控軋控冷課件

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鋼的高溫變形行為

2高溫變形行為

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶靜態(tài)再結(jié)晶熱變形方程金屬的高溫變形抗力實(shí)驗(yàn)研究31.高溫變形行為高溫變形行為：金屬在0.5Tm以上變形時(shí)，稱為高溫變形。鋼材熱變形過(guò)程中的硬化、軟化行為：鋼在高溫下變形時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)生硬化(加工硬化)和軟化(回復(fù)和再結(jié)晶)兩種對(duì)抗過(guò)程，這兩個(gè)過(guò)程的不斷交替進(jìn)行保證變形得到順利發(fā)展。變形應(yīng)力和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在實(shí)際的塑性加工條件下，變形是由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而引起的。因此，應(yīng)變速率取決于位錯(cuò)集團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度，而變形應(yīng)力則取決于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。固溶強(qiáng)化型合金還存在著另一種阻力的作用，溶質(zhì)原子同位錯(cuò)之間相互作用，使位錯(cuò)受來(lái)自溶質(zhì)原子的阻力。在流動(dòng)速度相當(dāng)快的高溫下，即使位錯(cuò)是運(yùn)動(dòng)的，也會(huì)在其周圍形成溶質(zhì)原子濃度高的區(qū)域(科垂耳氣團(tuán))。4熱加工中的軟化過(guò)程分為:

（1）動(dòng)態(tài)回復(fù);（2）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；（3）亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；（4）靜態(tài)再結(jié)晶；（5）靜態(tài)回復(fù)。動(dòng)態(tài)：在外力作用下，處于變形過(guò)程中發(fā)生的。靜態(tài)：在熱變形停止或中斷時(shí)，借助熱變形的余熱，在無(wú)載荷的作用下發(fā)生的。5動(dòng)態(tài)再結(jié)晶真應(yīng)力真應(yīng)變IIIIII(c)12動(dòng)態(tài)回復(fù)真應(yīng)力真應(yīng)變真應(yīng)力真應(yīng)變12(a)(b)動(dòng)態(tài)回復(fù)時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征1.1高溫下穩(wěn)定變形時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線6奧氏體熱變形時(shí)的變形應(yīng)力與組織特征隨應(yīng)變量增加而變化，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為:在回復(fù)型變形中：變形初期：由于加工硬化的速度大于回復(fù)速度,應(yīng)力快速上升,位錯(cuò)密度增加,亞晶發(fā)展迅速,晶粒伸長(zhǎng)。當(dāng)變形達(dá)到一定程度：回復(fù)過(guò)程可以完全平衡應(yīng)變硬化過(guò)程,曲線表現(xiàn)為應(yīng)力不隨應(yīng)變?cè)黾佣兓姆€(wěn)態(tài)流變,位錯(cuò)密度保持不變,即位錯(cuò)的增殖率與消失率相等。晶粒仍然繼續(xù)伸長(zhǎng),回復(fù)所形成的亞晶呈等軸狀。在再結(jié)晶型的變形中：應(yīng)變量小于臨界應(yīng)變量時(shí)只發(fā)生回復(fù)．在高溫、高應(yīng)變速率的情況下，應(yīng)力隨應(yīng)變不斷增加，直至達(dá)到峰值后又隨應(yīng)變下降，最后達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。在低應(yīng)變速率下，與其對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定階段的曲線成波浪形變化，這是由于反復(fù)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶-變形-動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，即交替進(jìn)行軟化-硬化-軟化而造成的。1.1高溫下穩(wěn)定變形時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線7奧氏體高溫變形過(guò)程：第I階段幻燈片93在變形過(guò)程中發(fā)生加工硬化和軟化兩個(gè)過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程的不斷交替進(jìn)行保證變形得到順利發(fā)展。在變形初期，變形速率由零增加到所采用的變形速率ε，隨著變形的進(jìn)行，位錯(cuò)密度(ρ)將不斷增加，產(chǎn)生加工硬化，并且加工硬化速率較快，使變形應(yīng)力迅速上升。由于變形在高溫下進(jìn)行，位錯(cuò)在變形過(guò)程中通過(guò)交滑移和攀移的方式運(yùn)動(dòng)，使部分位錯(cuò)相互抵消，使材料得到回復(fù)。由于這種回復(fù)隨加工硬化發(fā)生，故稱之為動(dòng)態(tài)回復(fù)。當(dāng)位錯(cuò)排列并發(fā)展到一定程度后，形成清晰的亞晶，稱之為動(dòng)態(tài)多邊形化。動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)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(cuò)密度增大，位錯(cuò)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(shì)是加工硬化超過(guò)動(dòng)態(tài)軟化，隨著變形量的增加，應(yīng)力不斷提高，稱之為動(dòng)態(tài)回復(fù)階段。在一定條件下，當(dāng)變形進(jìn)行到一定程度時(shí)，加工硬化和動(dòng)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。8奧氏體高溫變形過(guò)程：第II階段幻燈片93在第一階段動(dòng)態(tài)軟化不能完全抵消加工硬化。隨著變形量的增加，位錯(cuò)密度繼續(xù)增加，內(nèi)部?jī)?chǔ)存能也繼續(xù)增加。當(dāng)變形量達(dá)到一定程度時(shí)，將使奧氏體發(fā)生另一種轉(zhuǎn)變—?jiǎng)討B(tài)再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生與發(fā)展，使更多的位錯(cuò)消失，奧氏體的變形抗力下降，直到奧氏體全部發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，應(yīng)力達(dá)到了穩(wěn)定值。即第二階段變形。曲線表明，奧氏體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有一臨界變形量，只有達(dá)到這一變形量時(shí)，才能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。9奧氏體高溫變形過(guò)程：第III階段奧氏體發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶之后，變形量不斷增加，而應(yīng)力值基本保持不變，呈穩(wěn)定狀態(tài)。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可以確定發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量。臨界變形量的大小表征了奧氏體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的難易程度，而且可以通過(guò)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶的一種好方法。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分為兩種：幻燈片93連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：奧氏體幾輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶同時(shí)發(fā)生。間斷動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：（εc>εr）由于εr較小，奧氏體一旦發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，不需要太大的變形量。第一輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶完成后，已發(fā)生再結(jié)晶的晶粒還需繼續(xù)變形，才能發(fā)生第二輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。10動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

鋼在高溫的奧氏體區(qū)域內(nèi)變形時(shí)不僅要產(chǎn)生硬化，同時(shí)也要產(chǎn)生軟化以消除變形過(guò)程中的加工硬化和加工硬化組織。此軟化過(guò)程統(tǒng)稱為回復(fù)過(guò)程。回復(fù)過(guò)程包括有回復(fù)和再結(jié)晶。鋼在熱加工中所以存在有回復(fù)過(guò)程，其原因是，高溫的奧氏體區(qū)域是空位的生成和擴(kuò)散頻繁的溫度區(qū)域，易于發(fā)生位錯(cuò)攀移運(yùn)動(dòng)、滑移運(yùn)動(dòng)、形成亞晶粒、亞晶界的運(yùn)動(dòng)以及晶界運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)象?；貜?fù)過(guò)程可分為動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程和靜態(tài)回復(fù)過(guò)程。后者將在稍后的內(nèi)容中講述?；貜?fù)過(guò)程按晶型或合金成分區(qū)分，如下表所示。11動(dòng)態(tài)回復(fù)

如上表所示，對(duì)A組金屬動(dòng)態(tài)回復(fù)是在金屬全應(yīng)變區(qū)域內(nèi)完成，對(duì)B組金屬是在低應(yīng)變區(qū)域完成。A組金屬在熱加工變形初期，變形應(yīng)力上升，位錯(cuò)密度增加，并開始形成亞晶。對(duì)

-Fe來(lái)講，當(dāng)以0.05-1.5s‘的變形速度變形時(shí)，亞晶粒是在0.2-0.3變形量時(shí)最終完成其固定狀態(tài)。在該變形區(qū)域，因加工硬化率急劇減小，變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。所以，變形應(yīng)力不變，亞晶的大小和形狀也都固定不變，如圖2—7所示。此時(shí)，加工硬化率和動(dòng)態(tài)回復(fù)率相互平衡，亞晶粒不斷遭到破壞又不斷地再生成，依靠Z維持動(dòng)態(tài)平衡。這里Z是進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)淖冃嗡俣葏?shù)，可用下式表示：12

對(duì)B組金屬動(dòng)態(tài)回復(fù)是在低應(yīng)變區(qū)域產(chǎn)生。當(dāng)變形量繼續(xù)升高時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值后開始減小，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在這個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在加工硬化區(qū)，由位錯(cuò)纏結(jié)構(gòu)成的亞晶界發(fā)達(dá)。在同一均勻溫度和變形速度下變形時(shí)，B組所形成的亞晶粒尺寸比A組小。亞晶是動(dòng)態(tài)回復(fù)的重要標(biāo)志。亞晶出現(xiàn)說(shuō)明已發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)。13動(dòng)態(tài)再結(jié)晶如前所述，B組金屬在熱加工變形初期應(yīng)力上升，并達(dá)到最大值。超過(guò)此最大值后，應(yīng)力開始下降，最后達(dá)到穩(wěn)定值或處于在平衡值上下呈周期性振動(dòng)的應(yīng)力狀態(tài)。這時(shí)在最大應(yīng)力附近開始了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，一達(dá)到穩(wěn)定應(yīng)力時(shí)金屬的全部區(qū)域就處于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶狀態(tài)。前已述及，只有變形程度超過(guò)臨界變形程度

c時(shí)，奧氏體才能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。臨界變形程度

c

的大小與鋼的奧氏體成分和變形條件(變形溫度T、變形速度)有關(guān)。臨界變形程度

c近似的等于對(duì)應(yīng)應(yīng)力峰值的變形程度

p，或者說(shuō)

