[科普中国]-热变形

金属变形的一种，金属在再结晶温度以上的塑性变形。热变形时加工硬化与再结晶过程同时存在，而加工硬化又几乎同时被再结晶消除。

简介金属在再结晶温度以上的变形称为热变形（hot deformation），变形后，金属具有再结晶组织面无加工硬化现象。金属只有在热变形的情况下，才能以较小的功达到较大的变形，加工尺寸较大和形状比较复杂的工件，同时获得具有力学性能好的再结晶组织。但是，由于热变形是在高温下进行的，因而金属在加热过程中表面容易形成氧化层，而且产品的尺寸精度和表面品质较低，劳动条件较差，生产效率也较低。自由锻、热模锻、热轧、热挤压等工艺都属于热变形方法。

热变形机理金属的热变形机构有滑移变形、孪生变形、晶界滑移、扩散蠕变。在不同条件下，·这四种变形机构在塑性变形中所占的份量和起的作用不尽相同。其中，晶内的滑移变形是最重要和大量的常见的机构。孪生变形一般在低温或常温高速应变时发生，对六方晶体结构金属这种机理比较重要。而晶界滑移和扩散蠕变只在高温时才可能发挥作用。影响这些变形机理发挥作用的主要因素是金属材料的组织结构、变形温度。但是，在热变形时，出现的动态回复，动态再结晶以及在压应力状态下扩散修复机理，对上述变形机构起着直接的调节和控制作用。1

金属的热变形加工热变形加工与冷变形加工的区别这两种变形加工的分界线是再结晶温度。在再结晶温度之下进行的变形加工，变形的同时没有再结晶发生，这种变形加工称为冷变形加工。在变形的同时也进行着动态的再结晶，在变形后的冷却过程中，也继续发生再结晶，这种变形加工称为热变形加工。

这两种变形加工各有所长。冷变形加工可以达到较高精度和较低的表面粗糙度，井有加工硬化的效果。但是，变形抗力大，一次变形量有限。而热变形加工与此相反。热变形加工多用于形状较复杂的零件毛坯及大件毛坯的锻造和热轧钢锭成钢材等。而冷变形加工多用于截面尺寸较小，要求表面粗糙度值低的零件和坯料。2

金属的热变形加工对组织和性能的影响由于热变形加工在变形的同时伴随着动态再结晶，变形停止后在冷到室温的过程中继续有再结晶发生。所以热变形加工基本没有加工硬化现象。但是，金属的组织和性能也会发生很大变化，主要表现在：

（1）热变形加工可以焊合铸态金属中的气孔、显微裂纹等，从而提高材料的致密度和力学性能。

（2）热变形加工可以破坏掉铸态的大枝晶和柱状晶，并发生再结晶使晶粒细化，从而提高了材料的力学性能。

（3）热变形加工中可以使铸态金属的偏析和非金属夹杂沿着变形的方向拉长，形成所谓的“流线”，也称热变形加工的纤维组织。流线的存在使金属材料产生各向异性。沿流线方向的强度、塑性、韧性大于垂直流线的方向。

因此，一般情况下，以流线零件的形状分布为好。如图（a）所示，图中流线分布合理，承载能力大；图（b）中的流线分布不好，承载能力小。

只要热变形加工的工艺条件适当，热变形加工的工件力学性能要高于铸件。所以，受力复杂、负荷较大的重要工件一般都选用锻件，不用铸件。但是，热变形加工工艺参数不当，也会降低热变形加工工件的性能。例如，加热温度过高可能使热变形后的工件晶粒粗大、强度和塑性下降；若热变形加工停止的温度过低可能带来加工硬化、残余应力加大，甚至出现裂纹等问题。2

汽轮机热变形分析在启动、停机和带负荷过程中，由于加热和冷却速度不同所形成的温差，除了使汽缸和转子等产生热膨胀外，还会使汽轮机产生变形现象。3

热变形的规律从热膨胀原理知道，当金属部件温度均匀上升，沿长度方向的热膨胀也是均匀的。如果金属部件受热不均匀，两侧温度上升不一致，当上侧温度高于下侧时，金属部件上侧的膨胀量大于下侧的膨胀量，从而使金属部件向上弯曲，产生了热变形。热变形的规律是：温度高的一侧向外凸出，温度低的一侧向内凹进，即“热凸内凹”。

汽轮机的几种热变形1．上下缸温差引起的热变形

在汽轮机启动、停止过程中，上、下缸存在着温差，且上缸温度高于下缸温度，而使上缸变形大于下缸，引起气缸向上拱起，发生热翘曲变形，俗称猫拱背。这种变形使下缸底部径向间隙减小甚至消失，造成动静摩擦，同时还会使隔板和叶轮偏离正常时的垂直平面，使轴向发生摩擦。

引起上、下缸温差的主要因素：

（1）上、下缸具有不同的重量和散热面积。下缸布置有回热抽汽管道，不仅重量大，而且散热面积大，在同样的加热冷却条件下，下缸加热慢而散热快，所以上缸温度高于下缸温度。

