min,10℃ /s冷卻到850℃ ,應(yīng)變速率10s-1,變形后立即水淬,苦味酸腐蝕a-變形量15%;b-變形量30%;c-變形量45%;d-變形量60%;,不同變形量與奧氏體微觀組織,不同變形溫度與奧氏體微觀組織,變形條件: 1100℃+2.5min,10℃ /s冷卻到變形溫度,60%變形,應(yīng)變速率15s-1,變形后立即水淬,苦味酸腐蝕

12、 a-變形溫度1050℃; b-變形溫度900℃,隨溫度的降低和應(yīng)變速率的提高,材料微觀組織發(fā)生不同變化,相應(yīng)變化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是:無峰平臺動態(tài)回復→多峰的不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶→單峰連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶→部分動態(tài)再結(jié)晶→無峰和具有上升趨勢的動態(tài)回復→形變誘導相變.,真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線與形變溫度/應(yīng)變速率關(guān)系示意圖,普碳鋼Q235隨溫度的降低和應(yīng)變速率的提高,可使形變奧氏體只發(fā)生動態(tài)回復不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶.,普碳鋼Q2

13、35壓縮變形發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶、部分動態(tài)再結(jié)晶、未再結(jié)晶時溫度與應(yīng)變速率關(guān)系圖:●發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶; ○未再結(jié)晶,2.2 熱變形間隙時間內(nèi)鋼的奧氏體再結(jié)晶行為1）靜態(tài)回復和靜態(tài)再結(jié)晶 金屬在熱加工后，由于形變使晶粒內(nèi)部存在形變儲存能，使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，因此在變形隨后的等溫保持過程中，以變形儲存能為驅(qū)動力，通過熱活化過程再結(jié)晶成核和長大而再生成新的晶粒組織，力圖消除加工硬化，使系統(tǒng)由高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的低能狀態(tài)，這個自

14、發(fā)的過程就是靜態(tài)回復和靜態(tài)再結(jié)晶。,2）軟化百分數(shù)：,當x=1 時表示加工硬化完全消除；當x=0 時表示奧氏體沒有任何軟化；當x=0~1時表示發(fā)生了不同程度的回復和再結(jié)晶。,σy：奧氏體的屈服應(yīng)力σ1：達到變形量ε1的應(yīng)力σy’：變形后保溫一定時間后再次發(fā)生塑性變形時的應(yīng)力,熱加工過程中所形成的不穩(wěn)定組織，在熱加工的間隙時間里或加工后的緩冷過程中將繼續(xù)發(fā)生靜態(tài)軟化。以右圖所示0.68％C鋼，780℃對應(yīng)不同應(yīng)

15、變值變形后保溫不同時間的軟化規(guī)律如下：(a)當變形量遠小于靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量時，加工硬化組織不能完全消除軟化過程為：靜態(tài)回復(b)當變形量大于靜態(tài)而小于動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量時，軟化過程為：靜態(tài)回復＋靜態(tài)再結(jié)晶(c)當變形量剛超過動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量時，軟化過程為：靜態(tài)回復＋亞動態(tài)再結(jié)晶＋靜態(tài)再結(jié)晶(d)當變形量達到動態(tài)再結(jié)晶穩(wěn)定階段的變形量時，軟化過程為：靜態(tài)回復＋亞動態(tài)再結(jié)晶,熱變形后的靜態(tài)軟化,再結(jié)晶軟化曲線示例,

16、,,,,,,Q235鋼靜態(tài)再結(jié)晶軟化率與道次間隔時間的關(guān)系,含鈮Q345鋼靜態(tài)再結(jié)晶軟化率與道次間隔時間的關(guān)系,,軟化率曲線,圖1：含Nb鋼不同溫度下變形后的軟化率曲線(prestrain: 0.2, strain rate: 1/s),圖2：變形溫度為950℃時經(jīng)不同預應(yīng)變后的軟化率曲線 (strain rate 1/s),,16MnNbR道次間軟化率與道次間隔時間的關(guān)系,16MnNbR道次間軟化率與變形量的關(guān)系,,應(yīng)變速率

17、增加到一定臨界值后，完全可以使奧氏體不發(fā)生再結(jié)晶，其變形條件是軋制速度的提高、應(yīng)變速率的加大和道次間隔時間的縮短。,普碳鋼Ｑ235形變奧氏體再結(jié)晶未再結(jié)晶圖（850℃變形后保溫1s水淬） Ⅰ-再結(jié)晶區(qū); Ⅱ-部分再結(jié)晶區(qū); Ⅲ-未再結(jié)晶區(qū),靜態(tài)軟化的各個區(qū)域與變形量之間的關(guān)系,從熱力學的角度，動態(tài)回復的組織是不穩(wěn)定的，在變形后的高溫保持過程中會因為靜態(tài)回復而發(fā)生變化。靜態(tài)回復（軟化）受熱加工變形量的影響，可分為三

18、個過程：靜態(tài)回復靜態(tài)再結(jié)晶亞動態(tài)再結(jié)晶,變形量與三種靜態(tài)軟化類型的關(guān)系,,,,,a,b,c,d,靜態(tài)再結(jié)晶,熱加工過程靜態(tài)再結(jié)晶過程模式圖,在加熱狀態(tài)下，奧氏體晶粒粗大（a）；變形時，隨著變形量增大，晶粒伸長（b），在各個伸長的晶粒內(nèi)部因蓄積了由位錯而引起的應(yīng)變能；以此為形核驅(qū)動力，發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶（C）；隨晶核的長大，最后全部成為再結(jié)晶組織（d）；再結(jié)晶結(jié)束后，晶粒借助熱能長大,靜態(tài)再結(jié)晶組織演變，N3鋼，950℃變形(

