【金屬學(xué)】+第九章課件

Chapter9Recovery,recrystallizationandhot-workofmetals冷變形后材料經(jīng)重新加熱進行退火之后，其組織和性能會發(fā)生變化。觀察在不同加熱溫度下變化的特點可將退火過程分為回復(fù)(recovery)、再結(jié)晶(recrystallization)和晶粒長大三個階段?；貜?fù)是指新的無畸變晶粒出現(xiàn)之前所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和性能變化的階段；再結(jié)晶是指出現(xiàn)無畸變的等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程；晶粒長大是指再結(jié)晶結(jié)束之后晶粒的繼續(xù)長大。上圖為冷變形金屬在退火過程中顯微組織的變化。由圖可見，在回復(fù)階段，由于不發(fā)生大角度晶界的遷移，所以晶粒的形狀和大小與變形態(tài)的相同，仍保持著纖維狀或扁平狀，從光學(xué)顯微組織上幾乎看不出變化。在再結(jié)晶階段，首先是在畸變度大的區(qū)域產(chǎn)生新的無畸變晶粒的核心，然后逐漸消耗周圍的變形基體而長大，直到形變組織完全改組為新的、無畸變的細等軸晶粒為止。最后，在晶界表面能的驅(qū)動下，新晶?；ハ嗤淌扯L大，從而得到一個在該條件下較為穩(wěn)定的尺寸，稱為晶粒長大階段

(1)強度與硬度：回復(fù)階段的硬度變化很小，約占總變化的1/5，而再結(jié)晶階段則下降較多。強度具有與硬度相似的變化規(guī)律。上述情況主要與金屬中的位錯機制有關(guān)，即回復(fù)階段時，變形金屬仍保持很高的位錯密度，而發(fā)生再結(jié)晶后，則由于位錯密度顯著降低，故強度與硬度明顯下降。

(2)電阻：變形金屬的電阻在回復(fù)階段已表現(xiàn)明顯的下降趨勢。因為電阻率與晶體點陣中的點缺陷(如空位、間隙原子等)密切相關(guān)。點缺陷所引起的點陣畸變會使傳導(dǎo)電子產(chǎn)生散射，提高電阻率。它的散射作用比位錯所引起的更為強烈。因此，在回復(fù)階段電阻率的明顯下降就標志著在此階段點缺陷濃度有明顯的減小。

(3)內(nèi)應(yīng)力：在回復(fù)階段，大部或全部的宏觀內(nèi)應(yīng)力可以消除，而微觀內(nèi)應(yīng)力則只有通過再結(jié)晶方可消除。(4)亞晶粒尺寸：在回復(fù)的前期，亞晶粒尺寸變化不大，但在后期，尤其在接近再結(jié)晶時，亞晶粒尺寸就顯著增大。(5)密度：變形金屬的密度在再結(jié)晶階段發(fā)生急劇增高，顯然除與前期點缺陷數(shù)目減小有關(guān)外，主要是在再結(jié)晶階段中位錯密度顯著降低所致。