（2）汽缸内蒸汽上升，凝结水流至侠缸，使下缸受热条件恶劣。

（3）当调节汽门开启的顺序不当造成部分进汽时，也会使上、下缸温度不匀。

（4）汽轮机启动中，汽缸疏水不畅；停机时有冷蒸气从抽汽管道返回汽缸，都会使汽缸温度下降。

（5）上、下缸保温不良。

2．汽缸、法兰内外壁温差引起的热变形

由于机械强度的需要，高压汽轮机法兰壁厚度比汽缸厚度大得多（约为4倍），因此启动时法兰内外壁出现较大的温差，当法兰内外壁温差过大时，将引起法兰水平方向和垂直方向的变形，变形量与汽缸、法兰内外壁温差成正比。

3．转子的热弯曲

转子弯曲有两种情况：一种是弹性弯曲，即转子径向存在温差时，引起弯曲，温差消失后转子即恢复原状；另一种是塑性弯曲，即转子径向出现较大温差时，引起较大弯曲，温差消失后，转子不能恢复原状。弹性弯曲往往是塑性弯曲的起因，因此运行中应均匀的加热或冷却，以减少弯曲，避免产生塑性弯曲。3

热变形的影响对于在再结晶温度以上，且再结晶的速度大于加工硬化速度的变形过程，即在变形过程中，由于完全再结晶的结果而全部消除加工硬化现象的变形过程称为热变形。这种变形过程不但能提高金属的塑性，降低变形抗力，同时，变形后可使金属获得等轴的再结晶显微组织。热变形通常发乍在（0.9～0.95）Tτ的温度范围内。

热加工变形可认为是加工硬化和再结晶两个过程的相砭重叠。在此过程中，由于再结晶能充分进行和靠三向压J砸力状态等冈素的作用，将对其金属性质有如下影响：

（1）改善铸造金属组织，增加密度，改善力学性能和降低化学成分的偏析与组织的不均匀性。热变形过程中，当金属内有降低其力学性能及塑性的铸造柱状组织时，经过变形使其破碎变细，并由再结晶形成新的等轴晶粒。若用三向压应力状态图示加工，还可以焊合铸锭内部气孔和未被沾污的裂纹。这样一来，增加了金属的密度，并改善了力学性能。在足够的变形程度和适当的温度及速度条件下，可以得到均匀的等轴晶粒组织，致使变形抗力指数及变性指数皆有提高。

（2）改善热变形金属的本身性质。热变形不仅能改善铸造组织及性质，同时还可以改善热变形物体本身的性质。这是由于在热变形过程中，扩散和再结晶可使其化学成分变得更加均匀，同时随着变形程度的增加，再结晶后的晶粒会变小，金属内的晶粒越小则力学性能越高。由此，只要掌握再结晶图，控制变形程度、变形过程与变形终了温度，使之获得均匀的所需一定大小晶粒的良好条件，则可保证产品的质量。但热变形不能改变由非金属夹杂物所造成的纤维组织。铸造金属在热加工变形中所形成的纤维组织与在冷加工变形中由于晶粒被拉长所形成的纤维组织不同，前者是由于铸造组织中晶界上非溶物质的拉长造成的。因为在铸造金属中存在有粗大的一次结晶的晶粒，在其边界上分布有非金属夹杂物的薄层。在变形过程中这些粗大的晶粒遭到破碎并在金属流动最大的
方向上拉长。与此同时，禽有非金属夹杂的晶问薄层在此方向上也拉成长形。当变形程度足够大时，这些夹杂可被拉成线条状。在变形过程中，由于完全再结晶结果，被拉长的晶粒可变成许多细小的等轴晶粒，而位于晶界和晶内的非溶物质却不能因再结晶而改变，仍处于拉长状态，形成纤维状组织。一般情况下，纤维方向只能用变形的方法来改变，由于压力加工的方式不同，这种纤维组织的方向也是不同的。轧制和拉拔时，纤维平行于延伸方向。4

热变形的组织与性能特征金属在低于再结晶温度变形时，将产生加工硬化，通常称为冷塑性变形，简称冷变形。在再结晶温度以上变形，则称为热变形。变形过程中产生的加工硬化被紧接的再结晶过程消除。因此热变形的结果不产生加工硬化痕迹。然而其变形过程与冷变形的机制相同。起初，原始晶粒沿变形方向拉长，原来分布在晶界上的杂质仍然分布在被拉长的晶粒的晶界上。发生再结晶时，拉长的晶粒转变成细小等轴品粒．由于这种转变只是原子的近程扩散、跃迁，因而杂质原子没有发生位置的变动，而被固定在原来被拉长的晶粒的晶界上。再结晶完毕后，冷变形纤维组织消除，但这些沿一定方向分布的杂质使金属呈现纤维形态，称为热变形纤维组织。这种纤维组织实质是杂质成分的流线分布，如图所示。材料的性能仍然具有方向性。与流线平行的方向拉伸强度和塑性好，而与流线垂直的方向，弯曲强度和剪切强度好。

热变形实际上并没有提高金属的强度和硬度．只是使金属的性能具有明显的方向性。故只有当零件某种载荷的方向与材料流线分布的方向一致时，才显示出材料性能的提高。1

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所