第八章形变热处理.ppt

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1、第八章 形变热处理,8.1 热变形时金属的组织变化 8.2 时效型合金的形变热处理 8.3 马氏体型合金的形变热处理,概 述： 将塑性变形的形变强化与热处理时的相变强化结合，使成型工艺与最终性能统一起来。缺陷与相变相互作用！ 在塑性变型中，合金内部缺陷（以位错为主）增加，且晶体缺陷分布发生改变 若有相变，则相变与缺陷的相互影响，不是简单的形变强化与相变强化的叠加，也不是任何变形与热处理的简单组合 形变热处理与常规热处理相比，具有高密度位错和亚结构（亚晶） 实质：亚结构强化,Yield strength: 400600MPa or higher for some aluminum alloys!

2、,An example: AA6061-Al-Mg-Si series Effect of thermomechanical treatment on alloy properties,SPD: 强变形 ARB: 多道叠轧 HRDSR: 高比值差分轧制,Different microstructures for AA6061 after different processes: 803K for 4hrWQ or FCHRDSR(-aging at 373K), with the roll surfaces was maintained at 413K through the whole HR

3、DSR process. FC: furnace cooling; HRDSR: High-ration differential speed rolling; WQ: water quenching. Ys=455MPa, UTS=489MPa Ref: W.J. Kim et al., Mater. Sci. Eng. A 520(2009),23-28.,EBSD images,AA6061: (a) FC-HRDSR (as received), (b) WQ-HRDSR, (c) WQ-HRDSR-aging at 373K for 48hr, (d) WQ-HRDSR-aging

4、at 373K for 48hr (RD-ND plane), (e) precipitates, and/or , (f) other particles! Ref: Mater. Sci. Eng. A 520(2009), 23-28.,8.1 热变形时金属的组织变化,变形速度、变形程度、温度不断变化； 合金、变形方式、设备-应力-应变图,热变形过程中与热变形完成后的结构变化 动态回复：边加工边回复 动态再结晶：加工与再结晶同时发生 静态恢复与再结晶 亚动态再结晶：,回复与再结晶过程（造成一定软化）,热变形中组织变化复杂，不是单纯再结晶：动态的！ 热变形对应于位错可以攀移的温度：0.5T

5、m,动态回复,热变形时，回复机制：位错交滑移、攀移。多次动态多边化，使位错密度恒定。,位错密度急剧增加阶段-加工硬化大。稳定阶段，即回复导致的消失与加工导致的增加平衡。在热作用下，位错组合成亚晶即多边化（亚晶等轴状）。,775OC测定的Zr-0.7Sn合金在不同应变速率下的应力应变曲线（动态回复）,亚晶平均直径D与温度、变形速率的关系：,可见：变形温度高、变形速率低，达到稳定变形阶段的应力越小，位错密度越小，生成的亚晶越粗！,775OC测定的Zr-0.7Sn合金在不同应变速率下的应力应变曲线（动态回复）,775测定的Zr-0.7Sn合金在不同应变速率下的应力应变曲线（动态回复）,高层错能金属热

6、变形时易发生位错交滑移和攀移，即易发生动态回复，例：Al, alpha-Fe, Mo, W, Alpha-Zr, Be, Zn等，这些金属即使大变形也难出现再结晶。添加低层错能原子将显著阻碍动态回复，有利于动态再结晶。,注意：冷变形中也可能产生动态回复，降低加工硬化系数，但难达到稳定变形阶段。冷变形时唯一的动态回复机制是位错交滑移，位错消失速率小，不能抵消位错增殖，因而位错密度不断增加。位错能攀移的温度T=0.5Tm。热变形温度高于此。,明显波浪：硬化与软化！,先硬化再软化；有平衡值。,动态再结晶,层错能低的合金：Cu, Ni, gama-Fe, Ag, Au, Pb, Co等热变形时易发生。

7、 变形速率小时，晶界弓出机制；速率大时亚晶长大。,波浪线：波峰对应再结晶开始，波谷对应再结晶结束。,随变形速率变化，曲线特征稍有变化：变形快时，应力达到一定值后下降。继续变形，流变应力降至再结晶状态与未再结晶状态的中间值并逐渐稳定。变形慢时则出现波浪变形段，周期大体相同，而振幅逐渐衰减！,热变形时，变形与再结晶同时发生，即新晶粒形核长大的同时还要变形，因此再结晶完成时晶内仍处于变形态，产生加工硬化。 晶界两侧位错密度有差别，但不大，晶界迁移慢。 动态再结晶后金属内部变形程度不均匀，流变应力高。 各晶粒内亚结构不均匀：再结晶新晶粒、回复、加工硬化态。 晶界锯齿、新晶粒出现在原始晶粒周围、等轴（不