c=0.83

p，也有人認(rèn)為，

c=0.7

p。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形程度

c受到變形溫度和變形速度的影響。變形溫度升高時(shí)，臨界變形程度

c變低，變形速度變小時(shí)，臨界變形程度

c也變低?？梢?，于高溫低速的條件下變形時(shí)容易出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。此外，鋼的化學(xué)成分、原始晶粒度對(duì)臨界變形程度

c的大小也都有影響。如奧氏體型Fe-Ni-Cr合金的臨界變形程度

c比鐵素體鋼大得多。原始奧氏體晶粒粗大時(shí)，臨界變形程度也大。14動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為15變形奧氏體不同條件下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為(a)1s-1,(b)0.5s-1,(c)0.25s-1,(d)0.1s-11:900℃,2:950℃,3:1000℃,4:1050℃,5:1100℃,6:1150℃舉例16反映了奧氏體變形條件(變形溫度，變形速率)與峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的相互關(guān)系?？梢钥闯觯鹤冃螠囟壬?、變形速率降低時(shí)，峰值應(yīng)力及與其對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變降低。17形核機(jī)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(gè)位置，觀察到了晶界突出現(xiàn)象，如圖中箭頭所示，表明實(shí)驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是通過(guò)晶界突出形核機(jī)制進(jìn)行的。關(guān)于再結(jié)晶形核機(jī)制問(wèn)題，有二種理論，即亞晶長(zhǎng)大形核機(jī)制及晶界突出形核機(jī)制。181920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(guò)程中隨應(yīng)變量增大微觀組織發(fā)生變化的過(guò)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21動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織演化（HQ685鋼，1050℃，1s-1）真應(yīng)力真應(yīng)變III22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23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

a-變形溫度1050℃;b-變形溫度900℃24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(wú)峰平臺(tái)動(dòng)態(tài)回復(fù)→多峰的不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶→單峰連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶→部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶→無(wú)峰和具有上升趨勢(shì)的動(dòng)態(tài)回復(fù)→形變誘導(dǎo)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25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(dòng)態(tài)回復(fù)不發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.普碳鋼Q235壓縮變形發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、未再結(jié)晶時(shí)溫度與應(yīng)變速率關(guān)系圖:●發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;○未再結(jié)晶26不同變形溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線加熱條件:1100℃+2.5min,10℃/s冷卻到變形溫度,60%變形,變形速率0.1s-1,變形后立即水淬27加熱溫度低，變形時(shí)原始奧氏體晶粒尺寸小，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需變形量相對(duì)小，孕育期短，相對(duì)容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。不同加熱條件及相同變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變形溫度為900℃，應(yīng)變速率0.11s-128再結(jié)晶過(guò)程的熱變形方程-計(jì)算再結(jié)晶激活能式中，

A為常數(shù)，n為應(yīng)力指數(shù)，Q為再結(jié)晶激活能，R為氣體常數(shù)，其值為8.31J/mol·K，T為絕對(duì)溫度，而為應(yīng)力因子。對(duì)熱變形方程(1)的兩邊取對(duì)數(shù)，得如下關(guān)系式：（1）（2）（3）在(2)中，當(dāng)速率不變時(shí)，兩邊對(duì)溫度的倒數(shù)求導(dǎo)，得29對(duì)于碳鋼及一般低合金鋼，應(yīng)力因子通常取0.012MPa-1在(2)中，當(dāng)溫度不變時(shí)，兩邊對(duì)峰值應(yīng)力求導(dǎo)，得（4）30根據(jù)上述分析，分別用對(duì)及對(duì)1/T作圖，如下圖所示。在下圖(a)中，首求出各條曲線的斜率，再求出它們的倒數(shù)，平均值就是應(yīng)力指數(shù)n。對(duì)于下圖(b)，則確定各條曲線斜率后，直接求出其平均值就是參數(shù)b。這樣，再根據(jù)公式(3)則可計(jì)算出再結(jié)晶激活能Q參數(shù)。應(yīng)力與變形溫度、變形速率的關(guān)系（a）應(yīng)力與變形速率的關(guān)系；（b）應(yīng)力與變形溫度的關(guān)系31（5）（6）（1）Z參數(shù)：32鋼種成分（%）應(yīng)力因子MPa-1再結(jié)晶激活能Q/(kJ/mol)應(yīng)力指數(shù)n系數(shù)ACMnSiCrB實(shí)驗(yàn)鋼0.230.740.220.900.012378.65.82.18·101450B440.470.860.200.470.00120.01432532.65Q2350.180.600.220.012363.15.6685.668·1013表再結(jié)晶激活能Q等參數(shù)的回歸結(jié)果332.3

奧氏體熱變形后的靜態(tài)軟化過(guò)程奧氏體熱變形后的靜態(tài)軟化行為形變奧氏體保溫過(guò)程中的軟化曲線形變奧氏體保溫過(guò)程中的組織變化奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶行為研究實(shí)例34靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶熱加工過(guò)程中的任何階段都不能完全消除奧氏體的加工硬化，這就造成了組織結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。熱加工的間隙時(shí)間里（如軋制道次之間）或加工后在奧氏體區(qū)的緩冷過(guò)程中將繼續(xù)發(fā)生變化，以變形儲(chǔ)存能為驅(qū)動(dòng)力，力圖消除加工硬化組織，通過(guò)熱活化過(guò)程再結(jié)晶成核和長(zhǎng)大而再生成新的晶粒組織，使系統(tǒng)由高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的低能狀態(tài)，使金屬組織結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這種變化仍然是回復(fù)、再結(jié)晶過(guò)程，但是它們不是發(fā)生在熱加工過(guò)程中，所以叫做靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶。35奧氏體在熱加工間隙時(shí)間里應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化式中:σm為卸載時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；σ0和σr分別為第一道次和第二道次熱變形時(shí)的屈服應(yīng)力。在兩次變形間奧氏體軟化的數(shù)量：（σm-σr）與（σm-σy）之比，稱為軟化百分?jǐn)?shù)，以XS表示之，則

Strain,εσrσmσ0Stress36軟化百分?jǐn)?shù)當(dāng)x=1時(shí)表示奧氏體在兩次熱加工的間隙時(shí)間里消除了全部加工硬化，全部恢復(fù)到變形前的原始狀態(tài),σ0=σr就是全部靜再結(jié)晶的結(jié)果。當(dāng)x=0時(shí)表示奧氏體在兩次熱加工的間隙時(shí)間里沒有任何的軟化，因此σm=σr當(dāng)0＜x＜1時(shí)表示奧氏體在兩次熱加工的間隙時(shí)間里發(fā)生了不同程度的回復(fù)與再結(jié)晶。Strain,εσrσmσ0Stress37變形量對(duì)奧氏體在熱加工間隙時(shí)間里軟化行為的影響軟化程度受多種因素的影響。首先討論在形變溫度T、形變速度、形變后停留時(shí)的溫度不變的條件下，只改變變形量ε時(shí)，在兩次形變間隔時(shí)間里奧氏體組織結(jié)構(gòu)的變化。即討論在熱加工過(guò)程中形成的不同的奧氏體組織結(jié)構(gòu)在加工后的間隔時(shí)間里將發(fā)生怎樣的變化。

38變形量對(duì)奧氏體在熱加工間隙時(shí)間里軟化行為的影響

εc是奧氏體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量，要想使奧氏體全部發(fā)生再結(jié)晶就需要繼續(xù)變形。εp是真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上應(yīng)力峰值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量εs是產(chǎn)生靜態(tài)再結(jié)晶的最小變形量（靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量）εs1是再結(jié)晶由產(chǎn)生核心到全部完成一輪再結(jié)晶所需要的變形量。39變形量對(duì)奧氏體在熱加工間隙時(shí)間里軟化行為的影響

（1）當(dāng)ε1遠(yuǎn)小于εc時(shí)（a點(diǎn)，a曲線）曲線a表示了兩次變形間隔時(shí)間里軟化的情況與軟化的速度。曲線表明變形一停止軟化就立即發(fā)生，隨時(shí)間的延長(zhǎng)軟化百分?jǐn)?shù)增大，當(dāng)達(dá)到一定程度后軟化停止，這個(gè)過(guò)程大約在100s內(nèi)完成。僅僅軟化了30％，還有70％的加工硬化不能消除。這種變化有如冷加工的退火階段，稱為靜態(tài)回復(fù)。靜態(tài)回復(fù)可以部分減少位錯(cuò)．未消除的加工硬化對(duì)下次變形有迭加作用。如果這是最后一次變形，那么在急冷下來(lái)的相變組織中仍能繼承高溫形變的加工硬化結(jié)構(gòu)。40變形量對(duì)奧氏體在熱加工間隙時(shí)間里軟化行為的影響

（2）當(dāng)εs＜ε1＜εc時(shí)（b點(diǎn)，b曲線）第一階段是由于靜態(tài)回復(fù)產(chǎn)生的，約在100秒鐘結(jié)束，軟化率上升到45%。如果繼續(xù)保持高溫，在長(zhǎng)時(shí)間的孕育期之后發(fā)生第二階段的軟化，即發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。靜態(tài)再結(jié)晶可以使軟化百分?jǐn)?shù)達(dá)到x=1，即原來(lái)熱加工形成的加工硬化結(jié)構(gòu)全部消除，形成了新的位錯(cuò)密度相當(dāng)?shù)偷木Я?。如果再次變形，真?yīng)力-真應(yīng)變曲線恢復(fù)到原始狀態(tài)。這里把產(chǎn)生靜態(tài)再結(jié)晶的最小變形量εs稱為靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量(關(guān)于臨界變形量的問(wèn)題在下面還要討論)。41變形量對(duì)奧氏體在熱加工間隙時(shí)間里軟化行為的影響

（3）當(dāng)εc＜ε1＜εs1時(shí)（c點(diǎn)，c曲線）當(dāng)變形程度剛超過(guò)

p(曲線上c點(diǎn))時(shí)，變形停止后的軟化過(guò)程如曲線c所示。曲線c表示變形在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶開始后的某一個(gè)階段停止的軟化情況。曲線被分為三個(gè)階段，即第一階段為靜態(tài)回復(fù)，第二階段為亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，第三階段為靜態(tài)再結(jié)晶。在曲線上有兩個(gè)平臺(tái)，其中第一個(gè)平臺(tái)的前一段曲線屬于靜態(tài)回復(fù)，后一段曲線為亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不需要孕育期，它是原來(lái)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶核的繼續(xù)長(zhǎng)大。42變形量對(duì)奧氏體在熱加工間隙時(shí)間里軟化行為的影響

