金屬的塑性變形與再結(jié)晶

1、金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察金屬經(jīng)冷變形后的顯微組織特征2、熟悉金屬冷塑變形與再結(jié)晶退火后的顯微組織3、了解冷加工變形度對再結(jié)晶后晶粒大小的影響4、討論再結(jié)晶退火溫度對退火后晶粒大小的影響二、實(shí)驗(yàn)概述金屬材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)就是具有塑性，也就是說可以進(jìn)行塑性變形。塑性變形不僅改變了材料的外形和尺寸，而且使組織和性能也發(fā)生變化。金屬塑性變形時(shí)，首先引起晶格畸變，位錯(cuò)增值以及亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化。1、顯微鏡下的滑移線與變形攣晶金屬受力超過彈性極限后，在金屬中特產(chǎn)生塑性變形。金屬單晶體變形機(jī)理指出，塑性變形的基本方式為滑移和孿晶兩種。所謂滑移時(shí)晶體在切應(yīng)力作用下借助于金屬薄層沿滑移面相對移動(dòng)的結(jié)

2、果?；坪笤诨泼鎯蓚?cè)的晶體位相保持不變。把試樣拉伸，試樣表面會(huì)有變形臺(tái)階出現(xiàn)，一組細(xì)小的臺(tái)階在顯微鏡下只能觀察到一條黑線，即稱為滑移帶。變形后的顯微姐織是由許多滑移帶(平行的黑線)所組成。在顯微鏡下能清楚地看到多晶體變形的特點(diǎn)： 各晶粒內(nèi)滑移帶的方向不同(因晶粒方位各不相同)， 各晶粒之間形變程度不均勻，有的晶粒內(nèi)滑移帶多(即變形量大)，有的晶粒內(nèi)滑移帶少(即變形量小)； 在同一晶粒內(nèi)，晶粒中心與晶粒邊界變形量也不相同，晶粒中心滑移帶密，而邊界滑移帶稀，并可發(fā)現(xiàn)在一些變形量大的晶粒內(nèi)，滑移沿幾個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行，經(jīng)?？匆婋p滑移現(xiàn)象(在面心立方晶格情況下很易發(fā)現(xiàn))，即兩組平行的黑線在晶粒內(nèi)部交錯(cuò)起來，

3、將晶粒分成許多小塊。另一種變形的方式為孿晶。不易產(chǎn)生滑移的金屬，如六方晶系的鎘、鎂、鈹、鋅等，或某些金屬當(dāng)其滑移發(fā)生困難的時(shí)候，在切應(yīng)力的作用下將發(fā)生的另一形式的變形，即晶體的一部分以一定的晶面（孿晶面或雙晶面）為對稱面，與晶體的另一部分發(fā)生對稱移動(dòng)，這種變形方式稱為孿晶或雙晶。孿晶的結(jié)果是：孿晶面兩側(cè)晶體的位向發(fā)生變化，呈鏡面對稱。所以孿晶變形后，由于對光的反射能力不同，在顯微鏡下能看到較寬的變形痕跡孿晶帶或雙晶帶。在密排六方結(jié)構(gòu)的鋅中，由于其滑移系少，則易以孿晶方式變形，在顯微鏡下看到變形孿晶呈發(fā)亮的竹葉狀特征。（注：孿晶是材料內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)上的變化，樣品制備過程不會(huì)造成孿晶的消失。）對體心

4、立方結(jié)構(gòu)的-Fe，在常溫時(shí)變形以滑移方式進(jìn)行；而在0以下受沖擊載荷時(shí)，則以孿晶方式變形；而面心立方結(jié)構(gòu)大多是以滑移方式變形的。2變形程度對金屬組織和性能的影響 若變形前金屬為等軸晶粒，則，經(jīng)微量變形后晶粒內(nèi)即有滑移帶出現(xiàn)，經(jīng)過較大的變形后即發(fā)現(xiàn)晶粒被拉長，變形程度愈大，晶粒被拉得愈長；當(dāng)變形程度很大時(shí)，則加劇了晶粒沿一定方向伸長，晶粒內(nèi)部被許多的滑移帶分割成細(xì)小的小塊，晶界與滑移帶分辨不清，呈纖維狀組織。由于變形的結(jié)果，滑移帶附近晶粒破碎，產(chǎn)生較嚴(yán)重的晶格歪扭，造成臨界切應(yīng)力提高，使繼續(xù)變形發(fā)生困難，即產(chǎn)生了所謂加工硬化現(xiàn)象。隨變形程度的增加，金屬的硬度、強(qiáng)度、矯頑力、電阻增加，而塑性和韌性下

