材料科學(xué)基礎(chǔ)之熱變形課件

回復(fù)回復(fù)的應(yīng)用剩余應(yīng)變硬化分數(shù)1回復(fù)機制不同溫度具有不同的回復(fù)機制主要用作去應(yīng)力退火回復(fù)動力學(xué)是一個馳豫過程

是一個熱激活過程再結(jié)晶2再結(jié)晶動力學(xué)曲線熱激活過程再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度晶粒尺寸再結(jié)晶變形量3溫度再結(jié)晶溫度再結(jié)晶尺寸臨界變形量a正常再結(jié)晶b

正常晶粒長大c

異常晶粒長大Mg-3Al-0.8Zn合金退火組織＝二次再結(jié)晶晶粒長大“大吞并小”“凹面變平”產(chǎn)生條件455.4.3

蠕變5.4.4

超塑性5.4

熱變形高溫力學(xué)性能6定義過程

加工硬化和動態(tài)回復(fù)及再結(jié)晶引起的軟化同時存在，組織和性能取決于它們之間相互抵消的程度。動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶熱加工對組織性能的影響再結(jié)晶溫度以上的形變過程高應(yīng)變速率7低應(yīng)變速率硬化階段硬化階段軟化開始并逐漸增強軟化開始并逐漸作為主導(dǎo)硬化軟化達到動態(tài)平衡硬化軟化達到動態(tài)平衡等軸晶粒的晶界呈鋸齒狀，晶內(nèi)存在纏結(jié)位錯的亞結(jié)構(gòu)流變應(yīng)力 反比晶粒大小

形變速率形變溫度動態(tài)再結(jié)晶動態(tài)回復(fù)纖維狀拉長晶粒的內(nèi)部保持等軸狀亞晶粒，亞晶內(nèi)位錯密度較低，胞壁處位錯密度較高。反復(fù)形核、有限長大流變應(yīng)力 反比亞晶粒大小

形變速率形變溫度硬化和軟化同時進行，最終保持動態(tài)平衡相同流變應(yīng)力時，動態(tài)再結(jié)晶材料的晶粒尺寸要小于靜態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸；8相同晶粒大小時，動態(tài)再結(jié)晶材料的強度和硬度要高于靜態(tài)再結(jié)晶材料。通過動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，晶粒內(nèi)部形成了亞晶粒，使材料的強度、韌性提高，通過對熱加工的控制，使亞晶細化而產(chǎn)生強化——亞組織強化。如建筑用鋁鎂合金采用熱擠壓法保留動態(tài)回復(fù)組織用于提高使用強度。熱加工對組織性能的影響①改善鑄態(tài)組織；②形成流線和帶狀組織；③晶粒尺寸及亞結(jié)構(gòu)的細化。消除方法：避免在兩相區(qū)變形；減少夾雜和偏析；完全退火加正火屈服強度～亞晶尺寸d9控制好熱加工的變形速率、溫度、每道次的應(yīng)變量和間隔時間，以及冷卻速度。就可以調(diào)整熱加工材料的晶粒度和強度。很多構(gòu)件長期在高溫條件下運轉(zhuǎn)。例如，航空發(fā)動機葉片的使用溫度高達1000℃，用Cr-Mo-V鋼制造的汽輪機轉(zhuǎn)子使用溫度約為550℃等。長時間的高溫受力件必須考慮它們的高溫力學(xué)性能——蠕變特性(蠕變強度、蠕變速率)時才比較顯著，并且應(yīng)變速率非常小(通常<10E-3)

。105.4.3

蠕

變當(dāng)溫度T≥0.3Tm時，金屬材料在恒載荷(通常<σs)的持續(xù)作用下，應(yīng)變隨時間增加而增大，發(fā)生與時間相關(guān)的塑性變形。蠕變在較低溫度下也會發(fā)生，但只有當(dāng)約比溫度大于0.31、蠕變曲線發(fā)生蠕變時的應(yīng)變與時間關(guān)系曲線稱為蠕變曲線。蠕變曲線上任一點的斜