（4）當(dāng)εs1＜ε1時(shí)（d點(diǎn)，d曲線）d點(diǎn)表示變形應(yīng)力超過(guò)最大應(yīng)力達(dá)到正常應(yīng)力部分（變形應(yīng)力穩(wěn)定階段），動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒維持一定的大小和形狀，此時(shí)加工硬化率和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化率達(dá)到平衡，在這種變形量下停止變形，保持變形的高溫，材料的軟化過(guò)程如d曲線。在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的基礎(chǔ)上軟化開始，由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的組織中有不均勻位錯(cuò)密度，變形一停止馬上就進(jìn)入靜態(tài)回復(fù)階段，接著就是亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶階段。曲線d上不出現(xiàn)平臺(tái)，僅出現(xiàn)拐點(diǎn)，這也表明亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不需要潛伏期。由于這個(gè)階段的熱加工變形量很大，發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的核心很多，形變停止后這些核心很快繼續(xù)長(zhǎng)大，生成無(wú)位錯(cuò)的新晶粒，消除全部加工硬化，所以不發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶的軟化過(guò)程。432.4

靜態(tài)軟化的各個(gè)區(qū)域與變形量之間的關(guān)系靜態(tài)軟化受熱加工變形量的影響，可分為三個(gè)過(guò)程：靜態(tài)回復(fù)靜態(tài)再結(jié)晶亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶陰影區(qū)ABCD是“禁止帶”，表示在小于εs的變形量下變形，在變形的間隔時(shí)間里只發(fā)生靜態(tài)回復(fù)，局部地區(qū)由于形變引起晶界遷移而產(chǎn)生粗大晶粒，這是不希望發(fā)生的。ABCD44abcdmBACD452.5熱加工后的晶粒組織變化IIIIIIIV(b)(a)熱加工動(dòng)態(tài)再結(jié)晶靜態(tài)回復(fù)未再結(jié)晶靜態(tài)再結(jié)晶亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大如果不發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒伸長(zhǎng)（加工硬化），產(chǎn)生回復(fù)（II-a），則經(jīng)過(guò)一定孕育期后，發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶（III-a），再結(jié)晶結(jié)束后，晶粒長(zhǎng)大。其特點(diǎn)是在晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中，晶粒都是均等長(zhǎng)大，所以得到均勻的組織（IV-a），沒有形成混晶組織。在變形穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行熱加工變形時(shí)，變形中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成等軸晶粒（II-b）。等軸晶粒大小取決于Z，Z（低溫或高變形速率）值大時(shí)，晶粒細(xì)小，Z值小時(shí)，晶粒粗大。變形結(jié)束后，晶粒內(nèi)部以不均勻位錯(cuò)分布為動(dòng)力，發(fā)生亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，位錯(cuò)大部分消失（III-b）。其后晶粒因正常晶粒長(zhǎng)大而粗大化。上述兩種途徑，在過(guò)程III結(jié)束后的階段上，其微觀組織在本質(zhì)上都是一樣的。462.6靜態(tài)再結(jié)晶熱加工過(guò)程靜態(tài)再結(jié)晶過(guò)程模式圖在加熱狀態(tài)下，奧氏體晶粒粗大（a）；變形時(shí)，隨著變形量增大，晶粒伸長(zhǎng)（b），在各個(gè)伸長(zhǎng)的晶粒內(nèi)部因蓄積了由位錯(cuò)而引起的應(yīng)變能；以此為形核驅(qū)動(dòng)力，發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶（C）；隨晶核的長(zhǎng)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(zhǎng)大472.7靜態(tài)再結(jié)晶激活能的確定鋼種的化學(xué)成分對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶有顯著的影響，這主要是化學(xué)成分通過(guò)影響激活能Qrex來(lái)實(shí)現(xiàn)的。靜態(tài)再結(jié)晶率達(dá)到50%的時(shí)間t0.5，可按下式確定：其中：分別為應(yīng)變和應(yīng)變速率；和R和T分別為氣體常數(shù)和絕對(duì)溫度，A、p、q和s均為常數(shù)對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，計(jì)算靜態(tài)再結(jié)晶激活能：根據(jù)Sellars等人的研究結(jié)果，HSLA鋼的Qrex與變形條件基本無(wú)關(guān)，因此對(duì)于某一鋼種，lnt0.5與1/T呈直線關(guān)系，直線斜率即為（Qrex/R）。圖HQ685A和HQ685B鋼的變形溫度倒數(shù)與50％再結(jié)晶時(shí)間（）之間的關(guān)系492.8靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)

對(duì)于靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的研究，一般按照Avrami方程：

式中，Xs為再結(jié)晶百分率，t0.5是再結(jié)晶率達(dá)到50%時(shí)的時(shí)間。對(duì)上式取兩次對(duì)數(shù)，可得：即與之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，n為直線的斜率。50與

n值與溫度關(guān)系n值計(jì)算與預(yù)測(cè)比較512.9靜態(tài)再結(jié)晶行為研究實(shí)例試驗(yàn)方法1250℃×3minε1ε210/sStrain:0.2,0.3Deformationtemperature1050～950℃

雙道次壓縮變形示意圖52軟化率曲線確定方法靜態(tài)軟化率（Xs）的測(cè)定，可以用變形后保溫不同時(shí)間后進(jìn)行淬火，然后采用將試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)的方法測(cè)出其靜態(tài)軟化率，但是由于這種方法的工作量太大，所以通常不采用。測(cè)定軟化率的方法主要有補(bǔ)償法、后插法和平均應(yīng)力法，常有前兩種方法。后插法:可以在計(jì)算軟化率的過(guò)程中，剔除變形后靜態(tài)回復(fù)產(chǎn)生的軟化，和實(shí)際的靜態(tài)軟化率Xs比較接近。具體做法是：將第一道次真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線向第二道次真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線方向平移，如圖3.2的虛線部分所示，移至與第二道曲線部分重合。這里將平移線（圖中所示為虛線）與第一道次壓縮實(shí)驗(yàn)卸載交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力定義為σr，如下圖所示。第二階段變形中的流變應(yīng)力主要隨變形間隔時(shí)間和第一階段的應(yīng)變而變化。影響回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的冶金因素同樣也會(huì)影響軟化。靜態(tài)再結(jié)晶軟化率可以按照下式計(jì)算：53后插法：圖3.2后插法測(cè)定靜態(tài)再結(jié)晶率方法示意圖Strain,εσrσmσ0Stress式中，σm為卸載時(shí)所對(duì)應(yīng)應(yīng)力，σ0和σr分別為第一道次和第二道次熱變形時(shí)的屈服應(yīng)力。54補(bǔ)償法：補(bǔ)償法（Off-set）簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在數(shù)據(jù)采集方面更加簡(jiǎn)單明了。具體方法：在真應(yīng)變量坐標(biāo)軸上取一點(diǎn)使其真應(yīng)變值為0.002（即0.2%），過(guò)這一點(diǎn)作一條直線，該直線與第一道次變形曲線的開始部分（即彈性變形階段）平行，直線與第一道次的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的交點(diǎn)即為第一道次的屈服點(diǎn)σ0，同理，將第二道次的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線延長(zhǎng)，直至與真應(yīng)變量坐標(biāo)軸相交，得到一個(gè)交點(diǎn)。在偏移該交點(diǎn)0.002單位的真應(yīng)變值的地方作一條直線，使其平行于第二道次的開始部分。直線與第二道次真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的的交點(diǎn)即為第二道次的屈服點(diǎn)σr，第一道次的卸載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的真應(yīng)力為σm。下圖表示了應(yīng)用補(bǔ)償法采集σ0、σr時(shí)的具體操作方法。圖中虛線為延長(zhǎng)線和輔助平行線。55補(bǔ)償法：

靜態(tài)再結(jié)晶軟化率按下式計(jì)算：式中σm為卸載時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；σ0和σr分別為第一道次和第二道次熱變形時(shí)的屈服應(yīng)力。通常認(rèn)為Xs=0.15~0.2時(shí)開始發(fā)生再結(jié)晶，Xs=0.9時(shí)完成再結(jié)晶。補(bǔ)償法測(cè)定靜態(tài)再結(jié)晶軟化率方法示意圖Strain,εσrσmσ0Stress56

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,strainrate:1/s)圖2：變形溫度為950℃時(shí)經(jīng)不同預(yù)應(yīng)變后的軟化率曲線

(strainrate1/s)57軟化率曲線分析溫度是影響再結(jié)晶發(fā)生的最主要的因素，隨變形溫度的降低，再結(jié)晶難以進(jìn)行，當(dāng)溫度降低到一定程度，再結(jié)晶將被終止。當(dāng)保溫溫度降低到一定程度，軟化率曲線出現(xiàn)平臺(tái)，對(duì)于微合金鋼，軟化率曲線中平臺(tái)的開始與結(jié)束時(shí)間分別對(duì)應(yīng)著應(yīng)變誘導(dǎo)析出的開始與結(jié)束時(shí)間。此時(shí)，奧氏體的軟化過(guò)程可以分為三個(gè)階段：1.鋼的軟化率曲線同普通C-Mn鋼相同，再結(jié)晶規(guī)律遵循Avrami方程；2.由于應(yīng)變誘導(dǎo)析出的發(fā)生，再結(jié)晶被抑制，甚至終止，軟化率曲線出現(xiàn)平臺(tái)；3.當(dāng)析出結(jié)束時(shí)，再結(jié)晶遵循Avrami方程繼續(xù)進(jìn)行。因此，微合金元素對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶的釘扎抑制作用更加顯著。58(c)(d)(a)(b)圖靜態(tài)再結(jié)晶組織演變，Nb鋼，950℃變形(a)10s(XSRX=0.208)，(b)20s(XSRX=0.312)，(c)100s(XSRX=0.325)，(d)400s(XSRX=0.515)59上頁(yè)圖所示為Nb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)~(d)中實(shí)測(cè)的靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)(XSRX)分別為0.208、0.312、0.325和0.515。由圖還可以看出，靜態(tài)再結(jié)晶初期，形核主要發(fā)生于晶界上，隨著再結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，晶內(nèi)變形帶處也開始形核，這是由于這些位置形變儲(chǔ)存能相對(duì)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(shuō)明再結(jié)晶的形核并不滿足位置飽和。60