(6)儲能的釋放：當冷變形金屬加熱到足以引起應(yīng)力松弛的溫度時，儲能就被釋放出來。回復(fù)階段時各材料釋放的儲存能雖均較小，再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)的溫度對應(yīng)于儲能釋放曲線的高峰處。9.1回復(fù)1.回復(fù)的作用例子：季裂黃銅在氨氣氛下的應(yīng)力腐蝕破裂260度下進行去應(yīng)力退火可解決季裂問題強度硬度不變2.回復(fù)動力學(xué)動力學(xué)曲線表明，回復(fù)是一個弛豫過程。其特點為：1）沒有孕育期；2）在一定溫度時，初期的回復(fù)速率很大，隨后即逐漸變慢，直到趨近于零；3）每一溫度的回復(fù)程度有一極限值，退火溫度愈高，這個極限值也愈高，而達到此一極限值所需時間則愈短；4）預(yù)變形量愈大，起始的回復(fù)速率也愈快；晶粒尺寸減小也有利于回復(fù)過程的加快。3.回復(fù)的機制回復(fù)的機制因加熱溫度的不同而不同。低溫回復(fù)中溫回復(fù)高溫回復(fù)低溫回復(fù)(約<0.2Tm)低溫時，回復(fù)主要與點缺陷的遷移有關(guān)。冷變形時產(chǎn)生的大量點缺陷——空位和間隙原子，點缺陷運動所需的熱激活較低，因而可在較低溫度就可進行。對點缺陷很敏感的電阻率此時也明顯下降。但是力學(xué)性能對點缺陷不敏感，因此低溫回復(fù)時力學(xué)性能不會有顯著改變。四種可能的機制：空位遷移到金屬的自由表面或界面處消失；空位與塑性變形所產(chǎn)生的間隙原子重新結(jié)合而消失；空位與位錯發(fā)生交互作用而消失；空位聚集成空位片然后崩塌成位錯環(huán)而消失。中溫回復(fù)(約0.2-0.35Tm)加熱溫度稍高時，會發(fā)生位錯運動和重新分布。中溫回復(fù)的機制主要與位錯的滑移有關(guān)：同一滑移面上異號位錯可以相互吸引而抵消；位錯偶極子的兩根位錯線相消等等。高溫回復(fù)高溫(約>0.35Tm)時，刃型位錯可獲得足夠能量產(chǎn)生攀移。攀移和滑移的存在會產(chǎn)生兩個重要的后果：1)使滑移面上不規(guī)則的位錯重新分布，刃型位錯垂直排列成墻，這種分布可顯著降低位錯的彈性畸變能，因此，可看到對應(yīng)于此溫度范圍，有較大的應(yīng)變能釋放。（同號正刃型位錯在同一滑移面塞積，滑移面上部受壓縮，下部受伸張，應(yīng)變能是疊加的，而如果同號正刃型位錯沿滑移面法線方向重疊排列時，上面的正刃型位錯的張應(yīng)變場與和它相鄰的下面的正刃型位錯的壓應(yīng)變場相互疊加，因而部分抵消）2)沿垂直于滑移面方向排列并具有一定取向差的位錯墻形成了亞晶界。由此產(chǎn)生亞晶（subgrain），即多邊結(jié)構(gòu)。同號刃型位錯沿垂直于滑移面方向排列成小角度晶界的過程稱為多邊化（polygonization）4.回復(fù)后組織結(jié)構(gòu)變化多邊形化亞晶的形成亞晶的長大多邊形化亞晶形成亞晶的粗化與長大亞晶形成后，材料仍然保留有較大的儲存能，亞晶將會進一步長大以減少小角度界面面積來降低儲存能，使得從些較大的亞晶吞并小的亞晶而長大。若在整個樣品中亞晶均勻長大、粗化。無論亞晶長到多大尺寸，都屬于回復(fù)階段；若亞晶長大伴隨大角晶界的遷移，則已是再結(jié)晶形核階段：5.回復(fù)后性能的變化從回復(fù)機制可以理解，回復(fù)過程中電阻率的明顯下降主要是內(nèi)于過量空位的減少和位錯應(yīng)變能的降低；內(nèi)應(yīng)力的降低主要是由于晶體內(nèi)彈性應(yīng)變的基本消除；硬度及強度下降不多則是由于位錯密度下降不多，亞晶還較細小之故。據(jù)此，回復(fù)退火主要是用作去應(yīng)力退火，使冷加工的金屬在基本上保持加工硬化狀態(tài)的條件下降低其內(nèi)應(yīng)力，以避免變形并改善工件的耐蝕性。9.2再結(jié)晶