率表示該點的蠕變速率根據(jù)蠕變速率的變化情況可以將蠕變過程分為三個階段：第一階段（ab段）蠕變速率隨時間而逐漸減小，稱為減速蠕變階段；第二階段（bc段）蠕變速率保持恒定，又稱恒速蠕變或穩(wěn)態(tài)蠕變階段，減速蠕變階段瞬時應(yīng)變恒速蠕變階段加速蠕變階段最小蠕變速率第三階段（cd段）蠕變速率隨時間延長急劇增大直至斷裂，稱為加速蠕變階段11蠕變曲線各階段持續(xù)時間的長短隨材料和試驗條件（T和σ）而變化等溫曲線（σ4＞σ3＞σ2＞σ1）段變短，直至完全消失，在高溫下的服役壽命大大縮短。12等壓力曲線（T4＞T3＞T2＞T1）應(yīng)力和溫度對蠕變曲線影響示意圖同一種材料的蠕變曲線隨著溫度和應(yīng)力的增高，蠕變第二階蠕變表征參量——穩(wěn)態(tài)蠕變速率蠕變過程最重要的參數(shù)是穩(wěn)態(tài)的蠕變速率，蠕變壽命和總的伸長率都取決于它。Q：蠕變激活能

n：應(yīng)力指數(shù)（對金屬約為3~7）可通過測定恒應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度的關(guān)系求得Q實驗測得的許多金屬與陶瓷的穩(wěn)態(tài)蠕變階段激活能都與自擴散激活能非常接近，說明穩(wěn)態(tài)蠕變過程是由擴散機制控制的，可看做應(yīng)力作用下原子流的擴散。由于面心立方γ－Fe的擴散系數(shù)只有a－Fe的1/350，其蠕變速率也只有a－Fe的1/200，因此高溫合金多是以γ

－Fe或面心立方金屬為基的合金。132、蠕變機制14位錯蠕變：滑移為變形方式之一，當(dāng)滑移受阻，在高溫（＞0.3Tm）下刃型位錯可借助熱激活攀移到鄰近的滑移面上繼續(xù)滑移。減速蠕變階段主要是滑移引起的加工

硬化和高溫動態(tài)回復(fù)中刃型位錯的攀移形成軟化相博弈，兩者相等時，就進入第二階段，形成穩(wěn)態(tài)蠕變。擴散蠕變：在更高溫（＞0.9Tm）且低應(yīng)力下，或位錯能動性差的情況下，主要通過空位定向擴散來進行軟化。晶界滑動蠕變：高溫下，晶界上的原子容易擴散，受力后易產(chǎn)生滑動，也促進了蠕變的進行。擴散蠕變：15應(yīng)力梯度引起的空位擴散流是擴散蠕變的主要機制晶界受到拉力后，在垂直于拉力方向的晶界空位形成能較低，空位數(shù)目多，在平行于力軸方向的晶界空位形成能較高，空位數(shù)目少，其間的空位濃度差使原子定向擴散，從而產(chǎn)生晶體變形。5.4.4

超塑性16某些金屬材料在特定條件下拉伸時，可以使材料在較低的流動應(yīng)力下，得到延伸率高達500%~2000%的均勻塑形變形，而不發(fā)生縮頸，這種特性叫做超塑性.不產(chǎn)生縮頸和獲得高延伸率是衡量材料超塑性的兩項指標(biāo)。超塑性變形能極大地發(fā)揮變形材料的塑性潛力，大大降低變形抗力，有利于復(fù)雜零件的精確成形，對于難成形的合金材料，如鈦合金、鎂合金以及某些高合金鋼等具有重要的意義。原始試樣17拉伸試樣Bi－Sn擠壓材料在慢速拉伸下獲得大的延伸率（δ＝1950％）實現(xiàn)組織超塑性的條件：18（1）材料本身具有細小、等軸、穩(wěn)定的復(fù)相組織

晶粒直徑小于10um，一般在0.5~5.0μm，由兩相組成，第二相可阻礙晶粒長大，保證在熱加工過程中晶粒不會顯著長大

此類材料有共晶合金、共析合金和析出型合金（2）在高溫下變形

超塑性加工溫度一般在（0.5～0.65）Tm

超塑性變形行為不同于動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶（3）低的應(yīng)變速率和高的應(yīng)變速率敏感系數(shù)

超塑性的應(yīng)變速率一般在10-2~10-4mm/s，以保證晶界擴散得以順利進行。1、超塑性的表征（力學(xué)性能指標(biāo)）獲得高延伸率和不產(chǎn)生縮頸是衡量材料超塑性的兩項指標(biāo)。用應(yīng)變速率敏感系數(shù)m表示抗縮頸能力。應(yīng)變速率敏感指數(shù)m——在應(yīng)變量ε和溫