靜態(tài)再結(jié)晶的控制一、靜態(tài)再結(jié)晶的形核機(jī)構(gòu)二、靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量三、靜態(tài)再結(jié)晶速度四、靜態(tài)再結(jié)晶的數(shù)量五、靜態(tài)再結(jié)晶晶粒的大小六、保溫中奧氏體晶粒的長(zhǎng)大

61靜態(tài)再結(jié)晶的形核機(jī)構(gòu)

熱加工的靜態(tài)再結(jié)晶是在變形后發(fā)生的，是利用熱加工的余熱進(jìn)行的，它與冷加工后再結(jié)晶的區(qū)別在于不需要重新加熱。再結(jié)晶晶核由亞晶成長(zhǎng)機(jī)構(gòu)和已有晶界的局部變形誘發(fā)遷移凸出形核產(chǎn)生。有報(bào)告認(rèn)為在Si-Mn鋼和HSLA（高強(qiáng)度低合金鋼）鋼中前一種機(jī)構(gòu)起主要作用，后一種機(jī)構(gòu)起次要作用。62靜態(tài)再結(jié)晶的形核機(jī)構(gòu)晶界凸出形核機(jī)制：一般發(fā)生在形變較小的金屬中變形不均勻，位錯(cuò)密度不同。63靜態(tài)再結(jié)晶的形核機(jī)構(gòu)晶界凸出形核機(jī)制：一般發(fā)生在形變較小的金屬中亞晶界凸出形核，凸向亞晶粒小的方向64靜態(tài)再結(jié)晶的形核機(jī)構(gòu)亞晶界形核機(jī)制：一般發(fā)生在變形較大的金屬中適于高層錯(cuò)能金屬，相鄰亞晶粒上的某些位錯(cuò)，通過(guò)攀移和滑移，轉(zhuǎn)移到周圍的晶界或亞晶界上，導(dǎo)致原來(lái)亞晶界的消失，然后通過(guò)原子擴(kuò)散和位置的調(diào)整，終于使兩個(gè)或更多個(gè)亞晶粒的取向變?yōu)橐恢?，合并成一個(gè)大晶粒.65靜態(tài)再結(jié)晶的形核機(jī)構(gòu)亞晶界形核機(jī)制：一般發(fā)生在變形較大的金屬中適于低層錯(cuò)能金屬，通過(guò)亞晶合并和亞晶長(zhǎng)大(通過(guò)亞晶界的移動(dòng))，使亞晶界與基體間的取向差增大，直至形成大角度晶界，便成為再結(jié)晶的核心66靜態(tài)再結(jié)晶的形核機(jī)構(gòu)

靜態(tài)再結(jié)晶的形核部位優(yōu)先在三個(gè)晶界的交點(diǎn)處產(chǎn)生，其次在晶界處發(fā)生，通常不發(fā)生在晶內(nèi)。只有在低溫大變形量下，在晶內(nèi)形成非常強(qiáng)的變形帶后，才能在晶內(nèi)的變形帶上形核。同時(shí)由于變形的不均勻性（它既可以是由于動(dòng)回復(fù)和靜回復(fù)不能完全消除加工硬化引起的，也可以是由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不完全所引起的），靜態(tài)再結(jié)晶晶核的形成也是不均勻的，因此容易產(chǎn)生初期的大直徑晶粒。67靜態(tài)再結(jié)晶的形核機(jī)構(gòu)

再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力是儲(chǔ)存能。它是以結(jié)構(gòu)缺陷所伴生的能量方式存在。影響儲(chǔ)存能的因素可以分為兩大類：一類是工藝條件，其中主要是變形量、變形溫度、變形速度；另一類是材料的內(nèi)在因素，主要是材料的化學(xué)成分和冶金狀態(tài)等。68靜態(tài)再結(jié)晶的形核機(jī)構(gòu)-儲(chǔ)存能

儲(chǔ)存能隨變形量的增加而增加，但其增加速率逐漸減慢，有趨于飽和的趨勢(shì)。增加變形溫度和降低變形速度對(duì)儲(chǔ)存能的影響方向是一致的，都是由于加工硬化程度降低而使儲(chǔ)存能減少。在相同條件下變形的金屬，儲(chǔ)存能將隨金屬熔點(diǎn)的降低而減小(只有銀例外)。使金屬?gòu)?qiáng)化的第二相和固溶體中溶質(zhì)含量的增加都使儲(chǔ)存能增加。在其它條件相同的情況下，細(xì)晶粒比粗晶粒的儲(chǔ)存能高。69靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量

熱變形后的靜態(tài)再結(jié)晶不是無(wú)條件發(fā)生的。在一定的變形溫度和變形速度下，為了使靜態(tài)再結(jié)晶發(fā)生，給以某一個(gè)臨界值以上的變形量是必要的，這個(gè)臨界值就稱為靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量εs。變形溫度、原始奧氏體晶粒度、微合金元素對(duì)臨界變形量的影響變形后的停留時(shí)間對(duì)臨界變形量的影響701.變形溫度、原始奧氏體晶粒度、微合金元素對(duì)臨界變形量的影響

左圖為原始晶粒度和變形溫度對(duì)Si-Mn鋼和Nb鋼臨界變形量的影響關(guān)系。

Si-Mn鋼的臨界變形量小，原始晶粒度和變形溫度的影響也小。而Nb鋼中軋制溫度的影響大，隨著軋制溫度降低，臨界變形量急劇增大，以至在950℃以下靜態(tài)再結(jié)晶實(shí)際上不可能發(fā)生。

711.變形溫度、原始奧氏體晶粒度、微合金元素對(duì)臨界變形量的影響

另外，原始晶粒直徑大，臨界變形量也大。

Nb鋼與Si-Mn鋼相比，Nb鋼的再結(jié)晶臨界變形量明顯增大。

722.變形后停留時(shí)間對(duì)臨界變形量的影響

變形后停留時(shí)間長(zhǎng)，再結(jié)晶所需要的臨界變形量就小。73靜態(tài)再結(jié)晶速度

熱加工后奧氏體回復(fù)、再結(jié)晶的速度主要取決于奧氏體內(nèi)部存在的儲(chǔ)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(diǎn)大小等。金屬在變形后的停留時(shí)間里，首先發(fā)生回復(fù)過(guò)程，儲(chǔ)存能逐步被釋放出來(lái)，約占總儲(chǔ)存能的0.3-0.7（前者為純金屬的數(shù)據(jù)，后者為某些合金的數(shù)據(jù)），直到發(fā)生再結(jié)晶，儲(chǔ)存能全部被釋放。74靜態(tài)再結(jié)晶速度

再結(jié)晶速度用再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線表示。其特征是經(jīng)過(guò)一段潛伏期后形成一條S形曲線，可見再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)是隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加的，一般再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)與時(shí)間關(guān)系為

x=1-exp(Ktn)(2—4)式中K為常數(shù)，n為與形變?cè)俳Y(jié)晶溫度有關(guān)的一個(gè)常數(shù)，t為恒溫保持時(shí)間，x為再結(jié)晶體積百分?jǐn)?shù)。75靜態(tài)再結(jié)晶速度

當(dāng)奧氏體成分一定時(shí)，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(fù)和再結(jié)晶的速度，而奧氏體中的微量元素將強(qiáng)烈地阻止再結(jié)晶的發(fā)生。76靜態(tài)再結(jié)晶速度

從圖2-14可見，當(dāng)變形量為30％時(shí)，碳鋼在>900℃下靜態(tài)再結(jié)晶在很短時(shí)間內(nèi)就全部完成了，只有在變形溫度<850℃時(shí)靜態(tài)再結(jié)晶速度才開始變慢。而Nb鋼在950℃以下發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶就相當(dāng)困難了。該圖還表明，當(dāng)再結(jié)晶完成50％左右時(shí)，再結(jié)晶速度最快。77靜態(tài)再結(jié)晶的數(shù)量

靜態(tài)再結(jié)晶從開始到全部結(jié)束是一個(gè)過(guò)程。在此過(guò)程中再結(jié)晶的數(shù)量將隨著變形量、變形溫度和變形后的停留時(shí)間而變化。圖2-15是含鈦16Mn鋼在1000℃軋制和850℃軋制時(shí)不同停留時(shí)間對(duì)奧氏體再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)的影響。78靜態(tài)再結(jié)晶的數(shù)量

如果軋后停留時(shí)間相同，再結(jié)晶的數(shù)量與變形量、變形溫度的關(guān)系如圖2-16所示。奧氏體再結(jié)晶的百分?jǐn)?shù)正比于變形量與變形溫度。79靜態(tài)再結(jié)晶晶粒的大小

各種因素對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響各種因素對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響再結(jié)晶區(qū)域圖80各種因素對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響

令d代表再結(jié)晶晶粒中心點(diǎn)之間的平均距離，則d與再結(jié)晶的形核速率N、再結(jié)晶晶粒的成長(zhǎng)速度G之間存在下列近似關(guān)系：

d=常數(shù)(G/N)1/4

再結(jié)晶晶粒的成長(zhǎng)速度：G=dR/dt(R：再結(jié)晶晶粒半徑)，上式可以寫成

G=BEs/λ

式中B為晶界的遷移率；Es為克分子的儲(chǔ)存能。

1克分子=1摩爾?？朔肿邮悄柕牟灰?guī)范名稱81各種因素對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響

