第八章--形變熱處理

1、中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院第八章 形變熱處理 8.1 8.1 熱變形時(shí)金屬的組織變化熱變形時(shí)金屬的組織變化 8.2 8.2 時(shí)效型合金的形變熱處理時(shí)效型合金的形變熱處理 8.3 8.3 馬氏體型合金的形變熱處理馬氏體型合金的形變熱處理中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院 概概 述：述：u將塑性變形的形變強(qiáng)化與熱處理時(shí)的相變強(qiáng)化結(jié)合，使成型工藝與最終性能統(tǒng)一起來。缺陷與相變相互作用！u在塑性變型中，合金內(nèi)部缺陷（以位錯(cuò)為主）增加，且晶體缺陷分布發(fā)生改變u若有相變，則相變與缺陷的相互影響，不是簡單的形變強(qiáng)化與相變強(qiáng)化的疊加，也不是任何變形與熱處理的

2、簡單組合u形變熱處理與常規(guī)熱處理相比，具有高密度位錯(cuò)和亞結(jié)構(gòu)（亞晶）u實(shí)質(zhì)：亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化Yield strength: 400600MPa or higher for some aluminum alloys!中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院An example: AA6061-Al-Mg-Si series Effect of thermomechanical treatment on alloy propertiesSPD methodH-T beforeSPDProcessing TemperatureYS/UTS(MPa)Elongation (%)ARB/3 p

3、assesFully annealedRT255/263-ARB/8 passesFully annealedRT-/3635ECAP/6 passesFully annealedRT280/-15ECAP/8 passesFully annealedRT-/3405WQ-ECAP/6 passes+LT agingWater quenched393K429/46417WQ-HRDSR/1 pass-LT agingWater quenched393K455/4897.4SPD: 強(qiáng)變形 ARB: 多道疊軋HRDSR: 高比值差分軋制中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院Di

4、fferent 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 HRDSR process. FC: furnace cooling;HRDSR: High-ration differential speed rolling;WQ: water quenching.Ys=455MPa, UTS=489MPaRef: W.J.

5、 Kim et al., Mater. Sci. Eng. A 520(2009),23-28.EBSD images中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院AA6061: (a) FC-HRDSR (as received), (b) WQ-HRDSR, (c) WQ-HRDSR-aging at 373K for 48hr, (d) WQ-HRDSR-aging at 373K for 48hr (RD-ND plane), (e) precipitates, and/or , (f) other particles! Ref: Mater. Sci. Eng. A 520

6、(2009), 23-28.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院8.1 8.1 熱變形時(shí)金屬的組織變化熱變形時(shí)金屬的組織變化變形速度、變形程度、溫度不斷變化；合金、變形方式、設(shè)備-應(yīng)力-應(yīng)變圖熱變形過程中與熱變形完成后的結(jié)構(gòu)變化 動(dòng)態(tài)回復(fù)：邊加工邊回復(fù) 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：加工與再結(jié)晶同時(shí)發(fā)生 靜態(tài)恢復(fù)與再結(jié)晶 亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：回復(fù)與再結(jié)晶過程（造成一定軟化）熱變形中組織變化復(fù)雜，不是單純?cè)俳Y(jié)晶：動(dòng)態(tài)的！熱變形對(duì)應(yīng)于位錯(cuò)可以攀移的溫度：0.5Tm中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院動(dòng)態(tài)回復(fù)動(dòng)態(tài)回復(fù)RTQdtdZZbaDexplg1熱變形時(shí)，回復(fù)機(jī)制：位錯(cuò)交滑移、攀

7、移。多次動(dòng)態(tài)多邊化，使位錯(cuò)密度恒定。位錯(cuò)密度急劇增加階段-加工硬化大。穩(wěn)定階段，即回復(fù)導(dǎo)致的消失與加工導(dǎo)致的增加平衡。在熱作用下，位錯(cuò)組合成亞晶即多邊化（亞晶等軸狀）。775OC測定的Zr-0.7Sn合金在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線（動(dòng)態(tài)回復(fù)）亞晶平均直徑D與溫度、變形速率的關(guān)系：可見：可見：變形溫度高、變形速率低，達(dá)到穩(wěn)定變形階段的應(yīng)力越小，位錯(cuò)密度越小，生成的亞晶越粗！775OC測定的Zr-0.7Sn合金在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線（動(dòng)態(tài)回復(fù)）775測定的Zr-0.7Sn合金在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線（動(dòng)態(tài)回復(fù)）中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院高層錯(cuò)能金屬熱