1.再結(jié)晶現(xiàn)象冷變形后的金屬加熱到一定溫度之后，在原變形組織中重新產(chǎn)生了無畸變的新晶粒，而性能也發(fā)生了明顯的變化并恢復(fù)到變形前的狀況，這個過程稱之為再結(jié)晶（recrystallization）。因此，與前述回復(fù)的變化不同，再結(jié)晶是一個顯微組織重新改組的過程。再結(jié)晶的驅(qū)動力是變形金屬經(jīng)回復(fù)后未被釋放的儲存能(相當于變形總儲能的90％)，通過再結(jié)晶退火可以消除冷加工的影響，故在實際生產(chǎn)中起著重要作用。再結(jié)晶是通過形核和長大來消除形變和回復(fù)基體的過程。再結(jié)晶是一個形核和長大的過程，這與一般的相變相似。但是，因為相變與再結(jié)晶這兩個過程的驅(qū)動力根本不同，所以它們的本質(zhì)是不相同的。相變的驅(qū)動力是形成的新相和母相之間的摩爾吉布斯自由能差，即驅(qū)動力來自系統(tǒng)的化學(xué)自由能差異，而再結(jié)晶的驅(qū)動力則是形變金屬和合金的機械儲存能。由此看出，相變過程必有一個臨界溫度，只有達到或越過這個臨界溫度才會有相變驅(qū)動力，即達到或越過這個溫度才能發(fā)生相變。所以，這個臨界溫度是熱力學(xué)意義的溫度。對于形變的金屬和合金，從它經(jīng)受形變的一瞬間開始，就獲得儲存能，也即是說它立刻就具有回復(fù)和再結(jié)晶的熱力學(xué)條件，原則上就可以發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，溫度不同，只是過程的速率不同。所以，再結(jié)晶并沒有一個熱力學(xué)意義的明確的臨界溫度。再結(jié)晶的一些基本規(guī)律需要超過某個最小的形變量才能發(fā)生再結(jié)晶，這個最小的形變量稱臨界形變程度(criticaldeformationdegree)。再結(jié)晶溫度隨形變量增加而降低，但當形變量大到—定程度后，再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值。再結(jié)晶剛完成時的晶粒尺寸主要取決于形變量，而和退火溫度關(guān)系不大。形變量越大，再結(jié)晶剛完成的晶粒尺寸越小，在相同的形變量下，若給定退火時間，則晶粒尺寸隨退火溫度增加而增加，這是再結(jié)晶后晶粒長大的結(jié)果。原始晶粒尺寸越大，要獲得相同的再結(jié)晶溫度的形變量越大。形變溫度越高，要獲得相同程度的應(yīng)變硬化所需的形變量越大。這也意味著在一定的形變量下，形變溫度越高．使以后再結(jié)晶溫度越高，再結(jié)晶后的晶粒尺寸越大。再結(jié)晶完成后繼續(xù)加熱，晶粒尺寸增大。（1）形核機制

(a)晶界弓出形核。對于變形程度較小(一般小于20％)的金屬，其再結(jié)晶核心多以晶界弓出方式形成，即應(yīng)變誘導(dǎo)晶界移動或稱為凸出形核機制。