一切影響儲(chǔ)存能的因素都影響晶粒的成長(zhǎng)速度。隨變形量的增加Es增加，所以G也增加，而且G與變形量的變化規(guī)律與Es的變化規(guī)律是一致的。原始晶粒的大小對(duì)G的影響也是通過(guò)晶粒大小對(duì)Es的影響起作用的，因此在應(yīng)變數(shù)值相等的條件下，原始晶粒愈細(xì)小Es也愈大，G值也大。溫度對(duì)G的影響也可以通過(guò)溫度對(duì)B的影響表現(xiàn)出來(lái)，變形溫度提高使G增大。金屬中的第二相析出對(duì)G的影響也很大。d=常數(shù)(G/N)1/4G=dR/dtG=BEs/λ82各種因素對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響

形核速率N等于單位時(shí)間內(nèi)形成的核心數(shù)除以尚未再結(jié)晶的金屬體積。再結(jié)晶的形核速率隨形變量的增加而增加。圖2-17表示形變量對(duì)N、G及N/G的影響。由圖可以看出，當(dāng)變形量小于5％時(shí)，N≈0，表明要發(fā)生再結(jié)晶需要一個(gè)最小變形量——臨界變形量。

d=常數(shù)(G/N)1/483各種因素對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響

可以定性地說(shuō)，增加N，減小G可以得到細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。因此影響N、G的因素就必然影響再結(jié)晶晶粒的尺寸。

d=常數(shù)(G/N)1/4各種因素對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響取決于若干因素的綜合效果，其定量計(jì)算只能根據(jù)具體鋼種的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)處理。如Towle和Gladman根據(jù)304、316不銹鋼的試驗(yàn)得出

drex∝ε-0.5d0Z-0.06式中ε為變形量，d0為原始晶粒直徑，Z為溫度補(bǔ)償速度參數(shù)。84各種因素對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響

奧氏體靜態(tài)再結(jié)晶是在一個(gè)過(guò)程中完成的，因而各種因素不僅對(duì)再結(jié)晶晶粒尺寸有影響，也同時(shí)影響再結(jié)晶的數(shù)量，使奧氏體平均晶粒尺寸的變化不完全相同于靜態(tài)再結(jié)晶晶粒的尺寸變化，因此使情況變得更為復(fù)雜。（1）變形量的影響（2）變形溫度的影響（3）變形速度的影響（4）變形后停留時(shí)間的影響（5）原始晶粒大小的影響（6）微合金元素的影響85各種因素對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響

（1）變形量的影響在軋制溫度一定的條件下，變形后的奧氏體晶粒的平均晶粒尺寸隨變形量的增大而減小。這一方面是由于奧氏體再結(jié)晶數(shù)量增加的結(jié)果（當(dāng)在部分再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)），另一方面是由于變形量增加，G/N降低，故再結(jié)晶晶粒變細(xì)。但是在大壓下率部分的晶粒細(xì)化效果減弱，在60%的壓下率下甚至沒有晶粒細(xì)化作用，其極限值為20~40μm。86各種因素對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響

（1）變形量的影響87各種因素對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響

（2）變形溫度的影響變形溫度對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響比較復(fù)雜，取決于奧氏體再結(jié)晶的情況。在奧氏體完全再結(jié)晶區(qū)內(nèi)軋制時(shí)，隨著軋制溫度的降低，奧氏體再結(jié)晶平均晶粒尺寸也減小。而在奧氏體部分再結(jié)晶區(qū)內(nèi)軋制時(shí)，隨著軋制溫度降低，奧氏體未再結(jié)晶的數(shù)量增大，就有可能使奧氏體平均晶粒尺寸增大。88各種因素對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響

（3）變形速度的影響變形速度可以看成與變形溫度有同樣效果的因素。低變形速度相當(dāng)于高變形溫度；高變形速度相當(dāng)于低變形溫度。實(shí)際生產(chǎn)中，在一定設(shè)備條件下，變形速度變化不會(huì)很大，因而對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響不是主要的。89各種因素對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響

（4）變形后停留時(shí)間的影響停留時(shí)間的延長(zhǎng)既會(huì)增加奧氏體再結(jié)晶的數(shù)量（在奧氏體部分再結(jié)晶區(qū)中變形時(shí)），也會(huì)使已再結(jié)晶的奧氏體晶粒長(zhǎng)大。因此其結(jié)果將示奧氏體再結(jié)晶情況而定。90各種因素對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響

（4）變形后停留時(shí)間的影響圖2-20是含鈮16Mn鋼空延時(shí)間對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響圖。當(dāng)在奧氏體完全再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)(圖中變形量>20％的區(qū)域)，奧氏體平均晶粒尺寸隨停留時(shí)間增加而增大，而在奧氏體部分再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)情況則相反。

91各種因素對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響

（5）原始晶粒大小的影響原始晶粒愈細(xì)儲(chǔ)存能愈大，N、G都增大，但N增加比G快，所以再結(jié)晶后晶粒也愈細(xì)。但是奧氏體原始晶粒尺寸的影響隨變形量的加大而逐漸減小，當(dāng)變形量達(dá)到75％時(shí)，原始晶粒尺寸幾乎對(duì)再結(jié)晶后的晶粒尺寸沒有影響。92各種因素對(duì)奧氏體平均晶粒尺寸的影響

（6）微合金元素的影響微合金元素在鋼中以C和(或)N的化合物形式析出，一般都能使G／N減小，所以可以起細(xì)化晶粒作用。溶于固溶體的微合金元素其作用主要在于它能吸附于界面，顯著降低界面活動(dòng)性，阻礙了晶面的擴(kuò)散移動(dòng)。以小質(zhì)點(diǎn)形式分布在基體中的不溶析出物，也可以降低晶界的活動(dòng)性，阻止晶粒的長(zhǎng)大，并同時(shí)還會(huì)引起形變儲(chǔ)存能的增加，從而使N也增大。但是由于微合金元素，尤其是Nb有很強(qiáng)的抑制奧氏體再結(jié)晶的作用，因而和不含微合金元素的鋼相比，在同樣變形條件下，再結(jié)晶數(shù)量減少，使奧氏體平均晶粒尺寸增大。93再結(jié)晶區(qū)域圖

熱變形后的組織隨著變形量、變形溫度、變形速度等的不同變化很大。在以變形量為橫坐標(biāo)、變形溫度為縱坐標(biāo)的圖上,可根據(jù)變形后的組織是否發(fā)生再結(jié)晶將圖分成三個(gè)區(qū)域，即再結(jié)晶區(qū)、部分再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)。壓下率大的部分發(fā)生完全再結(jié)晶，壓下率低于再結(jié)晶臨界變形量的部分只發(fā)生回復(fù)，不發(fā)生再結(jié)晶，在這兩者之間有一個(gè)部分再結(jié)晶區(qū)。94再結(jié)晶區(qū)域圖

產(chǎn)生部分再結(jié)晶的臨界壓下率和完成靜態(tài)再結(jié)晶的臨界壓下率隨著變形溫度的降低而加大。而且受原始晶粒直徑和化學(xué)成分的影響。原始晶粒直徑大，臨界曲線就向大壓下率方向移動(dòng)。Nb、V、Ti等強(qiáng)碳化物元素有抑制再結(jié)晶的作用，因而能不同程度地把臨界壓下率曲線推向大壓下率方向。熱變形后在靜態(tài)再結(jié)晶區(qū)所得到的再結(jié)晶晶粒尺寸隨變形量的增大而細(xì)化，而受變形溫度的影響較?。ㄔ趧?dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)中得到的再結(jié)晶晶粒尺寸主要受變形溫度的影響，受變形量的影響比較?。?。95再結(jié)晶區(qū)域圖

圖2-24是在1150℃加熱的Nb鋼(0.1％C，0.24％Si，1.35％Mn，0.038％Nb)，其平均原始晶粒直徑180μm．在給以一道次軋制后所得到的再結(jié)晶區(qū)域圖。在未再結(jié)晶區(qū)(I區(qū))中變形時(shí)，如果給以6％的變形量，多數(shù)的晶粒將保持原形不變，只是釋放了部分畸變能，即產(chǎn)生回復(fù)。但在很多處出現(xiàn)了比原始晶粒大幾倍的巨大晶粒，這是由于輕微的變形在局部地方誘發(fā)起晶界移動(dòng)而發(fā)生的現(xiàn)象。這個(gè)事實(shí)具有重要意義，即在回復(fù)區(qū)給以壓下不僅不引起再結(jié)晶細(xì)化，相反地使局部生成巨大晶粒，從而使相變后的鐵素體組織粗大不均，力學(xué)性能變壞。在部分再結(jié)晶區(qū)（Ⅱ區(qū)）軋制能得到再結(jié)晶和未再結(jié)晶晶粒的混合組織，也就是部分再結(jié)晶組織。在Ⅱ區(qū)中變形不會(huì)發(fā)生如同在I區(qū)中那樣巨大的晶粒。在再結(jié)晶區(qū)（Ⅲ區(qū)）中軋制所得到的全部是細(xì)小的再結(jié)晶組織。96再結(jié)晶區(qū)域圖

以上是一道次軋制時(shí)的情況，那么多道次軋制時(shí)其組織又會(huì)發(fā)生怎樣的變化呢？仍以圖2-24中所使用的鋼種為例(Nb鋼)。在Ⅲ區(qū)中連軋兩道（每道壓下率為28％）后得到全部細(xì)化的再結(jié)晶組織。再結(jié)晶區(qū)多道次軋制后奧氏體晶粒的大小既決定于總變形量也決定于道次變形量，尤以道次變形量的作用大。道次變形量或總變形量增大都能使奧氏體晶粒細(xì)化，但是再結(jié)晶晶粒細(xì)化有一個(gè)限度，大約只能達(dá)到20~40μm。97再結(jié)晶區(qū)域圖

