蠕变、超塑性变形在线视频

同学们

这节课我们学习金属的热变形

蠕变和超塑性

首先我们看一下什么是热变形

热变形也就是热加工

那么是指在再结晶温度以上的变形

热变形是指金属在应变硬化速率

等于其软化速率温度以上的变形

那么金属材料的热变形实质上是变形中

加工硬化与动态软化同时进行的过程

形变硬化为动态软化所抵消

因而呢不显示硬化作用

在热变形过程中动态软化

包括了动态回复和动态再结晶两种

热变形停止以后

高温下还会发生我们前面学习的

静态回复和静态再结晶

那么在金属学中

我们冷热加工的界限

是以再结晶温度来划分的

所以大家要注意

我们把低于再结晶温度的加工

称为冷加工

以把高于再结晶温度的加工

称为热加工

比如说铁

它的再结晶温度是451度

那么在400度以下的加工

我们都叫做冷加工

那比如说锡

它的再结晶温度仅有零下71度

那么我们把它在室温下的加工

就可以称为是热加工

热加工时候产生的加工硬化

很快的会被再结晶产生的软化所抵消

因而呢热加工不会带来加工硬化的效果

这是一些金属材料的冷热加工的

这样一些手段

那么动态回复的过程呢

它的应力-应变曲线

和冷变形的应力-应变曲线

我们可以看到有显著的不同

当变形温度一定的时候

应变速率越大

达到稳定的应力和应变也越大

当应变一定的时候

变形温度越高

达到稳定的应力和应变越小

那么在热变形开始的阶段

由于加工硬化的效果强

位错密度增加

在稳定阶段呢

由于加工硬化和软化达到平衡

位错增殖和消失平衡

位错密度基本恒定

在形变的初始阶段

加工硬化大于动态回复引起的软化

那么随着变形的进行

加工硬化率逐渐减小

直至与软化达到平衡

变形在近乎恒定的流变应力下继续进行

我们把这样一个阶段称之为稳定阶段

那么动态回复引起的软化过程

它是通过韧型位错的攀移

螺位错的交滑移

使得异号位错相互抵消

位错密度降低

动态回复中也会发生了多边形化

形成亚晶

那么亚晶在稳定阶段

保持着等轴状态或者是恒定尺寸

亚晶的尺寸受变形速率和变形温度的影响

变形速率越小

变形温度越高

生成的亚晶尺寸也越大

在动态回复的过程中

变形晶粒不发生再结晶

仍然是纤维状的

那么热变形后迅速冷却

可以保留伸长的晶粒和等轴亚晶的组织

在高温下长时间保留

就可以发生静态再结晶

动态回复的组织比再结晶组织的强度要高

那么在层错能较高的金属

比如说铝 铝合金 纯铁 铁素体钢等

热加工的时候容易发生动态回复

对于层错能较低的材料

比如说铜及铜合金

镍合金

奥氏体钢等

不发生位错的焦华谊

所以呢动态再结晶

就会成为动态软化的主要方式

那么在较低的应变速率

和较高的变形温度条件下

由于位错密度的增加

速率较小

动态再结晶以后

必须有进一步的加工硬化

才能再次积累位错密度发生再结晶

所以这个时候

动态再结晶和加工硬化交替进行

我们的应力-应变曲线会呈现波浪状

那么和再结晶的过程类似

动态再结晶也是通过形成新的大角度晶界

以及随后的

大角度晶界的移动方式来进行的

由于动态再结晶的晶核形成

以及晶粒长大期间

仍然同时受到变形的作用

那么使这样一个过程呢具有反复形核

有限生长的特点

动态再结晶得到的等轴状的晶粒组织

晶粒比较细小

晶粒的大小

取决于应变速率和变形温度

我们提高变形温度

降低应变速率

可以得到较大的等轴晶粒

晶粒内部由于继续承受着变形

有比较高的位错密度和位错缠结存在

所以动态再结晶的组织

比静态再结晶组织有更高的强度和硬度

那么热加工以后

对于金属组织和性能的影响

那么热加工可以使得铸态金属

和合金中的气孔焊合

使粗大的树枝晶或者是柱状晶破碎

从而使得组织致密

成分均匀

晶粒细化

从而使得整个材料的力学性能提高

那么热加工的铸态金属中的非金属夹杂

会沿着变形方向拉长

形成彼此平行的宏观条纹

我们叫做流线

那么这样一种流线呢

我们把它称为纤维组织

它会使得我们整个钢产生了各向异性

那么在制定加工工艺的时候

我们应该使得流线的分布合理

尽量与我们后续使用过程中的拉应力的