8、同于动态回复） 溶质原子和第二相的作用分析：层错能和晶界可动性！,Question 1: How to determine the parameters for a deformation processing which makes the Al-base alloys dynamically recrystallize? Question 2: Analyze the factors which affect dynamic recrystallization of alloys.,热变形完成后的组织结构变化,缓冷时：位错密度减小，软化。该软化包括：静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶。 亚

9、动态再结晶是已开始的动态再结晶的继续。 热变形后合金不断冷却，组织变化规律复杂。软化的类型、动力学特征、对产品组织性能的影响与热变形中止的阶段有关。,回复,静态再结晶,亚动态再结晶,变形强化阶段，无静态再结晶 变形强化剧烈，足以引起静态再结晶 动态再结晶阶段但未稳定，亚动态再结晶 动态再结晶稳定阶段，无静态再结晶,再结晶孕育期,再结晶（软化）与热变形程度的关系,0.68%碳钢以1.3x10-3S-1的速率变形在 780时的应力应变曲线(a) 及该钢变形后在780 保温时间与软化程度的关系(b),变形程度C，静态回复软化；变形程度D，开始出现动态再结晶的变形程度；S为稳定变形阶段的变形程度。OA

10、BFGH为软化与应变的对应关系。,热轧过程的动态与静态再结晶示意图,工业生产中合金变形与软化情况,若道次压下量累积，可产生动态再结晶！,热挤压过程的动态与静态再结晶示意图,变形量大！若变形区仅有动态回复，则挤压后可能出现两种情况。若挤压时有动态再结晶，则可出现亚动态与静态再结晶。,层错能高,层错能低,时效型合金形变热处理工艺：低温；高温；综合；预形变,8.2 时效型合金的形变热处理,形变热处理的分类：按温度分高温和低温 按相变分时效性和马氏体型,时效型合金的形变热处理多用于有色合金 马氏体转变型的形变热处理用于各种有马氏体转变的合金（钢）,8.2.1 低温形变热处理,在时效前进行冷变形。较高抗

11、拉强度和屈服强度，但塑性较低。,组织分析： 冷变形引入位错，提高储能，低温时效时，基体回复，出现亚晶； （未冷变形的合金，则晶粒仍为淬火态的晶粒有可能保留再结晶） 弥散粒子有可能更弥散，多边化又受到沉淀粒子的影响。,性能分析：能发生再结晶? Nomonic90低温形变强化! 亚结构强化，强度较高； 缺陷密度增大，影响沉淀过程,工艺：典型工艺（冷变形，多种形式，根据合金及性能要求而定） 特别工艺（温变形动态回复，提高形变热处理后的组织稳定性） 淬火预时效低温变形人工时效。动态回复剧烈，塑性？,应用：铝、镁、铜合金和铁基奥氏体合金半成品与制品，2A12，2A11,8.2.2 高温形变热处理,热变形

12、后直接淬火并时效。利用变形热固溶处理、淬火！,三条件：热变形后的组织未再结晶（无动态再结晶）； 无静态再结晶；固溶体过饱和。,组织：淬火亚结构，晶粒碎化，晶界弯曲-塑性不降低； 时效中过饱和固溶体均匀分解，沉淀相沿亚晶界或 亚晶内位错析出-强度提高；,性能：强度提高；塑性和韧性提高；晶界呈锯齿状，提高稳定性。,实用性：淬火温度范围较宽的、过饱和固溶体稳定性高的合金。 Al合金中只有Al-Mg-Si系和 Al-Zn-Mg系。 高温形变热处理+低温形变热处理,8.2.3 预形变热处理,在淬火、时效前预先热变形。实际上为两道工艺（形变+热处理）。 控制简单，适用于铝合金半成品生产，2A12和6A04

13、挤压制品等,在这种形变热处理中，加工时热变形程度常达到稳定变形阶段，可忽略变形程度的影响。由图可知，要得到亚结构，最好用挤压或模压。 -挤压效应与组织强化效应,条件：热变形中无动态再结晶； 变形后无亚动态或静态再结晶； 固溶处理时亦无再结晶,合金组织状态图：变形程度、温度、速度与组织的关系,Example: 2 phase / Ni-base alloys: Ni-36%Al and Ni-38%Al,Hot-compressed in the region and subsequently annealed in the / region. 2. After hot deformation,