度T一定的條件下，真應(yīng)力σ隨應(yīng)變速率變化的程度。m：lgσ-lgε‘關(guān)系曲線的斜率19m越大，表示應(yīng)力對應(yīng)變速率越敏感，越有利于獲得超塑性。當(dāng)試樣要發(fā)生縮頸時，縮頸處的應(yīng)變速率比均勻變形的應(yīng)變速率大很多，如果具有高的m，導(dǎo)致該處的局部應(yīng)力快速升高形成硬化，抑制縮頸的進一步形成，將變形傳播到其他部位——增大延伸率一般金屬：0.01≤m≤0.04；超塑性合金：m≥0.5-0.9通常晶粒越細，m值越大，故獲得微晶是組織超塑性的關(guān)鍵。

共晶合金：通過熱變形發(fā)生再結(jié)晶獲得微晶組織；

共析合金或析出型合金：經(jīng)熱變形或淬火獲得析出的微晶組織。2021經(jīng)超塑性變形后的材料的組織結(jié)構(gòu)具有以下特征：22I、超塑性變形時盡管變形量很大，但晶粒沒有被拉長，仍保持等軸狀。II、超塑性變形沒有晶內(nèi)滑移和位錯密度的變化，拋光試樣表面也看不到滑移線。III、超塑性變形過程中晶粒有所長大，且形變量越大，應(yīng)變

速率越小，晶粒長大越明顯。IV、超塑性變形時產(chǎn)生晶粒換位，使各晶粒位向趨于混亂無

規(guī)排列，原來兩相呈帶狀分布的合金，經(jīng)超塑性變形后變?yōu)榫鶆蚍植肌＂?、?dāng)用冷變形和再結(jié)晶的方法制取超細晶粒合金時，如果合金具有織構(gòu)，則超塑性之后織構(gòu)消失。2、超塑性的本質(zhì)——晶界滑動、晶界擴散和晶粒轉(zhuǎn)動多數(shù)觀點認為由晶界的滑動和晶粒旋轉(zhuǎn)為主，伴有晶界原子的擴散性遷移所致。試驗證明超塑性中的晶界滑動不是簡單的晶粒相對滑動，而是在晶界附近很薄的一層區(qū)域內(nèi)發(fā)生了形變。由于形變在晶界附近產(chǎn)生很大的畸變，高溫下首先回復(fù)而發(fā)生軟化，使形變得以不斷在這些區(qū)域進行而引起所謂的晶界滑動。晶界滑動同時發(fā)生晶界擴散，以使晶粒保持聯(lián)系而不致斷開。晶界擴散與空位運動有關(guān)，在應(yīng)力作用下，空位由垂直于應(yīng)

力的受拉晶界流向平行于應(yīng)力的受壓晶界，原子則反向遷移，從而造成拉伸方向的應(yīng)變。超塑變形通過晶界的滑動與擴散，造成晶粒的換位，并由此產(chǎn)生試樣形狀的宏觀變化，這與普通塑變的變形量由每個晶粒的相應(yīng)變形量所貢獻而不同。23a.四個六邊形等軸晶粒在應(yīng)力作用下，發(fā)生晶界滑動b.在應(yīng)力作用下發(fā)生晶界滑動，同時依靠晶界擴散，保持聯(lián)結(jié)c.四個晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，形成新的組態(tài)，仍保持等軸晶粒晶界滑動和擴散遷移作用下發(fā)生微晶超塑變形機制示意圖(a)(b)(c)晶粒轉(zhuǎn)換機制的二維表示法2000年盧柯：納米金屬材料在室溫下具有超塑性超塑性變形中晶界滑動產(chǎn)生的應(yīng)變在總應(yīng)變中的貢獻為

50%~

70%。d、e.伴隨定向擴散的晶界滑動機制，虛線箭頭代表體擴散方向24超塑性變形后合金仍保持均勻細小的等軸晶組織，不存在織構(gòu)，所以不產(chǎn)生各向異性，且具有較高的抗應(yīng)變能力。超塑性成形時，由于變形溫度穩(wěn)定、變形速度緩慢，所以零件內(nèi)部不存在彈性畸變能，變形后沒有殘余應(yīng)力。高鉻高鎳不銹鋼經(jīng)超塑性變形后，形成細微的雙相混合組織，具有很高的抗疲勞強度。25超塑性對力學(xué)性能的影響超塑合金具有和高溫聚合物和高溫玻璃流動相似的特征；可以采用塑料工業(yè)和玻璃工業(yè)的成型方法加工，如像吹玻璃那樣吹制金屬制品，像塑料那樣壓制精密件；目前已在多種合金中實現(xiàn)了超塑性，但在實際生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)效率等方面的原因，只有那些難于熱變形、零件形狀很復(fù)雜、又有重要用途的零部件才考慮采用超塑成型超塑性成型高溫合金INCONEL718的超塑性成形航天器件雙相不銹鋼超塑性成形的航天器件26熱變形部分小結(jié)27熱變形：形成細小等軸晶及位錯纏結(jié)的亞結(jié)構(gòu)，夾雜、偏析和第二相表現(xiàn)為流線組織，致密度和順流線方向的力學(xué)性能都優(yōu)于鑄態(tài)或（冷變形＋熱處理）材料。注意：要避免在兩相區(qū)變形形成帶狀組織；取材時注意材料的熱軋方向。蠕變：定義、蠕變曲線、最小蠕變速率、蠕變激活能注意：穩(wěn)態(tài)蠕變階段的主要變形機制——擴散蠕變超塑性：定義、應(yīng)變速率敏感系數(shù)獲得超塑性的三個條件；超塑性變形的組織結(jié)構(gòu)特點。陶瓷材料的特點：脆，硬，難以變形

