钢的恢复和再结晶现象(三)

作者:郦剑

室温冷变形加工使材料发生宏观塑性变形,从微观角度看材料内部生成高密度位错,剧烈的宏观塑性变形可以使位错密度达到约~1012/cm2数量级,位错缠结、亚晶界大量生成,晶粒破碎,材料内部自由能达到很高水平。从热力学观点看,冷变形材料因为自由能(表现为机械储能)高,具有减少位错等缺陷数量、降低自由能而转变为完整晶体的自发趋势。但是在室温条件下,晶格节点上的原子因热振动动能水平低,不足以克服晶格势垒发生迁移;对于位错而言,不能达到位错的激活能而被锁定,材料处于高能量亚稳定状态。通常把再结晶温度以下的塑性变形称为冷塑性变形,如冷轧、冷拉、冷挤、冷镦;再结晶温度以上的塑性变形称为热塑性变形,如热轧、热锻、热碾、热挤压等等。

随温度升高材料依温度贯序发生恢复、再结晶,温度继续升高(钢进入奥氏体状态)时,除了再结晶可以剧烈进行,如果同时进行塑性变形,还会发生另一种现象—动态恢复和再结晶过程。

动态恢复时应力-应变相互关系曲线见图1a,可见动态恢复时材料内应力水平不降低,不发生软化。本文主要介绍动态再结晶转变,因为与热塑性加工密切相关。动态再结晶是指金属在过程中发生的现象,塑性变形加工硬化与再结晶软化同时发生,实现某种应力-应变水平的动态平衡。与低温相比不同的是,动态再结晶要达到临界和在较高的变形温度下才能发生。与再结晶相似,动态再结晶也择尤在及;孕育所需的时间随温度升高而缩短。

发生动态再结晶的金属材料的应力-应变曲线具有图1b所示特征。在变形开始阶段,应力随变形的增加而增加,达到某一峰值时σm(对应的应变为εm) 后,由于发生动态再结晶,屈服应力下跌至某一恒定的σs值(曲线1),这时加工硬化与动态再结晶软化达到平衡。若在高的温度或低的变形速度下,加工硬化和动态再结晶软化效果交替产生,致使应力-应变曲线呈现出波浪形(曲线2)。由图2可见,二种动态再结晶软化结果均使材料内部应力水平下降,使得后续的塑性变形能够继续进行,成为热塑性变形的金属学理论基础。变形速度提高或变形温度下降皆使σm和εm增大,发生动态再结晶所需变形量也要增加,如通常的厚板热轧(变形速度大但道次压下量较小)时较难发生动态再结晶;而变形速度较小的大型水压机锻造、变形程度大的热挤压以及行星轧机轧制板材等,只要达到一定温度,动态再结晶就能顺利发生。

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材料原始细,就能在比较低的变形程度下发生动态再结晶。钢中C元素增多促进动态再结晶,Mn、Cu、Cr及Ni等元素有延缓作用,Se、Nb、V、Mo则抑制动态再结晶其中Nb的作用特别明显。

动态再结晶可以分成连续动态再结晶和非连续动态再结晶,与材料的本质属性有关,主要是的大小,即影响运动如交滑移易动性与否的因素。

传统的动态再结晶理论认为动态再结晶过程通过新和长大的特殊方式来消除基体中的位错及等形变缺陷,这一过程通过的迁移实现,是一种“不连续”的现象,因此传统的动态再结晶理论被称为“不连续动态再结晶理论”,一般认为该现象只能在低、中等层错能材料中发生。对于层错能较高的材料,如铝、工业纯铁等,在过程中亚持续吸收,角度不断增大,最终由转为大角度晶界,即由亚晶转变长大为一般晶粒。虽然这一过程几乎不涉及到大角度晶界的迁移,但亚晶界由小角度晶界转为大角度晶界同样消耗高密度的,并导致原始组织的细化,因此也认为是一种动态再结晶行为,并将这种动态再结晶称为“连续动态再结晶”。

动态再结晶在热塑性变形如热轧和热锻成型中有很重要的应用,例如热锻的终锻温度的制订必须考虑材料变形与再结晶的平衡,低于终锻温度继续变形,材料的加工硬化效果大于再结晶软化效果,工件的内应力加大,容易造成工件开裂。


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