金屬的塑性變形與再結晶

1、金屬的塑性變形與再結晶一、實驗目的1、觀察金屬經冷變形后的顯微組織特征2、熟悉金屬冷塑變形與再結晶退火后的顯微組織3、了解冷加工變形度對再結晶后晶粒大小的影響4、討論再結晶退火溫度對退火后晶粒大小的影響二、實驗概述金屬材料的一項重要指標就是具有塑性，也就是說可以進行塑性變形。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，首先引起晶格畸變，位錯增值以及亞結構的細化。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，在金屬中特產生塑性變形。金屬單晶體變形機理指出，塑性變形的基本方式為滑移和孿晶兩種。所謂滑移時晶體在切應力作用下借助于金屬薄層沿滑移面相對移動的結

2、果。滑移后在滑移面兩側的晶體位相保持不變。把試樣拉伸，試樣表面會有變形臺階出現，一組細小的臺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： 各晶粒內滑移帶的方向不同(因晶粒方位各不相同)， 各晶粒之間形變程度不均勻，有的晶粒內滑移帶多(即變形量大)，有的晶粒內滑移帶少(即變形量小)； 在同一晶粒內，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)現在一些變形量大的晶粒內，滑移沿幾個系統進行，經?？匆婋p滑移現象(在面心立方晶格情況下很易發(fā)現)，即兩組平行的黑線在晶粒內部交錯起來，

3、將晶粒分成許多小塊。另一種變形的方式為孿晶。不易產生滑移的金屬，如六方晶系的鎘、鎂、鈹、鋅等，或某些金屬當其滑移發(fā)生困難的時候，在切應力的作用下將發(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，這種變形方式稱為孿晶或雙晶。孿晶的結果是：孿晶面兩側晶體的位向發(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。在密排六方結構的鋅中，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：孿晶是材料內部晶體結構上的變化，樣品制備過程不會造成孿晶的消失。）對體心

4、立方結構的-Fe，在常溫時變形以滑移方式進行；而在0以下受沖擊載荷時，則以孿晶方式變形；而面心立方結構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，經微量變形后晶粒內即有滑移帶出現，經過較大的變形后即發(fā)現晶粒被拉長，變形程度愈大，晶粒被拉得愈長；當變形程度很大時，則加劇了晶粒沿一定方向伸長，晶粒內部被許多的滑移帶分割成細小的小塊，晶界與滑移帶分辨不清，呈纖維狀組織。由于變形的結果，滑移帶附近晶粒破碎，產生較嚴重的晶格歪扭，造成臨界切應力提高，使繼續(xù)變形發(fā)生困難，即產生了所謂加工硬化現象。隨變形程度的增加，金屬的硬度、強度、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、位錯密度、空位和間隙原子等缺陷的增加，使其內能增加，金屬處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有力求恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢，加熱則為之創(chuàng)造了條件，促進這一過程的進行。變形后的金屬在較低溫度加熱時，金屬內部的應力部分消除，歪曲的晶格恢復正常但顯微組織沒有變化，原來拉長的晶粒仍然是伸長的。這個過程是靠原子在一個晶粒范圍內的移動來實現的，稱為回復。這時金屬可部分地恢復機械性能，而物理性能，如導電性，幾乎全部恢復。 變形后金屬加熱到再結晶溫度以上時，發(fā)生再結晶過程，顯微組織發(fā)生顯著變化。再結晶使金屬中被拉長的晶粒消失，生成新的無內應力的等軸晶粒

6、，機械性能完全恢復。如變形60%的-黃銅經270再結晶退火后，其組織是由許多細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)生積聚再結晶；溫度愈高，晶粒愈大。在-F單相黃銅組織內，經再結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。退火孿晶的產生是再結晶過程中，面心立方結構的新晶粒界面在推移過程中發(fā)生層錯現象所致。對于立方晶系的金屬，當變形度達到7080%以上時，最低（開始）的再結晶溫度與熔點有如下關系：T再0.4T熔化(絕對溫度計)金屬中有雜質存在時，最低的再結晶溫度顯著變化。在大多數情況下，雜質均使再結晶溫度升高。為了消

7、除加工硬化現象，通常退火溫度要比其最低再結晶溫度高出100200。 變形金屬經過再結晶后的晶粒度，不僅會影響其強度和塑性，而且還會顯著影響動載下的沖擊韌性值。再結晶后晶粒的大小，不僅與再結晶退火的溫度有關，而且與再結晶退火前的變形度有關。在同一再結晶退火溫度下，晶粒度的大小與預先變形程度的關系，如下圖所示：當變形度很小時，由于晶格歪扭程度很小，不足以引起再結晶，故晶粒大小不變。當變形度在210范圍內時，金屬中變形極不均勻，再結晶時形核數量很少，再結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，再結晶時的形核率便愈大，再結

8、晶后的晶粒便愈細。在進行冷塑性變形時，應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. 退火溫度對再結晶后晶粒大小影響多數情況下，晶粒都會隨退火溫度的增高而粗化，這是因為實際退火時都已發(fā)展到晶粒長大階段，這種粗化實質上是晶粒長大的結果。退火溫度愈高，再結晶完成所需時間愈短，在相同保溫時間下，晶粒長大時間更長，高溫下晶粒長大速率也愈快，因而最終得到粗大的晶粒。 5. 保溫時間對再結晶后晶粒大小影響在一定退火溫度下，保溫時間增加，晶粒逐漸長大，但達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有一個極限值。若

9、晶粒尺寸達到極限值后，再提高退火溫度，晶粒還會繼續(xù)長大，一直達到后一個溫度下的極限值。這是因為原子擴散能力增加了，打破了晶界遷移與阻力的平衡關系;溫度升高可使晶界附近雜質偏聚區(qū)破壞，并促使彌散相部分溶解，使晶界遷移更易進行。6. 加熱速度隊再結晶后晶粒大小影響加熱速度快，再結晶后晶粒細小。這是因為快速加熱時，回復過程來不及進行或進行得很不充分，因而不會使冷變形儲能大幅度降低。快速加熱提高了實際再結晶開始溫度，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質點的溶解，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、實驗任務1、測定20鋼再結晶盾晶粒大小與變形度的關

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、實驗方案 1、實驗設備和材料（1）金相顯微鏡；（2）手動拉伸機；（3）加熱爐；（4）布氏硬度計或洛氏硬度計； （5）變形度為0、14、56、81.5的工業(yè)純鐵試樣一套；2、實驗步驟實驗前預習布氏硬度計和洛氏硬度計的原理，構造和操作，并閱讀實驗指導書。（1）八人一小組，5個20鋼試樣，直徑10mm，長度18mm實驗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確，試片兩端打上編號，編號順序見表41。（2）在壓縮機上分別將試樣壓縮到所要求的尺寸，壓縮時

11、試樣的長度方向必須平行于壓縮方向。表41試樣編號12345要求變形度0145681.581.5變形后的計算長度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試溫度為550、600、650進行加熱保溫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，分析再結晶溫度對再結晶晶粒大小的影響效果。550 81.5% 50min600