在Ⅱ區(qū)中用了3道次和5道次連續(xù)壓下，在3道中每道壓下10％得到再結(jié)晶和未再結(jié)晶的混合組織，而在5道次連續(xù)壓下時(shí)(總壓下率為42％)，卻得到全部再結(jié)晶的組織。如果軋制道次足夠（總變形量足夠），這個(gè)階段得到的組織比較細(xì)而且整齊。但是還應(yīng)該看到，在多道次軋制時(shí)，軋制溫度逐步下降，它是不利于再結(jié)晶進(jìn)行的。因此仍有可能雖經(jīng)多道次軋制，在Ⅱ區(qū)中有足夠的總壓下量，但仍然得不到全部再結(jié)晶組織。98再結(jié)晶區(qū)域圖

在I區(qū)中連續(xù)軋制時(shí)，如果給以每道6％的多道次壓下，即使軋制5道(總壓下率27％)，也只能得到少數(shù)的再結(jié)晶晶粒，大部分是回復(fù)的晶粒和巨大晶粒的混合組織。即使7道次軋制(總壓下率36％)，軋制情況也沒有本質(zhì)的變化。按9道次軋制(總壓下率43％)，可以看到進(jìn)行了一些再結(jié)晶，但是回復(fù)晶粒和巨大晶粒的混合組織仍占主體。也就是說(shuō)，如果在未再結(jié)晶區(qū)中給以一個(gè)不適當(dāng)?shù)膲合铝烤蜁?huì)引起巨大晶粒的產(chǎn)生，這種巨大晶粒在以后的軋制中很難消失，即使再給以連續(xù)的部分再結(jié)晶區(qū)的壓下量也很難消失。99再結(jié)晶區(qū)域圖

例如每道壓下率6％，軋制4道（總壓下率22％），形成巨大的晶粒，對(duì)它若以14％壓下率軋制1道(壓下率共33％)，則巨大晶粒原封不動(dòng)地保留，其它晶粒再結(jié)晶后細(xì)化。若以14％壓下率軋制3道(壓下率共50％)，則大部分巨大晶粒細(xì)化，但到處仍可看到巨大晶粒的痕跡。在I區(qū)中連續(xù)軋制時(shí)如果所給予的壓下率合適，就不會(huì)產(chǎn)生巨大晶粒，那么全部晶粒都是未再結(jié)晶晶粒，它將隨著軋制道次的增加（總變形量的增加）晶粒拉長(zhǎng)，晶內(nèi)形變帶逐漸增加并逐漸均勻。晶粒的拉長(zhǎng)程度和變形帶的增加程度與在l區(qū)中的總變形量成正比例，而與道次變形量關(guān)系不大。

100保溫中奧氏體晶粒的長(zhǎng)大

奧氏體再結(jié)晶完成后在高溫下繼續(xù)停留，晶粒將會(huì)長(zhǎng)大。這時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力不是畸變能，而是由小晶粒長(zhǎng)大成大晶粒可以減小晶界面積，從而減少總的晶界能（驅(qū)動(dòng)力是晶粒長(zhǎng)大前后總的晶界能差）。恒溫下奧氏體晶粒長(zhǎng)大的直徑D與恒溫下停留時(shí)間有關(guān)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到：

D=Ktn(2—6)式中K、n是常數(shù)。對(duì)不同的鋼材和溫度其值是不同的。如1150℃保溫時(shí)，Si-Mn鋼的n≈0.2，Nb鋼、Ti鋼n≈0.03～0.04。101保溫中奧氏體晶粒的長(zhǎng)大

圖2-25表示再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大，可見在再結(jié)晶后停留的初期時(shí)間內(nèi)晶粒長(zhǎng)大的速度還是很快的，普碳鋼尤為顯著。多道次的道次間隔時(shí)間里和終軋后的空冷時(shí)間里再結(jié)晶奧氏體晶粒也會(huì)長(zhǎng)大，因此在軋制工藝規(guī)程制定中要給以注意。1023.

鋼在高溫下的變形抗力變形抗力的概念變形抗力，有時(shí)也稱變形阻力，是金屬對(duì)由于施加外力而發(fā)生的塑性變形的抵抗能力。一般所說(shuō)的變形抗力是指金屬在單向拉伸或壓縮應(yīng)力狀態(tài)下的屈服極限，常用

s表示。變形抗力在數(shù)值上是指單向應(yīng)力狀態(tài)下金屬產(chǎn)生塑性變形所需的應(yīng)力。變形抗力的數(shù)值首先取決于變形金屬的化學(xué)成分和顯微組織。在變形金屬的化學(xué)成分和顯微組織確定的情況下，變形溫度、應(yīng)變速率和變形程度等變形條件是影響變形抗力的主要因素。103

用途：金屬的熱變形抗力是材料在高溫下的基本性能之一，可以用于：設(shè)計(jì)金屬加工機(jī)械設(shè)備及電氣設(shè)備的能力在進(jìn)行熱變形過(guò)程的自動(dòng)控制中，用于變形載荷的計(jì)算和變形工藝參數(shù)的精確設(shè)定（主要用于過(guò)程控制）變形抗力作為材料的一種特性，反映了熱變形過(guò)程中顯微組織變化情況，因此，如果熱軋中的變形抗力能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)，那么伴隨熱軋過(guò)程的顯微組織變化，就能夠通過(guò)變形抗力的變化而預(yù)報(bào)出來(lái)。從而能夠在軋后不進(jìn)行性能測(cè)試的情況下，預(yù)測(cè)軋材的力學(xué)性能（組織性能預(yù)報(bào)）。1043.1變形抗力的一般行為低碳鋼的變形行為隨溫度的增加，由室溫到1200℃分為五個(gè)區(qū)域：低溫型變形區(qū)域：由室溫到藍(lán)脆性出現(xiàn)之前的區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域，變形抗力隨溫度的升高而降低，而加工硬化指數(shù)n沒有大的變化。藍(lán)脆性區(qū)域：隨溫度的升高延伸率減少，加工硬化指數(shù)（n）開始增加，變形抗力達(dá)到峰值之前的區(qū)域。相高溫型變形區(qū)：由藍(lán)脆性溫度開始到A1相變點(diǎn)（723℃）之前的區(qū)域。隨溫度上升，總延伸率急劇增大，加工硬化指數(shù)減小，變形抗力降低。(＋）兩相區(qū)變形區(qū)域：由A1點(diǎn)開始到A3

相變點(diǎn)之前的區(qū)域。由于溫度上升，相析出，因而總延伸急劇減小，加工硬化指數(shù)急劇增大。這是因?yàn)?，在相同溫度下，相比相變形抗力高，所以變形集中于相。相變形區(qū)域：總延伸率重新恢復(fù)，隨溫度的升高，變形抗力降低。105低碳鋼的在不同溫度下的變形行為：低溫變形行為低溫變形區(qū)域（大約0~220℃）：變形抗力隨溫度的升高而降低加工硬化指數(shù)n沒有大的變化。單調(diào)的加工硬化106低碳鋼的在不同溫度下的變形行為：藍(lán)脆性區(qū)域藍(lán)脆性區(qū)域：（大約220~500℃）加工硬化指數(shù)隨溫度的升高而增加延伸率隨溫度的升高而減少變形抗力達(dá)到峰值之前的區(qū)域當(dāng)變形速率提高時(shí)，出現(xiàn)藍(lán)脆性溫度提高107低碳鋼的在不同溫度下的變形行為：相高溫變形區(qū)

相高溫型變形區(qū),隨溫度增加：總延伸率急劇增大加工硬化指數(shù)減小變形抗力降低。108低碳鋼的在不同溫度下的變形行為：

+相變形區(qū)

（＋）兩相區(qū)變形區(qū)域：由于溫度上升，相析出，因而總延伸急劇減小，加工硬化指數(shù)急劇增大。這是因?yàn)?，在相同溫度下，相比相變形抗力高，所以變形集中于相?09低碳鋼的在不同溫度下的變形行為：相變形區(qū)

相變形區(qū)域，隨溫度的升高：總延伸率重新恢復(fù)變形抗力降低加工硬化指數(shù)降低1103.1變形抗力-溫度曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系111由于外力作用產(chǎn)生位錯(cuò)以及溶質(zhì)原子擴(kuò)散，在位錯(cuò)周圍聚集溶質(zhì)原子，形成Cottrell氣團(tuán)。位錯(cuò)必須拖曳氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)，這種拖曳阻力的大小，依賴于溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度和位錯(cuò)的速度。當(dāng)溫度上升時(shí)，擴(kuò)散速度增大，因此這種阻力變大，當(dāng)溫度達(dá)到峰值后變小?；绢愋褪茿、B曲線的關(guān)系，隨溫度上升，變形抗力減小，而在相變區(qū)，由于和的結(jié)晶構(gòu)造不同，在相同的溫度下，的變形抗力高，所以用曲線C連接起來(lái)。應(yīng)變速率越快，含碳量越多，在應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域中顯示的局部峰值的藍(lán)脆性溫度越向高溫側(cè)偏離。在藍(lán)脆區(qū)的發(fā)生的曲線A偏離到D的現(xiàn)象，可以用位錯(cuò)與C、N溶質(zhì)原子的相互作用來(lái)解釋：112影響熱變形抗力的金屬學(xué)因素合金元素的影響晶粒尺寸和相結(jié)構(gòu)的影響變形條件的影響變形程度變形溫度變形速度變形程度、變形溫度和變形速度的綜合影響113影響熱變形抗力的各種參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系熱變形抗力化學(xué)成分