當變形度較小時，各晶粒之間將由于變形不均勻性而引起位錯密度不同。如圖5．49所示，A，B兩相鄰晶粒中，若B晶粒因變形度較大而具有較高的位錯密度時，則經(jīng)多邊化后，其中所形成亞晶尺寸也相對較為細小。于是，為了降低系統(tǒng)的自由能，在一定溫度條件下，晶界處A晶粒的某些亞晶格開始通過晶界弓出遷移而凸入B晶粒中，以吞食B晶粒中亞晶的方式開始形成無畸變的再結(jié)晶晶核。2.再結(jié)晶過程中的形核與長大許多事實證實，回復(fù)階段發(fā)生的多邊化形成亞晶是再結(jié)晶形核的準備階段。(b)亞晶形核。此機制一般是在大的變形度下發(fā)生。當變形度較大時，晶體中位錯不斷增殖，由位錯纏結(jié)組成的胞狀結(jié)構(gòu)，將在加熱過程中容易發(fā)生胞壁平直化，并形成亞晶。借助亞晶作為再結(jié)晶的核心，其形核機制又可分為以下兩種：顯然，亞晶無論以上述哪種機制生長，包圍它的一部分亞晶界的位向差必然越來越大，最后構(gòu)成大角度晶界。(2)長大再結(jié)晶晶核形成之后，它就借界面的移動而向周圍畸變區(qū)域長大。界面遷移的推動力是無畸變的新晶粒本身與周圍畸變的母體(即舊晶拉)之間的應(yīng)變能差，晶界總是背離其曲率中心，向著畸變區(qū)域推進，直到全部形成無畸變的等軸晶粒為止，再結(jié)晶即告完成。3.再結(jié)晶過程動力學(xué)由下圖可知，等溫再結(jié)晶速度開始時很小，隨著再結(jié)晶百分數(shù)增加而增加，在50%左右最大，然后又逐漸減小，具有典型的形核——長大的動力學(xué)特征。同時該圖表明，再結(jié)晶過程存在著一個孕育期，這是與回復(fù)動力學(xué)不同的地方。等溫過程的再結(jié)晶動力學(xué)可以用阿弗萊米（Avrami）方程來描述。式中，φR為在t時間已經(jīng)再結(jié)晶的體積分數(shù)，B和k為常數(shù)。再結(jié)晶速率與產(chǎn)生某一體積分數(shù)的時間成反比，于是：金屬的再結(jié)晶過程同時也是一個熱激活過程，因此再結(jié)晶速度與溫度之間的關(guān)系可以用阿累尼烏斯方程描述：4.再結(jié)晶溫度及其影響因素再結(jié)晶并沒有一個熱力學(xué)意義的明確臨界溫度。為了比較各種材料的再結(jié)晶過程，人為定義了一個再結(jié)晶溫度（recrystallizationtemperature）。再結(jié)晶溫度有兩種定義：一是在一定時間內(nèi)剛好完成再結(jié)晶的溫度。顯然，完成再結(jié)晶的時間越長，再結(jié)晶溫度就越低。另一個是連續(xù)升溫過程中開始發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度。所以，所謂的再結(jié)晶溫度是一個動力學(xué)意義的溫度。在實驗室可用金相法或硬度法測定，即以顯微鏡中出現(xiàn)第一顆新晶粒時的溫度或以硬度下降50％所對應(yīng)的溫度，定為再結(jié)晶溫度。在工業(yè)上，通常規(guī)定大變形金屬（70%）在1h內(nèi)剛好完成(常用完成95％或98％)再結(jié)晶的溫度為再結(jié)晶溫度。再結(jié)晶溫度并不是一個物理常數(shù)，它不僅隨材料而改變，同一材料其冷變形程度、原始晶粒度等因素也影響著再結(jié)晶溫度。5.再結(jié)晶后晶粒大小及其影響因素

9.3graingrowthWhenprimaryrecrystallizationiscomplete(i.e.whenthegrowingcrystalshaveconsumedallthestrainedmaterial)thematerialcanloweritsenergyfurtherbyreducingitstotalareaofgrainsurface.Withextensiveannealingitisoftenfoundthatgrainboundariesstraighten,smallgrainsshrinkandlargeronesgrow.Thegeneralphenomenonisknownasgraingrowth,andthemostimportantfactorgoverningtheprocessisthesurfacetensionofthegrainboundaries.再結(jié)晶完成以后，雖然形變儲存能已完全釋放，但材料仍未達到最穩(wěn)定狀態(tài)。因為組織中含有晶界，為了減少總的界面能，晶粒力求長大,晶粒長大的驅(qū)動力是總界面能的減少。晶粒長大是通過晶界的移動來實現(xiàn)的，晶界移動服從以下兩個基本規(guī)律：彎曲的晶界向其曲率中心方向移動。三個或三個以上的晶界交匯處的界面角的變化是趨向于是作用在各晶界的表面張力在交匯點達到平衡的狀態(tài)。二維條件的平衡狀態(tài)時，三個晶粒在交匯處各晶界的表面張力和晶界角之間存在著如下平衡關(guān)系：TA/sinA=TB/sinB=Tc/sinC再結(jié)晶以后的晶界是大角度晶界，其表面張力與兩側(cè)晶粒取向無關(guān)，因此TA=TB=Tc，故在平衡時A=B=C=120°。正六邊形的晶粒具有最穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣的晶粒在加熱時不會發(fā)生晶界移動。。而在三維情況下，通常是四個晶界面交匯于一點，多晶體平衡狀態(tài)時最穩(wěn)定的形狀是十四面體。設(shè)想一個雙晶體含有A，B兩個晶粒，其中B為存在于A晶粒內(nèi)部的一個半徑為R的球形晶粒。此雙晶體在長時間加熱時球面晶界會逐漸縮?。ㄟw移方向為曲率中心方向），以降低其總晶界能，這樣B晶粒在加熱過程中會逐漸縮小而消失，A晶粒長大。晶粒長大可分為兩類，即正常晶粒長大(NormalGrainGrowth，或稱連續(xù)的晶粒長大)和異常晶粒長大(AbnormalGrainGrowth，或稱不連續(xù)晶粒長大)，后者也稱為二次再結(jié)晶(SecondaryRecrystallization)。通常，相對于二次再結(jié)晶這一名詞，把前面討論的再結(jié)晶稱為一次再結(jié)晶。

