材料科学基础之热变形课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,回 复,回复动力学,回复机制,回复的应用,剩余应变硬化分数,是一个驰豫过程,不同温度具有不同的回复机制,主要用作去应力退火,是一个热激活过程,回 复回复动力学回复机制回复的应用剩余应变硬化分数是一个驰豫,1,再结晶,再结晶温度,再结晶动力学曲线,再结晶温度晶粒尺寸,热激活过程,再结晶再结晶温度再结晶动力学曲线再结晶温度晶粒尺寸热激活过程,2,再结晶,变形量,温度,再结晶温度,再结晶尺寸,临界变形量,再结晶变形量再结晶温度再结晶尺寸临界变形量,3,a 正常再结晶 b 正常晶粒长大 c 异常晶粒长大,Mg-3Al-0.8Zn合金退火组织,二次再结晶,晶粒长大,“大吞并小”,“凹面变平”,产生条件,a 正常再结晶 b 正常晶粒长大,4,材料科学基础之热变形课件,5,5.4.1 动态回复与动态再结晶,5.4.2 热加工对组织性能的影响,5.4.3 蠕变,5.4.4 超塑性,5.4 热变形,高温力学性能,定义,过程,加工,硬化,和动态回复及再结晶引起的,软化,同时存在,，组织和性能取决于它们之间相互抵消的程度。,再结晶温度以上的形变过程,5.4.1 动态回复与动态再结晶5.4 热变形高温力,6,高应变速率,低应变速率,动态回复,动态再结晶,硬化阶段,硬化阶段,软化开始并逐渐增强,软化开始并逐渐作为主导,硬化软化达到动态平衡,硬化软化达到动态平衡,等轴晶粒的晶界呈锯齿状，晶内存在缠结位错的亚结构,晶粒大小,流变应力 反比,形变速率,形变温度,纤维状拉长晶粒的内部保持等轴状亚晶粒，亚晶内位错密度较低，胞壁处位错密度较高。,反复形核、有限长大,亚晶粒大小,流变应力 反比,形变速率,形变温度,硬化和软化同时进行，最终保持动态平衡,高应变速率低应变速率动态回复动态再结晶硬化阶段硬化阶段软化开,7,相同流变应力时，,动态再结晶材料的晶粒尺寸要小于静态再结晶的晶粒尺寸；,相同晶粒大小时，,动态再结晶材料的强度和硬度要高于静态再结晶材料。,通过动态回复和动态再结晶，晶粒内部形成了亚晶粒，使材料的强度、韧性提高，,通过对热加工的控制，使亚晶细化而产生强化,亚组织强化,。,如建筑用铝镁合金采用热挤压法保留动态回复组织用于提高使用强度。,相同流变应力时，动态再结晶材料的晶粒尺寸要小于静态再结晶的晶,8,热加工对组织性能的影响,改善铸态组织；,形成流线和带状组织；,晶粒尺寸及亚结构的细化。,消除方法：,1）避免在两相区变形；,2）减少夹杂和偏析；,3）完全退火加正火,屈服强度,亚晶尺寸d,控制好热加工的,变形速率,、,温度,、,每道次的应变量,和,间隔时间,，以及,冷却速度,。就可以调整热加工材料的晶粒度和强度。,热加工对组织性能的影响改善铸态组织；消除方法：屈服强度,9,很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空发动机叶片的使用温度高达1000，用Cr-Mo-V钢制造的汽轮机转子使用温度约为550等。,长时间的高温受力件必须考虑它们的高温力学性能,蠕变特性,(蠕变强度、蠕变速率),5.4.3 蠕 变,当温度T0.3T,m,时，金属材料在恒载荷(通常,s,)的持续作用下，应变随时间增加而增大，发生与时间相关的塑性变形。,蠕变在较低温度下也会发生，但只有当约比温度大于0.3时才比较显著，并且应变速率非常小(通常10E-3)。,很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空,10,1、蠕变曲线,发生蠕变时的应变与时间关系曲线称为蠕变曲线。,蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的,蠕变速率,根据蠕变速率的变化情况可以将蠕变过程分为三个阶段：,典型蠕变曲线,第一阶段（ab段）蠕变速率随时间而逐渐减小，称为,减速蠕变阶段,；,第二阶段（bc段）蠕变速率保持恒定，又称,恒速蠕变或稳态蠕变阶段,，,第三阶段（cd段）蠕变速率随时间延长急剧增大直至断裂，称为,加速蠕变阶段,减速蠕变阶段,瞬时应变,恒速蠕变阶段,加速蠕变阶段,加工硬化,加工硬化与回复软化相平衡,最小蠕变速率,空洞或裂纹形成,1、蠕变曲线 蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率,11,蠕变曲线各阶段持续时间的长短随材料和试验条件（,T,和,）而变化,应力和温度对蠕变曲线影响示意图,等温曲线（4321）,等压力曲线（T4T3T2T1）,同一种材料的蠕变曲线随着温度和应力的增高，蠕变第二阶段变短，直至完全消失，在高温下的服役寿命大大缩短。,蠕变曲线各阶段持续时间的长短随材料和试验条件,12,蠕变过程最重要的参数是稳态的蠕变速率，,蠕变寿命,和,总的伸长率,都取决于它。,可通过测定恒应力下的稳态蠕变速率与温度的关系求得Q,蠕变表征参量 稳态蠕变速率,实验测得的许多金属与陶瓷的稳态蠕变阶段激活能都与自扩散激活能非常接近，说明稳态蠕变过程是由扩散机制控制的，可看做应力作用下原子流的扩散。,Q：蠕变激活能,n：应力指数（对金属约为37）,由于面心立方,Fe的扩散系数只有,a,Fe的1/350，其蠕变速率也只有,a,Fe的1/200，因此高温合金多是以,Fe或面心立方金属为基的合金。,蠕变过程最重要的参数是稳态的蠕变速率，蠕变寿命和总的伸长率都,13,2,、蠕变机制,1）,位错蠕变,：滑移为变形方式之一，当滑移受阻，在高温（0.3Tm）下刃型位错可借助热激活攀移到邻近的滑移面上继续滑移。减速蠕变阶段主要是滑移引起的加工硬化和高温动态回复中,刃型位错的攀移,形成软化相博弈，两者相等时，就进入第二阶段，形成稳态蠕变。,2）,扩散蠕变,：在更高温（0.9Tm）且低应力下，或位错能动性差的情况下，主要通过,空位定向扩散,来进行软化,。,3）,晶界滑动蠕变,：高温下，晶界上的原子容易扩散，受力后易产生滑动，也促进了蠕变的进行,。,2、蠕变机制 1）位错蠕变：滑移为变形方式之一，当滑移受阻，,14,扩散蠕变,：,应力梯度引起的空位扩散流是扩散蠕变的主要机制,晶界受到拉力后，在垂直于拉力方向的晶界空位形成能较低，空位数目多，在平行于力轴方向的晶界空位形成能较高，空位数目少，其间的,空位浓度差使原子定向扩散,，从而产生晶体变形,。,扩散蠕变：晶界受到拉力后，在垂直于拉力方向的晶界空位形成能较,15,超塑性变形能极大地发挥变形材料的塑性潜力，大大降低变形抗力，有利于复杂零件的精确成形，对于难成形的合金材料，如钛合金、镁合金以及某些高合金钢等具有重要的意义。,某些金属材料在,特定条件下拉伸,时，可以使材料,在较低的流动应力下,，得到,延伸率高达500%2000%的均匀塑形变形,，而,不发生缩颈,，这种特性叫做,超塑性.,5.4.4 超塑性,不产生缩颈,和,获得高延伸率,是衡量材料超塑性的两项指标。,超塑性变形能极大地发挥变形材料的塑性潜力，大大降低变形抗力，,16,原始试样,拉伸试样,BiSn挤压材料在慢速拉伸下获得大的延伸率（1950）,原始试样拉伸试样BiSn挤压材料在慢速拉伸下获得大的延伸率,17,实现组织超塑性的条件：,（1）材料本身具有细小、等轴、稳定的复相组织,晶粒直径小于10um，一般在0.55.0m，由两相组成，第二相可阻碍晶粒长大，保证在热加工过程中晶粒不会显著长大,此类材料有共晶合金、共析合金和析出型合金,（2）在高温下变形,超塑性加工温度一般在（0.50.65）Tm,超塑性变形行为不同于动态回复和动态再结晶,（3）低的应变速率和高的应变速率敏感系数,超塑性的应变速率一般在10,-2,10,-4,mm/s，以保证晶界扩散得以顺利进行。,实现组织超塑性的条件：（1）材料本身具有细小、等轴、稳定的复,18,1,、超塑性的表征（力学性能指标）,应变速率敏感指数m,在应变量和温度T一定的条件下，真应力随应变速率变化的程度。