5、降。3形變金屬在加熱后組織和性能的影響 加工硬化后的金屬，由于晶粒破碎，晶格歪扭、位錯(cuò)密度、空位和間隙原子等缺陷的增加，使其內(nèi)能增加，金屬處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有力求恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢，加熱則為之創(chuàng)造了條件，促進(jìn)這一過程的進(jìn)行。變形后的金屬在較低溫度加熱時(shí)，金屬內(nèi)部的應(yīng)力部分消除，歪曲的晶格恢復(fù)正常但顯微組織沒有變化，原來拉長的晶粒仍然是伸長的。這個(gè)過程是靠原子在一個(gè)晶粒范圍內(nèi)的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，稱為回復(fù)。這時(shí)金屬可部分地恢復(fù)機(jī)械性能，而物理性能，如導(dǎo)電性，幾乎全部恢復(fù)。 變形后金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上時(shí)，發(fā)生再結(jié)晶過程，顯微組織發(fā)生顯著變化。再結(jié)晶使金屬中被拉長的晶粒消失，生成新的無內(nèi)應(yīng)力的等軸晶粒

6、，機(jī)械性能完全恢復(fù)。如變形60%的-黃銅經(jīng)270再結(jié)晶退火后，其組織是由許多細(xì)小的等軸晶粒及原來纖維狀組織組成；溫度繼續(xù)升高，纖維狀組織全部消失為等軸晶粒。此后溫度再升高，就發(fā)生積聚再結(jié)晶；溫度愈高，晶粒愈大。在-F單相黃銅組織內(nèi)，經(jīng)再結(jié)晶退火后能看到明顯的退火孿晶，它是與基體顏色不同、邊很直的小塊。退火孿晶的產(chǎn)生是再結(jié)晶過程中，面心立方結(jié)構(gòu)的新晶粒界面在推移過程中發(fā)生層錯(cuò)現(xiàn)象所致。對于立方晶系的金屬，當(dāng)變形度達(dá)到7080%以上時(shí)，最低（開始）的再結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)有如下關(guān)系：T再0.4T熔化(絕對溫度計(jì))金屬中有雜質(zhì)存在時(shí)，最低的再結(jié)晶溫度顯著變化。在大多數(shù)情況下，雜質(zhì)均使再結(jié)晶溫度升高。為了消

7、除加工硬化現(xiàn)象，通常退火溫度要比其最低再結(jié)晶溫度高出100200。 變形金屬經(jīng)過再結(jié)晶后的晶粒度，不僅會(huì)影響其強(qiáng)度和塑性，而且還會(huì)顯著影響動(dòng)載下的沖擊韌性值。再結(jié)晶后晶粒的大小，不僅與再結(jié)晶退火的溫度有關(guān)，而且與再結(jié)晶退火前的變形度有關(guān)。在同一再結(jié)晶退火溫度下，晶粒度的大小與預(yù)先變形程度的關(guān)系，如下圖所示：當(dāng)變形度很小時(shí)，由于晶格歪扭程度很小，不足以引起再結(jié)晶，故晶粒大小不變。當(dāng)變形度在210范圍內(nèi)時(shí)，金屬中變形極不均勻，再結(jié)晶時(shí)形核數(shù)量很少，再結(jié)晶后晶粒度很不均勻，晶粒極易相互并吞長大，這樣的變形度稱“臨界變形度”。大于臨界變形度后，隨著變形度的增加，變形愈均勻，再結(jié)晶時(shí)的形核率便愈大，再結(jié)