8、變形時(shí)易發(fā)生位錯(cuò)交滑移和攀移，即易發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，例：Al, alpha-Fe, Mo, W, Alpha-Zr, Be, Zn等，這些金屬即使大變形也難出現(xiàn)再結(jié)晶。添加低層錯(cuò)能原子將顯著阻礙動(dòng)態(tài)回復(fù)，有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。注意：注意：冷變形中也可能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，降低加工硬化系數(shù)，但難達(dá)到穩(wěn)定變形階段。冷變形時(shí)唯一的動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制是位錯(cuò)交滑移，位錯(cuò)消失速率小，不能抵消位錯(cuò)增殖，因而位錯(cuò)密度不斷增加。位錯(cuò)能攀移的溫度T=0.5Tm。熱變形溫度高于此。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院明顯波浪：硬化與軟化！先硬化再軟化；有平衡值。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)態(tài)再結(jié)晶層錯(cuò)能低的合金：Cu, Ni, g

9、ama-Fe, Ag, Au, Pb, Co等熱變形時(shí)易發(fā)生。變形速率小時(shí)，晶界弓出機(jī)制；速率大時(shí)亞晶長大。波浪線：波峰對(duì)應(yīng)再結(jié)晶開始，波谷對(duì)應(yīng)再結(jié)晶結(jié)束。 1100時(shí)0.25C鋼()不同應(yīng)變速率下 的應(yīng)力應(yīng)變曲線隨變形速率變化，曲線特征稍有變化：變形快時(shí)，應(yīng)力達(dá)到一定值后下降。繼續(xù)變形，流變應(yīng)力降至再結(jié)晶狀態(tài)與未再結(jié)晶狀態(tài)的中間值并逐漸穩(wěn)定。變形慢時(shí)則出現(xiàn)波浪變形段，周期大體相同，而振幅逐漸衰減！中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院熱變形時(shí)，變形與再結(jié)晶同時(shí)發(fā)生，即新晶粒形核長大的同時(shí)還要變形，因此再結(jié)晶完成時(shí)晶內(nèi)仍處于變形態(tài)，產(chǎn)生加工硬化。晶界兩側(cè)位錯(cuò)密度有差別，但不大

10、，晶界遷移慢。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后金屬內(nèi)部變形程度不均勻，流變應(yīng)力高。各晶粒內(nèi)亞結(jié)構(gòu)不均勻：再結(jié)晶新晶粒、回復(fù)、加工硬化態(tài)。晶界鋸齒、新晶粒出現(xiàn)在原始晶粒周圍、等軸（不同于動(dòng)態(tài)回復(fù)）溶質(zhì)原子和第二相的作用分析：層錯(cuò)能和晶界可動(dòng)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 recrys

11、tallization of alloys.中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院熱變形完成后的組織結(jié)構(gòu)變化熱變形完成后的組織結(jié)構(gòu)變化緩冷時(shí)：位錯(cuò)密度減小，軟化。該軟化包括：靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶、亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是已開始的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的繼續(xù)。熱變形后合金不斷冷卻，組織變化規(guī)律復(fù)雜。軟化的類型、動(dòng)力學(xué)特征、對(duì)產(chǎn)品組織性能的影響與熱變形中止的階段有關(guān)。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院回復(fù)靜態(tài)再結(jié)晶亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶變形強(qiáng)化階段，無靜態(tài)再結(jié)晶變形強(qiáng)化劇烈，足以引起靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)態(tài)再結(jié)晶階段但未穩(wěn)定，亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)態(tài)再結(jié)晶穩(wěn)定階段，無靜態(tài)再結(jié)晶對(duì)應(yīng)組織如何？對(duì)

12、應(yīng)組織如何？再結(jié)晶孕育期再結(jié)晶（軟化）與熱變形程度的關(guān)系再結(jié)晶（軟化）與熱變形程度的關(guān)系0.68%碳鋼以1.3x10-3S-1的速率變形在 780時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(a) 及該鋼變形后在780 保溫時(shí)間與軟化程度的關(guān)系(b) 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院變形程度C，靜態(tài)回復(fù)軟化；變形程度D，開始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的變形程度；S為穩(wěn)定變形階段的變形程度。OABFGH為軟化與應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院熱軋過程的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)再結(jié)晶示意圖工業(yè)生產(chǎn)中合金變形與軟化情況工業(yè)生產(chǎn)中合金變形與軟化情況若道次壓下量累積，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶！熱擠壓過