微觀組織：晶粒細(xì)化相組成應(yīng)變積累

變形條件：溫度應(yīng)變應(yīng)變速率1143.1合金元素的影響碳：碳可以作為間隙式原子或

中的碳化物沉淀而存在。含碳量對(duì)熱變形抗力的影響微乎其微。一般的看法是：無(wú)論是在較低應(yīng)變速率的變形過(guò)程中，還是在較高溫度的變形過(guò)程中，含碳量對(duì)熱變形抗力的影響都是微不足道的。氮：高強(qiáng)度低合金鋼中氮含量的變化一般太小，以致于不會(huì)引起熱變形抗力顯著改變，但氮可以通過(guò)如氮化鋁或氮化鈮等氮化物的形成而引起奧氏體晶粒細(xì)化，從而影響熱變形抗力。置換式固溶元素：在置換型合金中使用的元素通過(guò)固溶強(qiáng)化、沉淀硬化和晶粒細(xì)化來(lái)達(dá)到強(qiáng)化目的，其強(qiáng)化方式同鋼在室溫下的強(qiáng)化方式相類似。115116圖5-1和圖5-2示出了某些合金和微量合金元素對(duì)變形抗力的影響。在試驗(yàn)中使用真空高頻加熱的壓縮試驗(yàn)機(jī)，加熱到1100℃后，經(jīng)過(guò)第一道次的變形再結(jié)晶，將初始晶粒調(diào)整為40μm左右再進(jìn)行第二道次變形?？梢姡诤辖鸪煞种蠱o使變形抗力增大的效果很大，而Ni和Mn的效果很小。這些合金元素使變形抗力增大的效果大體上同它們與鐵原子尺寸之差成比例。在微量合金元素中Nb使變形抗力明顯增大。這些元素是通過(guò)抑制多道次軋制時(shí)的道次間的軟化過(guò)程來(lái)對(duì)變形抗力產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。117對(duì)碳的影響效果也進(jìn)行了研究，在900℃時(shí)，以低速拉伸研究了變形率10%時(shí)的變形抗力，如圖5-4，可以看出，隨著碳含量的增加變形抗力幾乎沒有什么變化。118圖5-5示出奧氏體晶粒大小對(duì)變形抗力的影響。對(duì)0.09％C，0.22%Si，1.45％Mn的鋼，用加熱溫度從900℃到1250℃之間的變化來(lái)調(diào)整

晶粒大小。隨著晶粒的變細(xì)，而使變形抗力增大。但對(duì)于ASTM晶粒度0級(jí)到8級(jí)，變形抗力僅相差20%。在控制軋制中通過(guò)在

區(qū)的反復(fù)軋制，由于再結(jié)晶的結(jié)果使

晶粒不斷細(xì)化，這對(duì)變形抗力的變化將有相應(yīng)的影響。3.2奧氏體晶粒度的影響119關(guān)于奧氏體晶粒尺寸對(duì)變形抗力的影響從圖5-6也可以看出。隨著

晶粒尺寸的增大，變形抗力下降。當(dāng)

晶粒直徑從150μm細(xì)化到25μm時(shí)，變形抗力上升10%。3.2奧氏體晶粒度的影響1203.3變形條件的影響（1）變形程度的影響隨著變形程度

的增大，其變形抗力k的變化可用下式表示：

式中：

k-變形抗力；

-變形程度；和n-系數(shù)。121（2）變形溫度的影響

變形抗力與變形溫度的關(guān)系如下式：

式中：

T-變形溫度；

c，A-常數(shù)。

122（3）變形速度的影響

變形抗力與變形速度的關(guān)系如下式：

式中：

-常數(shù)；

m-由表可查出，一般范圍在0.11-0.15。

123變形程度、變形溫度和變形速度的綜合影響

---變形抗力公式變形抗力（流變應(yīng)力）對(duì)溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率的依賴關(guān)系分別為：平均變形抗力為（井上公式）：

式中，A，B,m，n為取決于材質(zhì)和變形條件池島公式：124周紀(jì)華式

式中：σ0—在變形溫度t=1000℃，=10s-1

，

=0.4時(shí)的變形抗力；t,,—分別為變形溫度（℃），應(yīng)變速率（s-1）及真應(yīng)變；a1~a7—回歸系數(shù)（其值取決于鋼種）。這個(gè)模型主要有兩點(diǎn)改進(jìn)：一是在模型中反映了應(yīng)變速率指數(shù)與變形溫度的關(guān)系；二是對(duì)變形程度影響項(xiàng)進(jìn)行了修正，考慮到不同鋼種在相應(yīng)的變形范圍內(nèi)具有不同的變形抗力曲線，使用了一個(gè)非線性函數(shù)去擬合變形程度影響項(xiàng)，因此具有較高的精度。125志田茂式

志田茂采用凸輪式高速形變機(jī)測(cè)定了8個(gè)碳鋼（含碳量0.01~1.16%）在各種試驗(yàn)條件下的變形阻力。他考慮了低碳鋼在變形溫度為800~900℃范圍內(nèi)，隨著相變的出現(xiàn)所導(dǎo)致的變形阻力值的異常區(qū)域，把變形阻力數(shù)學(xué)模型以相變的臨界溫度來(lái)劃分，其臨界溫度由下式確定：式中：C—碳含量（%）。

（T≥td）

（T≤td）

（T≥td）

（T≤td）碳鋼變形抗力模型由下列式子表示：126美坂佳助式

美坂佳助和吉本友吉采用落錘壓縮試驗(yàn)的方法，測(cè)定了碳鋼（含碳量0.05~1.16%）的變形抗力。式中：C—碳含量（%）；

TK—絕對(duì)溫度，；

t—變形溫度（℃）；127熊尚武，王國(guó)棟式

式中：

0-t0

=1000℃、

0=0.1、=10s-1時(shí)的變形抗力值；

m1~m6—為回歸系數(shù)；

TK—絕對(duì)溫度；

Q—激活能；

R—?dú)怏w常數(shù)；

Z—Zener-Hollomon因子。

128控制軋制時(shí)的變形抗力模型

傳統(tǒng)的變形抗力模型及有關(guān)公式幾乎都是指單道次變形條件下鋼的變形抗力的大小，而在實(shí)際的多道次軋制過(guò)程中，模型的精度如何，是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，目前得到公認(rèn)的作法是把這種前道次遺留下來(lái)的加工硬化看作是由鋼的內(nèi)部存在的殘余應(yīng)變?cè)斐傻?。這樣建立考慮這種殘余應(yīng)變累積效果的變形抗力模型時(shí)，只要將原有變形抗力模型中的變形程度影響項(xiàng)略加改變就可以，如下式：

式中: T—絕對(duì)溫度；

—分別為應(yīng)變速率（s-1）、應(yīng)變及殘余應(yīng)變；

a0~a3—回歸系數(shù)（其值取決于鋼種）。129（A+F）兩相區(qū)軋制時(shí)的變形抗力

130（A+F）兩相區(qū)軋制時(shí)的變形抗力

控制軋制工藝已從奧氏體低溫區(qū)擴(kuò)展到(A+F)兩相區(qū)域。因此有必要掌握在兩相區(qū)軋制時(shí)的變形抗力。眾所周知，在同一溫度下鐵素體相的變形抗力要比奧氏體相低得多，因此在(A+F)兩相區(qū)軋制時(shí)的軋制壓力要比在奧氏體低溫軋制時(shí)低。131（A+F）兩相區(qū)軋制時(shí)的變形抗力

圖6-11表示出了在實(shí)驗(yàn)室軋機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)在廣泛的軋制溫度范圍內(nèi)研究了相變對(duì)軋制壓力的影響，道次壓下率一定，為10％，所示溫度為表面溫度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出，在Ar3溫度附近軋制壓力顯著降低。之后隨著軋制溫度降低，雖然鐵素體量不斷增加，但軋制壓力卻不斷升高，而且其值落在單相區(qū)鐵素體加工時(shí)的軋制壓力延長(zhǎng)線上。這就表明在相區(qū)中變形時(shí)，由于鐵素體比奧氏體軟，鐵素體承擔(dān)了大部分的變形。軋制溫度愈低鐵素體量愈多，加工鐵素體量就增加，使變形抗力提高。132（A+F）兩相區(qū)軋制時(shí)的變形抗力

從本質(zhì)上說(shuō)，兩相區(qū)中進(jìn)行軋制的鐵素體和單相軋制的鐵素體是一樣的。因此可以認(rèn)為在兩相區(qū)的高溫階段變形抗力是低于奧氏體低溫區(qū)變形抗力的，在該區(qū)實(shí)施控制軋制工藝可以不必?fù)?dān)心軋制壓力的升高。但如果在兩相區(qū)的低溫階段軋制，那么軋制壓力就可能會(huì)高于奧氏體低溫區(qū)軋制時(shí)的軋制壓力。

誠(chéng)然，在兩相區(qū)的低溫區(qū)中，軋制溫度的降低使加工鐵素體量加大，因而使變形抗力增大。但是軋制溫度不是決定加工鐵素體量的唯一因素，因?yàn)橹T如奧氏體晶粒尺寸，進(jìn)入兩相區(qū)軋制前的變形過(guò)程等因素都會(huì)使Ar3溫度發(fā)生很大變化，從而影響兩相區(qū)中的鐵素體加工量。133（A+F）兩相區(qū)軋制時(shí)的變形抗力

在兩相區(qū)中受到加工的鐵素體組織在道次之間的停留時(shí)間里發(fā)生軟化，因而使變形抗力降低(類似于奧氏體未再結(jié)晶區(qū)中多道次軋制的情況)。保溫中軟化組織的變化受溫度、加工前的組織(如晶粒度)和保溫時(shí)間的影響。在單相鐵素體區(qū)中有這樣的結(jié)果，那么在兩相區(qū)中的鐵素體大概也會(huì)有同樣的軟化行為。含鈮、釩、鈦等微合金元素鋼在兩相區(qū)多道次軋制時(shí)，認(rèn)為在該區(qū)軋制時(shí)強(qiáng)度的提高不是因?yàn)槲龀鰪?qiáng)化量的增加，而是由于析出抑制了鐵素體的回復(fù)所產(chǎn)生的結(jié)果。134多道次變形的熱變形抗力公式過(guò)去考慮熱軋問(wèn)題的前提是認(rèn)為前一道次的影響在到達(dá)下一道次已經(jīng)消除（即在非常短的時(shí)間內(nèi)復(fù)原到無(wú)應(yīng)變的狀態(tài)）。但是，由于近年已將軋制溫度區(qū)間擴(kuò)大到