9.3.1Normalgraingrowth晶粒長大過程中，如果長大的晶粒數(shù)很多，并且在金屬中均勻分布，那么晶粒長大過程中晶粒的尺寸是比較均勻的，晶粒平均尺寸也是連續(xù)增大的，這種晶粒長大稱為正常晶粒長大。

Followingfigureshowsanidealizedgrainintwodimensionssurroundedbyothersofuniformsize,anditcanbeseenthattheequilibriumgrainshapetakestheformofapolygonofsixsideswith120°inclusiveangles.Allpolygonswitheithermoreorlessthanthisnumberofsidescannotbeinequilibrium.Athightemperatureswheretheatomsaremobile,agrainwithfewersideswilltendtobecomesmaller,undertheactionofthegrainboundarysurfacetensionforces,whileonewithmoresideswilltendtogrow.如果二維晶粒不是六邊形，為了維持界面角為120°，邊數(shù)小于6的多邊形晶粒（通常為尺寸較小的晶粒）的晶界必然是向外彎曲（即曲率中心在晶粒內(nèi)部），而邊數(shù)大于6的多邊形晶粒（尺寸較大）的晶界必然是向內(nèi)彎曲（曲率中心在晶粒外部）。這樣在高溫下，彎曲的界面向曲率中心方向移動，邊數(shù)小于6的晶粒會逐漸縮小，而邊數(shù)大于6的會逐漸長大，即大晶粒長大，小晶?？s小直至消失。由于晶粒長大是通過大角度晶界的遷移實現(xiàn)的，因此所有能夠影響晶界遷移的因素均會對晶粒長大有影響，如：溫度分散相粒子晶粒間的位向差微量雜質(zhì)熱蝕溝Effectoftemperature溫度對晶粒長大的影響主要是通過對晶界平均遷移率的影響來實現(xiàn)。晶界的遷移是個熱激活過程。溫度升高有利于晶粒粗化。

Second-phaseparticleshaveamajorinhibitingeffectonboundarymigrationandareparticularlyeffectiveinthecontrolofgrainsize.Thepinningprocessarisesfromsurfacetensionforcesexertedbytheparticle-matrixinterfaceonthegrainboundaryasitmigratespasttheparticle.Forinstance,nickelisinfacttheuniversalgrainrefineranddoesmuchtoincreasethetoughnessofmanyalloysbylimitinggraingrowth.Effectofsecondphaseparticle1.第二相粒子的存在減少了晶界的面積，從而降低了晶界能。2.晶界移動時，在第二相粒子作用下晶界面積會增大，會提高晶界能。3.第二相粒子會在晶界移動相反方向施加拉力，從而阻礙了晶粒長大。第二相粒子的存在會對晶界的遷移具有約束力，當此約束力與由晶界能所提供的晶界遷移驅(qū)動力相等時，正常晶粒長大就停止了，此時的晶粒平均直徑稱為極限的晶粒平均直徑。式中，r為第二相粒子半徑，φ為第二相粒子體積分數(shù)。EffectofdirectionEffectofminimimpurity通常認為，由于微量雜質(zhì)原子與晶界的交互作用及其在晶界區(qū)域的吸附形成了一種阻礙晶界遷移的“氣團”(如柯氏氣團對位錯運動的釘扎)，從而隨著雜質(zhì)含量的增加，顯著降低了晶界的遷移速度。Effectofthermalgroove金屬在長時間高溫加熱，晶界與表面相交處為了達到表面張力間的相互平衡會產(chǎn)生熱蝕溝。熱蝕溝會影響晶界的遷移，從而會影響到晶粒長大。。