方向一致

那么在加工亚共析钢时会发现钢中的

这样一个铁素体和珠光体成带状的分布

我们把这样一种组织称为带状组织

这个带状组织和枝晶偏析

和我们沿着加工方向的拉长有关系

那么我们可以通过多次正火

或者扩散退火

消除这样一种带状组织

热加工的能量比较小

但是呢钢材表面容易氧化

所以一般用于截面尺寸大

变形量大

在室温下加工困难的工件

那么冷加工一般用于截面尺寸小

塑性好 尺寸精度以及表面光洁度

要求比较高的工件

那么热变形材料的机械性能

在很大程度上决定于材料的晶粒的大小

细晶粒材料具有很高的强韧性

因此我们要求热变形工艺

最终获得细小的晶粒

在热变形中应该控制终止温度

最终变形量和热变形后的冷却速度

比如采用低的变形终止温度

大的最终变形量和快的冷却速度

可以得到细小的晶粒

我们加入微量的合金元素

可以阻碍热变形后的静态再结晶

以及晶粒长大

那么也是一种细化晶粒的有效措施

那么接下来我们看一下什么是蠕变

那么材料在受持续应力的作用

而产生缓慢的塑性变形

我们把这样一种现象叫做蠕变

那么通过这样一个蠕变曲线

我们可以看到

那么蠕变可以分成三个阶段

第一个减速蠕变阶段

第二恒定蠕变阶段

三加速蠕变阶段

那么在低温下

低应力的条件下

实际上呢并不存在第三个加速蠕变阶段

而第二个稳恒定蠕变阶段的蠕变速率

接近于0

那么在高温或者高应力的情况下

主要是以第三个加速蠕变阶段为主

那么第二个阶段几乎不存在

材料的蠕变变形的微观机制

和材料内部的组织结构的变化

以及位错组态和行为是密切相关的

那么主要的蠕变机制大概有三种

第一位错滑移

高温蠕变的时候

滑移的特点

是随着温度的升高和变形速率的降低

滑移带变粗

间距变大

使得滑移带间距超过晶粒尺寸的时候

晶内不显示滑移带

而只显示出晶界的粗化

那么此外呢高温变形的时候

滑移系增多

更有利于产生多滑移和交滑移

这是位错滑移

那么第二个亚晶形成

蠕变变形由于晶内变形的不均匀

到一定程度的时候

原始晶粒可以被狭窄的形变带所分割

是晶粒碎化形成亚晶

那么同时呢由于位错的多边化

也可以形成亚晶

那么第三个是晶界形变

在高温蠕变的条件下

晶界强度降低

甚至会低于晶内强度

晶界残余变形

并对总变形量做出了很多贡献

最高呢可以达到40%到50%

那么晶界残余变形主要是通过晶界的滑动

和扩散性蠕变来实现的

对于某些材料

在特定的条件下进行拉伸的时候

还能够获得特别大的均匀的塑性变形

那么变形量

甚至可以达到500%到2000%

我们把这样一种性能称为超塑性

材料在一般的条件下是没有超塑性的

要使材料具有超塑性

必须具备一些条件

第一呢

材料必须有细小的等轴晶粒的两相组织

那么这样一个尺寸一般要小于10微米

大概一般在0.5到5微米

那么这样一种组织在超塑性变形过程中

能够保持稳定

而不显著增大

第二点

超塑性变形

应该在一定的较高的温度范围内进行

一般是0.5到0.6倍的熔点

那么第三点

超塑性变形时候的应变速率应该非常小

一般是10的-2次方

到10的-4次方每秒

应变速率的敏感常数比较大

满足这样一些条件的材料

就会表现出这样一种超塑性

那么材料超塑性变形以后

具有的组织特征有以下几点

一变形以后晶粒虽然有些长大

但是呢仍然为等轴晶

晶粒没有变形拉长

二事先经过抛光的表面

在超塑性变形以后

不会出现滑移带

没有亚结构的形成和位错密度的增加

三原来两相呈带状分布的合金

在塑性变形以后

可变为均匀分布

带状消失

那么四

具有再结晶织构的合金

在超塑性变形以后织构会消失

各晶粒位向趋于混乱

那么关于超塑性变形的主要机制

目前呢认为是晶界滑动和扩散性蠕变

当然还有一些例外机理也不完全清楚

比如说铁铝这样一个合金

粗晶粒具有超塑性

它的尺寸10~100微米

和我们前面说的小于10微米也是不一样的

那么镁合金高应变速率的时候也有超塑性

那么我们前面说一般的应变速率要比较低

这样一些特殊的情况

超塑性变形的机理还不是完全清楚

好

以上就是我们这节课的内容

谢谢大家