13、程的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)再結(jié)晶示意圖變形量大！若變形區(qū)僅有動(dòng)態(tài)回復(fù)，則擠壓后可能出現(xiàn)兩種情況。若擠壓時(shí)有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，則可出現(xiàn)亞動(dòng)態(tài)與靜態(tài)再結(jié)晶。層錯(cuò)能高層錯(cuò)能低中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院時(shí)效型合金形變熱處理工藝：低溫；高溫；綜合；預(yù)形變8.2 時(shí)效型合金的形變熱處理時(shí)效型合金的形變熱處理形變熱處理的分類：按溫度分高溫和低溫 按相變分時(shí)效性和馬氏體型時(shí)效型合金的形變熱處理多用于有色合金馬氏體轉(zhuǎn)變型的形變熱處理用于各種有馬氏體轉(zhuǎn)變的合金（鋼）中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院8.2.1 低溫形變熱處理低溫形變熱處理在時(shí)效前進(jìn)行冷變形。較高抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度

14、，但塑性較低。組織分析：組織分析： 冷變形引入位錯(cuò)，提高儲(chǔ)能，低溫時(shí)效時(shí)，基體回復(fù)，出現(xiàn)亞晶； （未冷變形的合金，則晶粒仍為淬火態(tài)的晶粒有可能保留再結(jié)晶） 彌散粒子有可能更彌散，多邊化又受到沉淀粒子的影響。性能分析：性能分析：能發(fā)生再結(jié)晶? Nomonic90低溫形變強(qiáng)化! 亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，強(qiáng)度較高； 缺陷密度增大，影響沉淀過程工藝：工藝：典型工藝（冷變形，多種形式，根據(jù)合金及性能要求而定） 特別工藝（溫變形動(dòng)態(tài)回復(fù)，提高形變熱處理后的組織穩(wěn)定性） 淬火預(yù)時(shí)效低溫變形人工時(shí)效。動(dòng)態(tài)回復(fù)劇烈，塑性？應(yīng)用：應(yīng)用：鋁、鎂、銅合金和鐵基奧氏體合金半成品與制品，2A12，2A11中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處

15、理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院8.2.2 高溫形變熱處理高溫形變熱處理高溫形變熱處理工藝淬火加熱與保溫；2. 壓力加工；3. 冷至變形溫度；4. 快冷；5. 重新淬火加熱短時(shí)保溫；6. 淬火加熱溫度范圍；7. 塑性區(qū)中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院熱變形后直接淬火并時(shí)效。利用變形熱固溶處理、淬火！三條件：三條件：熱變形后的組織未再結(jié)晶（無動(dòng)態(tài)再結(jié)晶）； 無靜態(tài)再結(jié)晶；固溶體過飽和。組織：組織：淬火亞結(jié)構(gòu)，晶粒碎化，晶界彎曲-塑性不降低； 時(shí)效中過飽和固溶體均勻分解，沉淀相沿亞晶界或 亞晶內(nèi)位錯(cuò)析出-強(qiáng)度提高；性能：性能：強(qiáng)度提高；塑性和韌性提高；晶界呈鋸齒狀，提高穩(wěn)定性。

16、實(shí)用性：實(shí)用性：淬火溫度范圍較寬的、過飽和固溶體穩(wěn)定性高的合金。 Al合金中只有Al-Mg-Si系和 Al-Zn-Mg系。 高溫形變熱處理+低溫形變熱處理中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院8.2.3 預(yù)形變熱處理預(yù)形變熱處理在淬火、時(shí)效前預(yù)先熱變形。實(shí)際上為兩道工藝（形變+熱處理）?？刂坪唵危m用于鋁合金半成品生產(chǎn)，2A12和6A04擠壓制品等在這種形變熱處理中，加工時(shí)熱變形程度常達(dá)到穩(wěn)定變形階段，可忽略變形程度的影響。由圖可知，要得到亞結(jié)構(gòu)，最好用擠壓或模壓。-擠壓效應(yīng)與組織強(qiáng)化效應(yīng)條件：熱變形中無動(dòng)態(tài)再結(jié)晶； 變形后無亞動(dòng)態(tài)或靜態(tài)再結(jié)晶； 固溶處理時(shí)亦無再結(jié)晶合金組織

