材料的真应力-真应变曲线能够反映材料在热变形过程中的硬化和软化情况,通常把它当作判断动态再结晶发生与否的重要标准。一般金属在压缩时,典型热变形过程的真应力-真应变曲线如图4-1所示 [3,4] 。
图4-1 金属在热变形过程中的真应力-真应变曲线类型 [2]
金属材料热变形的真应力-真应变曲线按其特征可以分为4种类型:加工硬化型、动态回复型、动态再结晶型和周期动态再结晶型,分别简述如下:
(1)加工硬化型
图4-1(a)为典型的加工硬化型,它的流变应力曲线可分为3个阶段:①线性硬化阶段,位错密度迅速增加,金属内部畸变能增加。②位错缠结,形成胞状结构阶段,位错进一步重排,通过滑移,异号位错对消,通过位错攀移,发生多边形化过程,加工硬化率较第①阶段明显降低。③当变形温度较低时(<0.5 T m , T m 为熔点温度),通过螺位错的交滑移产生动态回复,此时流变应力曲线表现为线性上升的趋势。
(2)动态回复型
图4-1(b)为典型的动态回复型,也分为3个阶段。前两个阶段与加工硬化型相似,第三阶段当变形温度较高时(>0.5 T m ),刃位错的攀移能力大大增加,成为这一阶段的主要软化机制,此时,加工硬化与动态回复基本达到平衡,流变应力曲线的线性上升部分基本消失,应力趋向恒定值。
(3)动态再结晶型
图4-1(c)为典型的动态再结晶型,也分为3个阶段。第一阶段是加工硬化阶段,与动态回复型的相似。第二阶段当变形量达到临界值 ε c 后开始发生动态再结晶。达到峰值应变 ε p 后,大量的动态再结晶晶粒的软化作用使流变应力曲线快速下降。第三阶段变形晶粒的回复和再结晶晶粒的长大与加工硬化达到平衡,进入稳态阶段。
(4)周期动态再结晶型
图4-1(d)是周期性动态再结晶型,当变形量达到临界值 ε c 后,变形材料发生动态再结晶,而且材料经动态再结晶后,若晶粒变形量又达到 ε c ,则材料可以再次发生动态再结晶。假设基体再结晶分数达到63.2%时所需的时间是 t R ,在 t R 时间间隔内所发生的应变为 ε R ,如果 ε R ≫ ε c (例如当变形速率很大,变形温度较低或合金元素含量较高时可发生这种情况),此时,动态再结晶可以在达到下一个临界变形 ε c 之前充分完成,从而形成了周期性的再结晶。动态再结晶使流变应力下降,而动态再结晶完成之后的变形又造成加工硬化,使流变应力重新上升,由此产生了周期性的流变应力曲线。
一般认为动态再结晶开始于变形量达到峰值应变 ε p 的0.60~0.85时,而在此之前,仍然可能发生动态回复。因此,也可称之为“动态回复+动态再结晶”型的流变应力曲线。
由上述典型真应力-真应变曲线可以看出,真应力-真应变曲线可以分为三个阶段。
第一阶段,微变形阶段。在此阶段的应变很小,变形开始时,应力先随应变程度的增大而增大,并且应力的增加很快,并且,应力随应变的增加速率越来越小,加工硬化开始出现。
第二阶段,均匀变形阶段。此时,真实应力因加工硬化而增加,金属材料开始均匀塑性变形,即开始流动并发生硬化,随着加工硬化作用的加强,应力达到高峰后又随应变下降,最后达到稳定态,开始出现动态回复,曲线斜率逐渐下降,这是由于动态回复带来的软化效果抵消了部分加工硬化的作用,若软化作用继续加强,与加工硬化达到动态平衡时,曲线就进入第三个阶段——稳态流变阶段。
第三个阶段,稳态流变阶段。在此阶段可以实现持续形变,流变应力不再上升,而是保持平稳状态。由此可知,在峰值之前,加工硬化占主导地位,在金属中只发生部分动态再结晶,硬化作用大于软化作用;当应力达到极大值后,随着动态再结晶的加快,软化作用开始大于硬化作用,于是曲线下降;当由变形造成的硬化与再结晶所造成的软化达到平衡时,曲线进入稳定态阶段。对于一个给定的金属材料,曲线的应力随应变的变化状态会因为变形温度、应变速率的不同而有所不同。升高温度或者降低应变速率都会使应力值减小,并使曲线提前进入稳态流变阶段。