9.3.2Abnormalgraingrowth:異常晶粒長大又稱不連續(xù)晶粒長大或二次再結(jié)晶，是一種特殊的晶粒長大現(xiàn)象，通常發(fā)生于一次再結(jié)晶后經(jīng)正常長大的基體中，其特點是：發(fā)生這種晶粒長大時，基體中少數(shù)晶粒迅速長大，使得晶粒之間的尺寸差異顯著增大，直至這些迅速長大的晶粒完全相互接觸時為止。

異常長大的基本條件正常晶粒長大過程被分散相粒子、織構(gòu)或表面熱蝕溝等強烈阻礙。而在加熱過程中，如果這些阻礙分布不均勻或者在某些條件下阻礙因素消失，就會產(chǎn)生異常長大。二次再結(jié)晶的驅(qū)動力是界面能的降低，無需重新形成晶核，而是以一次再結(jié)晶的晶粒為基礎(chǔ)長大的。

9.4Recrystallizationannealing將冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保溫一定時間后，緩慢冷卻至室溫的過程。主要是為了軟化冷變形金屬，通過冷變形和再結(jié)晶退火達到細化晶粒、改善組織的目的。再結(jié)晶圖將再結(jié)晶退火后的晶粒大小與冷變形程度及退火溫度間的關(guān)系繪制成空間圖形，稱為再結(jié)晶圖。再結(jié)晶圖對于用來控制冷變形金屬退火后晶粒度大小具有一定的參考價值。退火孿晶某些面心立方結(jié)構(gòu)的金屬和合金如銅及銅合金，奧氏體不銹鋼等經(jīng)再結(jié)晶退火會出現(xiàn)退火孿晶。

AnnealingtwinsAprominentfeatureofthemicrostructuresofmostannealedfeemetalsandalloysisthepresenceofmanystraight-sidedbandsthatrunacrossgrains.Thesebandshaveatwinnedorientationrelativetotheirneighboringgrainandarereferredtoasannealingtwins.Aswithformationofdeformationtwins,itisbelievedthatachangeinstackingsequenceisallthatisnecessarytoformanannealingtwin.Suchachangeinstackingsequencemayoccurwheneveraproperlyorientedgrainboundarymigrates.

RecrystallizationtextureThepreferredorientationdevelopedbycoldworkoftenchangesonrecrystallizationtoatotallydifferentpreferredorientation.Toexplainthisobservation,Barrettand(later)Beckhaveputforwardthe'orientedgrowth'theoryofrecrystallizationtexturesinwhichitisproposedthatnucleiofmanyorientationsinitiallyformbut,becausetherateofgrowthofanygivennucleusdependsontheorientationdifferencebetweenthematrixandgrowingcrystal,therecrystallizedtexturewillarisefromthosenucleiwhichhavethefastestgrowthrateinthecold-workedmatrix,i.e.thoseboundedbylarge-angleboundaries.再結(jié)晶織構(gòu)冷變形織構(gòu)金屬在再結(jié)晶過程中形成的織構(gòu)稱為再結(jié)晶織構(gòu)。冷變形織構(gòu)的金屬在一次再結(jié)晶過程中雖然產(chǎn)生了多種位向的晶核，但是由于只有具有有利取向的晶核能夠消耗變形機體迅速長大，而其他位向的晶核生長則受到抑制，因此形成再結(jié)晶織構(gòu)。再結(jié)晶織構(gòu)的晶粒取向可能與原有冷變形織構(gòu)位向一致也可能產(chǎn)生新的方向的織構(gòu)。