19、a) 10s (XSRX=0.208)，(b) 20s (XSRX=0.312)，(c) 100s (XSRX=0.325)，(d) 400s (XSRX=0.515),左圖所示為N3鋼于950℃變形后分別保溫至10s、20s、100s及400s的奧氏體的顯微組織。上圖 (a)、(b)、(c)和(d)中實測的靜態(tài)再結(jié)晶分數(shù)(XSRX)分別為0.208、0.312、0.325和0.515。由圖上還可以看出，靜態(tài)再結(jié)晶初期，形核主要發(fā)生于晶

20、界上，隨著再結(jié)晶過程的進行，晶內(nèi)變形帶處也開始形核，這是由于這些位置形變儲存能相對較高的緣故。此外，在靜態(tài)再結(jié)晶初期和前期，再結(jié)晶晶粒的分布明顯呈現(xiàn)出不均勻和局部化的特征，說明再結(jié)晶的形核并不滿足位置飽和 。,2.3 動態(tài)再結(jié)晶的控制2.3.1 動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的條件1）動態(tài)再結(jié)晶能否發(fā)生，要由Z和?；2） Z愈?。碩愈高）則愈易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶臨界變形量就愈??；3） Z一定時，D0（初始晶粒尺寸）愈小，愈能在較低的?下

21、產(chǎn)生動態(tài)再結(jié)晶。2.3.2 動態(tài)再結(jié)晶的組織特點1）動態(tài)再結(jié)晶是一個混晶組織，其平均晶粒尺寸只由加工條件來決定：,A、m：常數(shù) 晶粒平均直徑,2.4 靜態(tài)再結(jié)晶的控制2.4.1 靜態(tài)再結(jié)晶的形核機構(gòu)（1）形核部位：最先是在三個晶界的交點處優(yōu)先產(chǎn)生，其次在晶界處發(fā)生，通常不發(fā)生在晶內(nèi)。（2）晶核的形成也是不均勻的，容易在初期產(chǎn)生大直徑的晶粒；（3）再結(jié)晶的驅(qū)動力是儲存能，影響儲存能的因素可分為兩大類：工藝

22、條件（變形量、溫度和速度）和材料的內(nèi)在因素（化學成分、冶金狀態(tài)）儲存能隨變形量的增加而增加，但其增加速率逐漸減慢；增加變形溫度和降低變形速率使儲存能減少；儲存能隨金屬熔點的降低而減小（只有銀例外）；使金屬強化的第二相和固溶體溶質(zhì)含量的增加都使儲存能增加；細晶粒比粗晶粒的儲存能高。,2.4.2 靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量2.4.2.1 變形溫度、原始奧氏體晶粒度、微合金元素對臨界變形 量的影響1）變形溫度降低，臨界變形量增大；

23、2）原始晶粒直徑大，臨界變形量也大；3）Nb鋼比Si-Mn鋼的臨界變形量大。2.4.2.2 變形后的停留時間對臨界變形量的影響 變形后停留時間越長，臨界變形量越小。2.4.3 靜態(tài)再結(jié)晶速度 取決于奧氏體內(nèi)部存在的儲存能的大小、熱加工后停留溫度的高低、奧氏體成分和第二相質(zhì)點大小等。,增加變形量、提高變形速度、提高變形后的停留溫度都將提高回復和再結(jié)晶的速度,2.4.4 靜態(tài)再結(jié)晶的數(shù)量 奧氏體

24、再結(jié)晶的百分數(shù)正比于變形量與變形溫度。,2.4.5 靜態(tài)再結(jié)晶晶粒的大小2.4.5.1 各種因素對靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響2.4.5.2 各種因素對奧氏體平均晶粒尺寸的影響（1）變形量的影響：隨變形量的增大而減?。唬?）變形溫度的影響：在奧氏體完全再結(jié)晶區(qū)內(nèi)軋制時，隨變形溫度的降低而減??；而在奧氏體部分再結(jié)晶區(qū)內(nèi)軋制時，隨著變形溫度的降低可能增大；（3）變形后停留時間的影響：隨停留時間增加而增大；（4）原始晶粒大小的影響

25、：原始晶粒愈細，再結(jié)晶晶粒也愈細；（5）微合金元素的影響：細化晶粒。,B晶界遷移率Es分子儲存能,,以變形量為橫坐標、變形溫度為縱坐標,,2.4.5.3 再結(jié)晶區(qū)域圖,形變奧氏體(靜態(tài))再結(jié)晶、未再結(jié)晶區(qū)域示意圖Ⅰ-未再結(jié)晶區(qū); Ⅱ-部分再結(jié)晶區(qū); Ⅲ-完全再結(jié)晶區(qū),臨界再結(jié)晶溫度、臨界未再結(jié)晶溫度隨應(yīng)變速率的增加而提高，同時隨變形溫度的降低，再結(jié)晶的臨界變形量也加大，這與動態(tài)再結(jié)晶規(guī)律一致．,碳素鋼Q235靜態(tài)再結(jié)晶和未再結(jié)晶曲線

26、 (應(yīng)變速率0.1s-1和0.5s-1),變形溫度和變形量對含鈮鋼再 結(jié)晶行為和再結(jié)晶晶粒直徑的影響,熱變形后的再結(jié)晶行為因變形量和軋制溫度的變化可分為再結(jié)晶區(qū)、部分再結(jié)晶區(qū)和回復區(qū)等三個區(qū)域。采用再結(jié)晶區(qū)軋制時，整個體積發(fā)生再結(jié)晶，形成均勻的細晶粒組織在部分再結(jié)晶區(qū)軋制時，形成部分再結(jié)晶和未再結(jié)晶的混合組織在回復區(qū)域軋制時，多數(shù)晶粒產(chǎn)生回復，部分晶粒生成粗大晶粒,,以變形量為橫