,获得,高延伸率,和,不产生缩颈,是衡量材料超塑性的两项指标。用,应变速率敏感系数m,表示抗缩颈能力。,m：lg-lg,关系曲线的斜率,1、超塑性的表征（力学性能指标）应变速率敏感指数m,19,m越大，表示应力对应变速率越敏感，越有利于获得超塑性。,通常晶粒越细，m值越大，故获得微晶是组织超塑性的关键。,一般金属：0.01m0.04；超塑性合金：m0.5-0.9,共晶合金：通过热变形发生再结晶获得微晶组织；,共析合金或析出型合金：经热变形或淬火获得析出的微晶组织。,当试样要发生缩颈时，缩颈处的应变速率比均匀变形的应变速率大很多，如果具有高的m，导致该处的局部应力快速升高形成硬化，抑制缩颈的进一步形成，将变形传播到其他部位增大延伸率,m越大，表示应力对应变速率越敏感，越有利于获得超塑性。一般金,20,材料科学基础之热变形课件,21,经超塑性变形后的材料的组织结构具有以下特征：,I、超塑性变形时尽管变形量很大，但,晶粒,没有被拉长，仍,保持等轴状,。,II、超塑性变形,没有晶内滑移和位错密度的变化,，抛光试样表面也看不到滑移线。,III、超塑性变形过程中,晶粒有所长大,，且,形变量越大，应变速率越小，晶粒长大越明显,。,IV、超塑性变形时,产生晶粒换位,，使各晶粒,位向趋于混乱,无规排列，原来两相呈带状分布的合金，经超塑性变形后变为均匀分布。,、当用冷变形和再结晶的方法制取超细晶粒合金时，如果合金具有织构，则超塑性之后,织构消失,。,经超塑性变形后的材料的组织结构具有以下特征：,22,2,、超塑性的本质,晶界滑动、晶界扩散和晶粒转动,多数观点认为由晶界的滑动和晶粒旋转为主，伴有晶界原子的扩散性迁移所致。,试验证明超塑性中的,晶界滑动,不是简单的晶粒相对滑动，而是在晶界附近很薄的一层区域内发生了形变。由于形变在晶界附近产生很大的畸变，高温下首先回复而发生软化，使形变得以不断在这些区域进行而引起所谓的晶界滑动。,晶界滑动同时发生,晶界扩散,，以使晶粒保持联系而不致断开。晶界扩散与空位运动有关，在应力作用下，空位由垂直于应力的受拉晶界流向平行于应力的受压晶界，原子则反向迁移，从而造成拉伸方向的应变。,超塑变形通过晶界的滑动与扩散，造成,晶粒的换位,，并由此产生试样形状的宏观变化，这与普通塑变的变形量由每个晶粒的相应变形量所贡献而不同。,2、超塑性的本质晶界滑动、晶界扩散和晶粒转动多数观点认为,23,a.四个六边形等轴晶粒在应力作用下，发生晶界滑动,(d)(e),b.在应力作用下发生晶界滑动，同时依靠晶界扩散，保持联结,c.四个晶粒发生转动，形成新的组态，仍保持等轴晶粒,晶界滑动和扩散迁移作用下发生微晶超塑变形机制示意图,(a)(b)(c),晶粒转换机制的二维表示法,2000年卢柯：纳米金属材料在室温下具有超塑性,超塑性变形中，晶界滑动产生的应变在总应变中的贡献为 50%70%。,d、e.伴随定向扩散的晶界滑动机制，虚线箭头代表体扩散方向,a.四个六边形等轴晶粒在应力作用下，发生晶界滑动(d),24,（1）超塑性变形后合金仍保持均匀细小的等轴晶组织，不存在织构，所以不产生各向异性，且,具有较高的抗应变能力,。,（2）超塑性成形时，由于变形温度稳定、变形速度缓慢，所以零件内部不存在弹性畸变能，,变形后没有残余应力,。,（3）高铬高镍不锈钢经超塑性变形后，形成细微的双相混合组织，,具有很高的抗疲劳强度,。,超塑性对力学性能的影响,（1）超塑性变形后合金仍保持均匀细小的等轴晶组织，不存在织,25,超塑合金具有和高温聚合物和高温玻璃流动相似的特征；,可以采用塑料工业和玻璃工业的成型方法加工，如像吹玻璃那样吹制金属制品，像塑料那样压制精密件；,目前已在多种合金中实现了超塑性，但在实际生产中，由于生产效率等方面的原因，只有那些难于热变形、零件形状很复杂、又有重要用途的零部件才考虑采用超塑成型,超塑性成型,高温合金INCONEL718的超塑性成形航天器件,双相不锈钢超塑性成形的航天器件,超塑合金具有和高温聚合物