9.5Hot-workingandsuperplasticity實質(zhì)：加工硬化與動態(tài)軟化同時進行，不顯示硬化作用。優(yōu)點：不發(fā)生強化作用，塑性變形量可達很大；可以改善鑄錠組織，消除氣孔、偏析、粗大晶粒等。缺點：表面粗糙度差，加工零件難以達到精確尺寸。

Sincemostmetalsbecomeconsiderablysofterandmoremalleableastemperatureriseslessenergyisneededtoproduceagivenamountofdeformation.Infact,hot-workingprocessesareinvariablycarriedoutabovetherecrystallizationtemperatureofametaloralloy.Deformationandrecrystallizationthereforetakeplacesimultaneouslysothatinadditiontoasavingofenergyaconsiderablespeedingupoftheprocessispossiblewithnotediousinter-stageannealingoperationssuchasattendcold-workingprocesses.Somealloyscanonlybeshapedbyhot-workingsincetheyarehardorbrittlewhencoldduetothepresenceofahardmicroconstituentwhichisabsorbedatthehot-workingtemperature.

Whilstmalleabilityincreaseswithriseintemperatureductilitygenerallydecreasesbecausethematerialbecomeslessstrongasthetemperaturerisesandsotendstotearapartintension.Consequentlyhot-workingprocesses

invariablyinvolvetheuseofcompressiveforcesasinforging,rollingandextrusion,whilstdrawingprocesseswhichemploy

tensileforcesareessentiallycold-workingoperations.Themainhot-workingprocessesaredealtwithbrieflybelow.

Hot-rollingTherollingmillwasadaptedbyHenryCortin1783asasimple'two-high'non-reversingmillfortheproductionofwrought-ironbar.TheadventoftheBessemerprocessin1856madenecessarythedevelopmentofrolling-milltechniquesothatitcouldkeeppacewiththelargeamountofsteelmadebythisnewmass-productionmethod.Thusin1857the'three-high'millwasintroducedsothattheworkpiececouldberolledonthe'returnpass'.UnfortunatelysupportofthebearingsforthecentrerollwasgenerallyfoundtobedifficultsoRamsbottomdevelopedthefore-runnerofthemoderntwo-highreversingmillatCrewein1866.

Hot-rollingisuniversallyemployedinthereductionoflargesteelingotstosections,strip,sheetandrodofvarioussizes.Infacttheonlyconditionsunderwhichcold-workisappliedtosteelarewhenthesectionistoosmalltoretainitsheat,orwhenasuperiorfinishisrequiredintheproduct.Asteel-rollingshopconsistsofapowerfultwo-highreversingmillto'breakdown'thewhite-hotingots,followedbytrainsofrollswhichwillbeeitherplainorgroovedaccordingtothetypeofproductbeingmanufactured.Hot-rollingissimilarlyappliedtomostnon-ferrousalloysintheinitialbreaking-downstages,butthefinishingoperationsaremorelikelytoinvolvecoldwork.

ForgingTubalCain(GenesisIV,22)wasforgingmetalsbyhandatleastsixthousandyearsagobutthereisevidencethatpre-historicmanwasusingthistypeofprocesstofashioncoppersometwothousandyearsearlier.Handforgingisstillusedtoalimitedextentbythesmithbutmostmodernforgingispower-assisted.Wroughtironwasthetraditionalmaterialofthesmithbutmanyferrousandnon-ferrousalloysarenowshapedbyforgingprocessesandwroughtironhaslongbecomeobsoleteasanengineeringmaterial.Duringforgingthecoarse'as-cast'structureisbrokendownandisreplaced,asrecrystallisationproceeds,byonewhichisofrelativelyfinegrain.Atthesametimeimpuritiesareredistributedinamoreorlessfibrousform.Thereforeitismoresatisfactory,allotherthingsbeingequal,toforgeacomponentthantocastittoshape.

Drop-forgingIfalargenumberofidenticalforgedcomponentsarerequired,thenitiseconomicallypreferabletomakethembyadrop-forgingprocess.Inthisprocessashapeddieisused,onehalfbeingattachedtothehammerandtheotherhalftotheanvil.Withcomplexshapesaseriesofdiesmaybeused.