結(jié)構(gòu)特點：陶瓷晶體：以共價鍵和離子鍵為主要結(jié)合鍵陶瓷非晶：玻璃化溫度Tg5.5

陶瓷材料變形的特點鍵能高、派納力大先天性微裂紋

顯微組織特點：多晶：主晶相，晶界玻璃相，疏松氣孔；非晶：玻璃相，氣孔；同號靜電斥力作用使位錯運動有方向性

制備工藝：燒結(jié)，多孔，熱應(yīng)力，微裂紋彈性變形黏性流動28（a）共價鍵對

位錯運動的影響29（b）離子鍵對位錯運動的影響共價鍵具有方向性和飽和性，具有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯運動的能力；同時共價晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滑移系很少；并且共價晶體中的位錯寬度較窄，導(dǎo)致P-N力高。

離子鍵水平或垂直滑移時要受到同號離子的排斥，而沿45°方向運動時變形容易一些，在單晶中可表現(xiàn)出一定塑性但由于變形具有方向性，實際可開動的滑移系較少，作為多晶體往往獨立滑移系不夠5個，在室溫下幾乎都是脆性的。共價鍵陶瓷晶體無論單晶還是多晶都很脆離子鍵單晶陶瓷具有一定塑性，但多晶陶瓷仍很脆大多數(shù)工業(yè)用的陶瓷都是多晶體，室溫靜拉伸時幾乎都是脆性的。其應(yīng)力－應(yīng)變曲線一般通過彎曲實驗得到。高溫下還會發(fā)生蠕變和黏性流動30彎曲實驗的最大應(yīng)力——斷裂應(yīng)力——抗彎強度室溫Al

O

拉伸斷裂應(yīng)力2

3280MPa1）拉伸樣品制備困難；2）拉伸實驗與壓縮實驗結(jié)果差別很大（5～10倍）Al2O3壓縮斷裂應(yīng)力

2100MPa31陶瓷材料力學(xué)性能特點陶瓷晶體的失效主要是由組織缺陷引起的，表面裂紋、孔隙率、相的種類與分布、夾雜以及制備時形成的大晶粒等，由于沒有能量吸收過程，一旦應(yīng)力達到臨界值，便形成裂紋并持續(xù)擴展至失穩(wěn)斷裂。陶瓷晶體的彈性模量和強度都是組織敏感參數(shù)，

壓縮強度遠高于抗拉強度（5～10倍），抗拉強度由最大裂紋尺寸決定；壓縮強度由平均裂紋尺寸決定。而金屬的抗拉強度和壓縮強度一般相近。彈性模量亦然。

彈性模量與孔隙率有關(guān)。

理論強度和實際斷裂強度相差1-3個數(shù)量級。只有晶須、纖維的實際強度才比較接近理論值。32陶瓷材料的增韌33=

增強降低晶粒尺寸，改善組織均勻密實性，以盡量減少組織中的各種雜質(zhì)和缺陷。例如用熱壓法制造的Si3N4陶瓷，幾乎沒有氣孔，密度和強度都接近于理論值；將陶瓷制成纖維，甚至晶須，可以大大減小各種缺陷產(chǎn)生的機率，能使強度提高1～2個數(shù)量級。相變增韌

(受溫度限制，通常800℃以下）外力作用誘發(fā)相變，并伴有體積膨脹，消耗外加能量，使材料增韌。纖維或顆粒原位生長增強。表面殘余壓應(yīng)力層增強（鋼化玻璃）。高聚物力學(xué)性能的最大特點345.6

高聚物的變形特點高彈性粘彈性溫度和形變速度的影響很大溫度升高，有機玻璃