低溫區(qū)或a/

兩相區(qū)以及添加Nb等微量元素等原因，道次間的復(fù)原不能充分地進(jìn)行，必須考慮前道次對(duì)變形抗力的影響。右圖是以軟化率表示的Si-Mn鋼、Nb鋼、V鋼和Ti鋼在預(yù)變形（變形量0.69)后復(fù)原的情況。由該圖可見，由于微量元素的添加和低溫化，復(fù)原延遲了。關(guān)于前道次對(duì)變形抗力影響的處理方法，有象冷軋那樣將前道次的應(yīng)變處理為殘留積累的方法和以位錯(cuò)密度的積累來(lái)考慮的方法等等。添加Si-Mn及Nb、V、Ti的鋼軟化行為（基本成分：0.09%C-50%Mn)135多道次變形的熱變形抗力公式將前道次殘留的應(yīng)變

i加到i道次的壓下應(yīng)變

i，得到

i，作為i道次的實(shí)質(zhì)應(yīng)變，即:

i=

i+

i=

i+

i

i-1

式中

i-1是前一道次的實(shí)質(zhì)應(yīng)變，

i是應(yīng)變殘留率．它依賴于前道次的應(yīng)變、溫度和道次間的時(shí)間等。這個(gè)

和軟化度x是互相關(guān)連的，1-x大致接近于

考慮殘余應(yīng)變時(shí)，平均變形抗力公式：1364.熱變形行為的試驗(yàn)研究方法拉伸試驗(yàn)方法壓縮試驗(yàn)方法鐓粗壓縮試驗(yàn)平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法軋制方法1374.1實(shí)驗(yàn)研究設(shè)備美國(guó)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)公司(DSI)：Gleeble系列熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)日本富士電波株式會(huì)社：Thermecmastor、Press熱力加工模擬設(shè)備法國(guó)SETARAM公司：高溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)中國(guó)東北大學(xué)RAL：MMS系列熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)1384.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程以Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)為例。Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)它具有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：一是實(shí)驗(yàn)過(guò)程的控制、數(shù)據(jù)采集均由計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行，使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程的參數(shù)控制非常精確，數(shù)據(jù)處理方便迅捷；二是裝備了先進(jìn)的液壓楔技術(shù)，可以模擬多道次高速軋鋼過(guò)程，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變速率，應(yīng)變量的精確控制。壓縮方法、拉伸方法和扭轉(zhuǎn)。1394.3平面變形壓縮法由于平面應(yīng)變壓縮實(shí)驗(yàn)不存在鼓凸問(wèn)題，目前平面應(yīng)變壓縮被廣泛的用于流變應(yīng)力壓縮實(shí)驗(yàn)。在平面應(yīng)變壓縮實(shí)驗(yàn)中，試樣以小板坯的形式在兩個(gè)更寬的平板錘頭之間得到壓縮，錘頭兩端試樣的彈性約束阻礙了試樣向?qū)挾确较虻难由?，因而試樣變形控制在縱向和高向這二維之內(nèi)。為保證平面變形的條件，必須保證寬度方向的變形忽略不計(jì)，為此試樣寬度t與錘頭寬度W之比應(yīng)在6～10以上。為保證錘頭之間的變形均勻，錘頭寬度和厚度h之比也應(yīng)在2-4之間。為此實(shí)驗(yàn)所用試樣為尺寸15mml×20mmw×10mmh。平面應(yīng)變壓縮與圓柱體單向壓縮相比在熱量的散失、施力方式、應(yīng)變等方面都有所區(qū)別，平面應(yīng)變的平均壓力比單向圓柱體壓縮的應(yīng)力要大15.5％，真應(yīng)變要少15.5％，平面應(yīng)變壓縮與實(shí)際鋼板軋制過(guò)程較為接近。1404.4平面變形壓縮法1414.5實(shí)驗(yàn)過(guò)程單道次壓縮變形示意圖142

雙道次壓縮變形示意圖1150℃×3minε1ε210/sStrain:0.2,0.3Deformationtemperature1050～950℃時(shí)間溫度143真應(yīng)力真應(yīng)變IIIIII144

第一節(jié)

鋼的強(qiáng)化機(jī)制

145低碳鋼的工程應(yīng)力---工程應(yīng)變曲線σe：彈性極限σb：抗拉強(qiáng)度σs：屈服強(qiáng)度GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法1461.固溶強(qiáng)化2.位錯(cuò)強(qiáng)化3.沉淀強(qiáng)化4.晶界強(qiáng)化5.亞晶強(qiáng)化6.相變強(qiáng)化

鋼的強(qiáng)化機(jī)制147固溶強(qiáng)化定義：采用添加溶質(zhì)元素使固溶體強(qiáng)度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化，即固溶強(qiáng)化是通過(guò)改變金屬的化學(xué)成分來(lái)提高強(qiáng)度的方法。機(jī)理：運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)與溶質(zhì)原子之間的交互作用的結(jié)果。效果：提高強(qiáng)度、降低塑韌性。148固溶強(qiáng)化的規(guī)律（1）溶質(zhì)元素溶解量增加，固溶體的強(qiáng)度也增加例如：對(duì)于無(wú)限固溶體，當(dāng)溶質(zhì)原子濃度為50%時(shí)強(qiáng)度最大；而對(duì)于有限固溶體，其強(qiáng)度隨溶質(zhì)元素溶解量增加而增大置換元素對(duì)α-Fe屈服強(qiáng)度的影響149固溶強(qiáng)化的規(guī)律（2）溶質(zhì)元素在溶劑中的飽和溶解度愈小，其固溶強(qiáng)化效果愈好.（3）形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素（如C、N、B等元素在Fe中）其強(qiáng)化作用大于形成置換固溶體（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶質(zhì)元素。但對(duì)韌性、塑性的削弱也很顯著，而置換式固溶強(qiáng)化卻基本不削弱基體的韌性和塑性。（4）溶質(zhì)與基體的原子大小差別愈大，強(qiáng)化效果也愈顯著。150滑移是塑性變形的主要方式，材料中位錯(cuò)密度對(duì)材料的強(qiáng)度的影響

1、完全無(wú)位錯(cuò)存在時(shí)，在外力作用下，沒有可以發(fā)生運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)，材料表現(xiàn)極高的強(qiáng)度。例如銅，理論計(jì)算的臨界切應(yīng)力約為1500MPa，而實(shí)際測(cè)出的僅為0.98MPa。但制造這種材料非常困難，目前只能在很小尺寸的晶體中實(shí)現(xiàn)(晶須),用于研究型的復(fù)合材料中。位錯(cuò)強(qiáng)化151滑移是塑性變形的主要方式，材料中位錯(cuò)密度對(duì)材料的強(qiáng)度的影響

2、在存在位錯(cuò)的晶體材料中,隨位錯(cuò)密度的提高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受交割作用影響加大，材料的強(qiáng)度得到提高。經(jīng)過(guò)冷變形的金屬材料,發(fā)生了加工硬化，強(qiáng)度可以在相當(dāng)范圍內(nèi)得到提高，常用的冷軋鋼板、冷拔鋼絲就是一例。值得注意的是用加工硬化提高強(qiáng)度的材料只能在較低溫度下使用，否則因高溫發(fā)生了再結(jié)晶，加工硬化的強(qiáng)化效果將全部消失。位錯(cuò)強(qiáng)化效果：提高強(qiáng)度、降低塑韌性。152沉淀強(qiáng)化（第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化）

第二相硬質(zhì)點(diǎn)是指那些在韌性材料中存在的不易發(fā)生塑性變形的化合物,它們幾乎不能發(fā)生塑性變形，在大的應(yīng)力下將脆性斷裂。在普通低合金鋼中經(jīng)常加入微量Nb、V、Ti，這些元素可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物，在軋制中或軋后冷卻時(shí)它們可以析出，起到第二相沉淀強(qiáng)化作用。例如加熱到1250℃的Nb鋼，沉淀強(qiáng)化的作用平均每0.01％Nb可提高屈服強(qiáng)度19.6MPa。

153沉淀強(qiáng)化（第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化）

第二相的沉淀過(guò)程亦即是過(guò)飽和固溶體的分解過(guò)程。第二相能沉淀析出的必要條件是固溶體合金的溶解度隨著溫度的降低而減小，因此加熱后得到的過(guò)飽和固溶體將隨著溫度的降低而析出。第二相析出的動(dòng)力學(xué)、析出的形態(tài)、部位等將隨加工工藝(包括冷卻條件)而異。154沉淀強(qiáng)化（第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化）

沉淀強(qiáng)化的機(jī)制是位錯(cuò)和顆粒之間的相互作用。在外力作用下，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)遇到第二相硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式有兩種，(1)對(duì)提高強(qiáng)度有積極作用的繞過(guò)過(guò)程；(2)對(duì)提高強(qiáng)度作用較小的切割/剪切過(guò)程。它們都會(huì)增加運(yùn)動(dòng)阻力，可以提高材料的強(qiáng)度。繞過(guò)機(jī)制切割機(jī)制155材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化

如果第二相硬質(zhì)點(diǎn)的總量(如體積份數(shù)f)一定，單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的尺寸愈小，數(shù)量多，排列密集；反之單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的尺寸愈大，數(shù)量少，排列稀疏。對(duì)位錯(cuò)來(lái)說(shuō)，小質(zhì)點(diǎn)容易切割，稀疏分布時(shí)容易繞過(guò)。所以質(zhì)點(diǎn)對(duì)強(qiáng)度的作用表現(xiàn)為尺寸太小或尺寸過(guò)大都會(huì)降低其效果，在特定的合適范圍才有最大的強(qiáng)化效果。

根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，一般的質(zhì)點(diǎn)間距最佳值在20-50個(gè)原子間距，體積數(shù)的最佳值在2％左右。156材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系

沉淀相的部位、形狀對(duì)強(qiáng)度都有影響。其一般規(guī)律是：沉淀顆粒分布在整個(gè)基體上比晶界沉淀的效果好；顆粒形狀球狀和片狀相比