Thehammer,workingbetweentwoverticalguides,ismechanicallyliftedsomedistanceabovetheanvilandallowedtofallundergravityontotheworkpiecewhichconsistsofaheatedbarorbilletofthemetalplacedontheanvilhalfofthedie.Asthehammerfallsitforgesthemetalbetweenthetwohalvesofthedie.Amodificationofdrop-forgingemployseithermechanicalorsteampowertoforcethehammerdownwards,thusincreasingthepoweroftheblow.'High-energyrate'forginginwhichthemachinesaregenerallyoperatedbypneumaticpressureisnowalsoused.

Heading'Heading'or'up-set'forgingisemployedextensivelyforthemanufactureofbolts,rivetsandothercomponents,whereanincreaseindiameterisnecessarywithoutlossofstrengthandshock-resistance.Thestockbarisheatedforaportionofitslengthandthenforged,inamachinewhichalsopartsoffthecomponent.Itwillbeobviousthataboltheadforgedinthiswaywiltbemuchstrongerthanonewhichhasbeenmachinedfromabar,sinceforgingdoesnotcutintothefibrousstructureofthematerialandthusintroduceplanesofweaknessintothefinishedbolthead.

Hot-pressingHot-pressingisadevelopmentofthedrop-forgingprocess,butisgenerallyappliedinthemanufactureofmoresimpleshapes.Thehammerofdrop-forgingisreplacedbyahydraulicallydrivenram,sothat,insteadofreceivingarapidsuccessionofhammerblows,themetalisgraduallysqueezedbythestaticpressureoftheram.Thisdownwardsthrustissometimesasgreatas100MN.Themainadvantageofhot-pressingoverdrop-forgingisthatworkingisnolongerconfinedtothesurfacelayers,asitiswithdrop-forging,butistransmitteduniformlytotheinteriorofthemetalbeingshaped.Thisisparticularlyimportantwhenforgingverylargecomponents,suchasmarinepropellershafts,whichwouldotherwisesufferfromhavinganon-uniforminternalstructure.

ExtrusionTheextrusionprocessisnowusedforshapingavarietyofferrousandnon-ferrousmetalsandalloys.Itsmostimportantfeatureisthatweareabletoforcethemetalthroughadie,and,inasingleprocessfromthecastbillet,toobtainquitecomplicatedsectionsoftolerablyaccuratedimensions.Themetalbilletisheatedtotherequiredextrusiontemperature(350-500℃foraluminumalloys;700-800℃forbrasses;1100-1250℃forsteels)andplacedinthecontaineroftheextrusionpress.Theramisthendrivenhydraulicallywithsufficientpressuretoforcethemetalthroughahardalloy-steeldie.Thesolidmetalsectionissuesfromthedieinamannersimilartotheflowoftoothpastefromitstube.Usingthisprocess,awidevarietyofsectionscanbeproduced,includingroundrod,hexagonalbrassrod(forpartingoffasnuts),brasscurtainrail,small-diameterrod(fordrawingstillfurthertowire),tubesinmanyalloysincludingstainlesssteels;andmanyhollowstress-bearingsectionsinaluminumalloys(mainlyforaircraftconstruction).

SuperplasticitySuperplasticityisapropertyofsomealloysinwhichverygreatplasticelongationsofupto2000%ormorecanbeobtainedundertheactionofquitelowtensilestresses.Thisbehaviorisakintothatofheatedglasswhereelongationisdependentuponthequantityofmaterialtobethinnedasthematerial'flows'.Althoughthephenomenonhasbeenknownformorethansixtyyearsithasonlyrecentlybeguntobeexploited.

Whenmostmetalsaredeformedplasticallyattemperatureswellbelowthatofrecrystallisation(approximately0.5Tm*;inabsolutescaleK)thentensilestrengthincreaseswithstrainaswork-hardeningoccurs.Manymetalsandalloyshavestress-straincurveswhichareroughlygovernedbytheexpression:σ=kεηwhereσisthetensilestress,εthestrainandηthework-hardeningexponent.

Ifthetemperatureduringdeformationisnowraisedabovethatn