17、狀態(tài)圖：變形程度、溫度、速度與組織的關(guān)系變形后即再結(jié)晶T/OC變形速度IIIIIIIVAABBCC變形后淬火無再結(jié)晶變形后淬火完全再結(jié)晶變形后淬火部分再結(jié)晶擠壓模壓軋制鍛造中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院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, equiaxed grains formed due to dy

18、namics 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 coherent.1523K for 1hr.Tt transusGas cool

19、ingHot compression=0.4, 0.9速率=1x10-31x10-1/ST=13231573K1123K for 1hr中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院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/H: Rapid heated 350

20、OC/s WR: Warm rolled (300OC) WQ: Water quenched中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院思考題：How to explain the curve of pure Cu?中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院8.3 8.3 馬氏體型合金的形變熱處理馬氏體型合金的形變熱處理20世紀(jì)50年代中期探索鋼的強(qiáng)韌化途徑。傳統(tǒng)的形變熱處理：傳統(tǒng)的形變熱處理： 亞穩(wěn)定奧氏體形變淬火（低溫） 穩(wěn)定性高但不發(fā)生再結(jié)晶的溫度變形，隨后淬火、低溫回火； 奧氏體位錯(cuò)結(jié)構(gòu)遺傳給馬氏體；晶粒細(xì)化。 高溫形變熱處理（穩(wěn)定奧氏體） 強(qiáng)度較低但塑性較

21、高； 消除回火脆性；提高裂紋擴(kuò)展抗力； 注意：變形程度不宜太大，否則易再結(jié)晶。奧氏體層錯(cuò)能低中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院鋼的低溫形變熱處理工藝在過冷A區(qū)變形，但無再結(jié)晶！合金鋼強(qiáng)度可達(dá)2800-3300MPa（相對(duì)普通的1800-2200MPa）-A中位錯(cuò)遺傳，M細(xì)小。劇烈強(qiáng)化的鋼斷裂韌性很可能降低，在結(jié)構(gòu)材料生產(chǎn)中應(yīng)與注意！中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院鋼的高溫形變熱處理工藝在A區(qū)變形后淬火，鋼強(qiáng)度與前者比稍低，可達(dá)2200-2600MPa, 但塑性較高。可消除回火脆性。M細(xì)小，亞晶多，減少應(yīng)力集中。A層錯(cuò)能低，易發(fā)生再結(jié)晶，特別是高溫形

22、變程度不宜過大，否則出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。總變形量必須大時(shí)，應(yīng)分次進(jìn)行變形。碳鋼和低碳鋼變形結(jié)束后應(yīng)立即淬火，防止靜態(tài)再結(jié)晶。有些鋼鐵材料的亞結(jié)構(gòu)可以多次遺傳！性能遺傳！如37CrNi3：950 變形25%-淬火100 回火，強(qiáng)度達(dá)2500MPa；500 x300min900 x2min淬火100 ，強(qiáng)度重新回到2500MPa。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院擴(kuò)散型相變前變形的形變熱處理工藝高溫形變A的珠光體化；2. 低溫形變A的珠光體化；3. 高溫形變A的貝氏體化；4. 低溫形變A的貝氏體化；5. 形變正火形變正火溫度控制！形變與擴(kuò)散性相變結(jié)合的形變熱處理：形變與擴(kuò)散性相變

23、結(jié)合的形變熱處理： 鋼中形變與珠光體、貝氏體等轉(zhuǎn)變相結(jié)合的形變熱處理。 相變前形變：形變等溫退火、貝氏體形變等溫淬火、形變正火等 相變中形變：獲得珠光體或貝氏體。韌性提高。中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院PB擴(kuò)散型相變與形變熱處理F細(xì)小；CM含量不高時(shí)，形變斷裂后可加速球化，彌散分布。這種P屈服強(qiáng)度更高、韌性更好！這種工藝相變過程中的形變熱處理可以作為鋼淬火前的預(yù)備處理。Question: To analyze the characteristics of the microstructures of 45# steel in each process? 中南大學(xué)中南大學(xué)金屬材料熱處理MSE_材料科學(xué)與工程學(xué)院預(yù)形變熱處理：預(yù)形變熱處理： 冷變形亞再結(jié)晶快速加熱+