14、 equiaxed grains formed due to dynamics recrystallization. Strong fiber texture parallel to the compressive axis developed in phase. After annealing, transformed from , resulting fiber texture. Film-shaped preferentially often precipitate along the grain boundaries. / boundaries are partially cohere

15、nt.,1523K for 1hr.,T,t, transus,Gas cooling,Hot compression =0.4, 0.9 速率=1x10-31x10-1/S T=13231573K,1123K for 1hr,Time (hr),Schematic thermomechanical treatment for AA5754 alloy (Al-Mg-Mn).,AC: As-cast Ann: Annealed A/C: Air cooled 90OC/min A/H: Air heated 50OC/hr CR: Cold rolled Hom: Homogenized R/

16、H: Rapid heated 350OC/s WR: Warm rolled (300OC) WQ: Water quenched,思考题： How to explain the curve of pure Cu?,8.3 马氏体型合金的形变热处理,20世纪50年代中期探索钢的强韧化途径。,传统的形变热处理： 亚稳定奥氏体形变淬火（低温） 稳定性高但不发生再结晶的温度变形，随后淬火、低温回火； 奥氏体位错结构遗传给马氏体；晶粒细化。 高温形变热处理（稳定奥氏体） 强度较低但塑性较高； 消除回火脆性；提高裂纹扩展抗力； 注意：变形程度不宜太大，否则易再结晶。奥氏体层错能低,钢的低温形变热处理工

17、艺,在过冷A区变形，但无再结晶！合金钢强度可达2800-3300MPa（相对普通的1800-2200MPa）-A中位错遗传，M细小。 剧烈强化的钢断裂韧性很可能降低，在结构材料生产中应与注意！,在A区变形后淬火，钢强度与前者比稍低，可达2200-2600MPa, 但塑性较高。可消除回火脆性。M细小，亚晶多，减少应力集中。 A层错能低，易发生再结晶，特别是高温形变程度不宜过大，否则出现动态再结晶。总变形量必须大时，应分次进行变形。,碳钢和低碳钢变形结束后应立即淬火，防止静态再结晶。 有些钢铁材料的亚结构可以多次遗传！性能遗传！如37CrNi3：950 变形25%-淬火100 回火，强度达2500

18、MPa；500 x300min900 x2min淬火100 ，强度重新回到2500MPa。,扩散型相变前变形的形变热处理工艺 高温形变A的珠光体化；2. 低温形变A的珠光体化； 3. 高温形变A的贝氏体化；4. 低温形变A的贝氏体化；5. 形变正火,形变正火温度控制！,形变与扩散性相变结合的形变热处理： 钢中形变与珠光体、贝氏体等转变相结合的形变热处理。 相变前形变：形变等温退火、贝氏体形变等温淬火、形变正火等 相变中形变：获得珠光体或贝氏体。韧性提高。,F细小； CM含量不高时，形变断裂后可加速球化，弥散分布。 这种P屈服强度更高、韧性更好！,这种工艺相变过程中的形变热处理可以作为钢淬火前的

19、预备处理。,Question: To analyze the characteristics of the microstructures of 45# steel in each process?,预形变热处理： 冷变形亚再结晶快速加热+短时保温淬火回火。,Question: To analyze the characteristics of the microstructures of T12 steel in every kind of thermomechanical process.,虽然强化机制与高温形变强化机制相同，但预形变热处理工艺中的亚组织更稳定！ 对于钢铁，变形前可为淬火M

20、，也可能为P，但亚结构遗传是相似的。 操作简单，要求不严,钢材形变热处理工艺控制,尽可能降低加热温度，变形前得到细小的原始奥氏体晶粒； 优化中间道次的轧制规程，反复再结晶细化奥氏体晶粒； 在奥氏体再结晶温度以下，使奥氏体终轧变形，拉长A晶粒， 增加A表面积； 在奥氏体相变区的冷速加大，增大铁素体的形核率；或得到 细小的下贝氏体。,Question: To design a process to fabricate a 45# steel part with strength as high as possible. Reasoning is required!,结构钢的平衡组织为F+P，细化显微组织是提高强度并改善韧性的唯一方法-形变热处理！,形变对过冷A晶界析出F的影响,无形变,过冷晶界,退火孪晶界,过冷晶界及形变带,F/A界,形变后期细化F,09CuPTiRENb steel quenched after deformed at 1053K with strain rate of 15s-1.,=0.16,=1.2,=0.69,=0.36,形变诱导铁素体相变,控制轧制和控制冷却影响A/F相变模式,