8、晶后的晶粒便愈細(xì)。在進(jìn)行冷塑性變形時(shí)，應(yīng)盡量避免在臨界變形度下變形，而采用較大的變形度，以獲得較細(xì)小的品粒，臨界變形度，因金屬的本性及純度而異，鐵為715，鋁為24。4. 退火溫度對再結(jié)晶后晶粒大小影響多數(shù)情況下，晶粒都會(huì)隨退火溫度的增高而粗化，這是因?yàn)閷?shí)際退火時(shí)都已發(fā)展到晶粒長大階段，這種粗化實(shí)質(zhì)上是晶粒長大的結(jié)果。退火溫度愈高，再結(jié)晶完成所需時(shí)間愈短，在相同保溫時(shí)間下，晶粒長大時(shí)間更長，高溫下晶粒長大速率也愈快，因而最終得到粗大的晶粒。 5. 保溫時(shí)間對再結(jié)晶后晶粒大小影響在一定退火溫度下，保溫時(shí)間增加，晶粒逐漸長大，但達(dá)到一定尺寸后基本終止，所以在一定的溫度下晶粒尺寸都會(huì)有一個(gè)極限值。若

9、晶粒尺寸達(dá)到極限值后，再提高退火溫度，晶粒還會(huì)繼續(xù)長大，一直達(dá)到后一個(gè)溫度下的極限值。這是因?yàn)樵訑U(kuò)散能力增加了，打破了晶界遷移與阻力的平衡關(guān)系;溫度升高可使晶界附近雜質(zhì)偏聚區(qū)破壞，并促使彌散相部分溶解，使晶界遷移更易進(jìn)行。6. 加熱速度隊(duì)再結(jié)晶后晶粒大小影響加熱速度快，再結(jié)晶后晶粒細(xì)小。這是因?yàn)榭焖偌訜釙r(shí)，回復(fù)過程來不及進(jìn)行或進(jìn)行得很不充分，因而不會(huì)使冷變形儲(chǔ)能大幅度降低?？焖偌訜崽岣吡藢?shí)際再結(jié)晶開始溫度，使形核率加大。此外，快速加熱能減少阻礙晶粒長大的第二相及其他雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的溶解，使晶粒長大趨勢減弱，這也是加熱速度對多相合金更為敏感的原因三、實(shí)驗(yàn)任務(wù)1、測定20鋼再結(jié)晶盾晶粒大小與變形度的關(guān)

10、系；2、測量工業(yè)純鐵不同變形度(0、14、56、81)試樣的硬度；3、觀察aFe顯微組織特征，并拍攝組織照片，分析形成原因。四、實(shí)驗(yàn)方案 1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料（1）金相顯微鏡；（2）手動(dòng)拉伸機(jī)；（3）加熱爐；（4）布氏硬度計(jì)或洛氏硬度計(jì)； （5）變形度為0、14、56、81.5的工業(yè)純鐵試樣一套；2、實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)布氏硬度計(jì)和洛氏硬度計(jì)的原理，構(gòu)造和操作，并閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。（1）八人一小組，5個(gè)20鋼試樣，直徑10mm，長度18mm實(shí)驗(yàn)前測得各組試樣長度18mm，直徑10mm，刻度線間距離的測量力求準(zhǔn)確，試片兩端打上編號(hào)，編號(hào)順序見表41。（2）在壓縮機(jī)上分別將試樣壓縮到所要求的尺寸，壓縮時(shí)

11、試樣的長度方向必須平行于壓縮方向。表41試樣編號(hào)12345要求變形度0145681.581.5變形后的計(jì)算長度1815.508.13.343.34（3）將變形后的試樣集中起來，打磨、拋光、腐蝕，觀察金相組織20鋼 原始組織 100X20鋼 變形14% 100X20鋼 變形度56% 100X20鋼 變形度81.5% 100X將變形度為81.5%的20鋼試樣切割，將切割好的試樣分別放入箱式電阻爐調(diào)試溫度為550、600、650進(jìn)行加熱保溫50分鐘，試樣隨爐冷卻至200左右出爐空冷。將冷卻后試進(jìn)行宏觀腐蝕，用0.3%的硝酸酒精溶液浸蝕，腐蝕后用自來水沖洗干凈，擦干后即可看出晶粒。觀察金相組織圖，分析再結(jié)晶溫度對再結(jié)晶晶粒大小的影響效果。550 81.5% 50min600