變形程度對金屬板材組織的影響

1、2013級材料成型及控制工程專業(yè)綜合設(shè)計性實驗計劃一、 實驗課題變形程度對金屬板材組織的影響。二、 實驗?zāi)康耐ㄟ^本次綜合設(shè)計實驗的訓練，使學生進一步掌握金屬在變形過程中的變形行為，金相試樣的制備過程，以及通過金相顯微鏡仔細觀察不同變形前后金屬組織的變化。熟練掌握相關(guān)儀器設(shè)備的使用與操作方法，鞏固材料成型理論知識，進一步提高學生運用所學專業(yè)知識綜合分析、解決實際問題的能力。三、 實驗要求以變形程度為實驗參數(shù)，探索Q195鋼板軋制后金屬組織的變化情況。四、 實驗內(nèi)容1、 設(shè)計實驗方案：確定實驗?zāi)繕?，合理設(shè)計實驗參數(shù)，分析實驗原理，選擇實驗方法、分析實驗中金屬組織的變化。2、 制定實驗程序：詳細制定

2、綜合設(shè)計實驗的具體過程與操作順序。3、 實驗操作：（1） 軋制實驗操作：軋制試樣的設(shè)計與加工；軋制試驗。（2） 金相實驗操作：金相試樣的設(shè)計與加工；金相試驗。4、 結(jié)論與分析：根據(jù)實驗結(jié)果得出相應(yīng)的結(jié)論，并對得出該結(jié)論進行分析。五、 實驗原料與儀器設(shè)備實驗材料（鋼板），130mm實驗軋機，普通光學金相顯微鏡，數(shù)碼金相顯微鏡，金相分析軟件，拋光機等。六、 分組根據(jù)學號順序?qū)⒈灸昙墝W生分成12組，如下表所示。組號學生學號11310121001-131012101021310121011-131012102131310121022-131012103241310121033-131012104251

3、310121043-131012105361310121054-131012106571310121066-1210121074，111012111281310121075-131012108591310121086-1310121095101310121096-1310121106111310121107-1310121118121310121119-1310121130七、 時間安排：2016.6.13-2016.6.24，為期兩周，具體安排如下表所示。日期6.13-6.146.15-6.166.16-6.206.17-6.226.23-6.24工作內(nèi)容制定實驗方案軋制實驗金相實驗金相分析

4、撰寫報告地點1-6組實驗樓C5017-12組教學樓C206軋制實驗室金相實驗室、鉗工實訓室金相分析室1-6組實驗樓C5017-12組實驗樓C502指導(dǎo)教師張紅云張金標汪勁松劉建張金標劉建汪勁松張紅云、劉建張金標張紅云汪勁松說明:實驗期間，按指導(dǎo)教師安排分組依次進入相應(yīng)實驗室進行實驗，其他同學需要在教室完成其它工作。八、 考核：根據(jù)學生的實驗方案設(shè)計、實驗期間表現(xiàn)和實驗報告情況綜合評定成績。材料成型及控制教研室2016.6.1291.設(shè)計實驗方案1.1實驗課題。變形程度對金屬板材組織的影響。1.2實驗?zāi)康?通過本次綜合設(shè)計實驗的訓練，使學生進一步掌握金屬在變形過程中的變形行為，金相試樣的制備過程

5、，以及通過金相顯微鏡仔細觀察不同變形前后金屬組織的變化。熟練掌握相關(guān)儀器設(shè)備的使用與操作方法，鞏固材料成型理論知識，進一步提高學生運用所學專業(yè)知識綜合分析、解決實際問題的能力。1.3合理設(shè)計實驗參數(shù)1.3.1實驗材料的確定Q195，是一種碳素結(jié)構(gòu)鋼。屈服強度195MPA。比Q235強度低。價格較便宜。用于建筑、結(jié)構(gòu)、摩托車車架等。具有高的塑性、韌性和焊接性能，良好的壓力加工性能，但強度低。 1.3.2實驗材料參數(shù)的擬定取一塊厚度為3mm的Q195鋼板，作為實驗材料，通過改變壓下量來達到改變變形程度的目的，一共軋制5個道次，每軋完一道次后截取其中一小塊，加上最初的原樣作為對比材料，依次編號10-

6、1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6。表1-3試樣材料尺寸（預(yù)測）項目 編號123456軋前厚度（mm）332.41.81.41軋后厚度（mm）32.41.81.410.7壓下量（mm）00.60.60.40.40.3壓下率（%）0204053.366.776.7轉(zhuǎn)動齒數(shù)（個）010107751.4實驗原理金屬材料發(fā)生冷變形后，不僅外形發(fā)生變化，內(nèi)部組織也發(fā)生變化，隨著變形量的增加，原來的等軸晶粒將沿受拉方向逐漸伸長。當變形量大到一定程度時，各個晶粒難以分辨呈現(xiàn)出一片纖維狀的條紋，稱為纖維組織。塑性變形程度的大小對金屬組織和性能有較大的影響。變形程度過大，不僅不會使力學性能再增

7、高，還會出現(xiàn)纖維組織，增加金屬的各向異性，當超過金屬允許的變形極限時，將會出現(xiàn)開裂等缺陷。冷變形后金屬微觀上位錯分布是不均勻的，有的地方位錯密度很高并纏結(jié)在一起；有的地方位錯密度很低。當變形量較大時，還會發(fā)現(xiàn)典型的胞狀亞結(jié)構(gòu)特征。金屬的塑性變形所造成的內(nèi)部組織變化必然導(dǎo)致某些性能的改變。大量實踐證明，金屬材料經(jīng)冷變形后，強度、硬度顯著提高，而塑性下降，即產(chǎn)生加工硬化。造成加工硬化的原因主要是位錯密度增加，并相互交結(jié)產(chǎn)生不易移動的位錯節(jié)點；位錯纏結(jié)在一起或形成胞狀亞結(jié)構(gòu)都對位錯運動有阻礙作用。1.5實驗方法采用對比實驗，設(shè)置變形程度為唯一變量，觀察不同變形程度下的金屬組織的變化。分析實驗中可能會

8、遇到的問題和解決的方法。實驗偶然性問題的解決方法。2制定實驗程序2.1軋制實驗2.1.1實驗器材的選擇Q195鋼板，130mm二輥實驗軋機，游標卡尺，直尺，鋸子。2.1.2實驗步驟2.1.2.1軋制實驗按照前面所述的方法，在老師的幫助下進行軋制，將我們組每塊鋼板需要軋制的壓下量即壓下齒輪數(shù)報給老師進行軋制，軋制結(jié)束后記錄軋制后板料的尺寸如下表2-1；項目 編號123456軋前厚度（mm）332.41.81.41軋后厚度（mm）32.41.81.410.9壓下量（mm）00.60.60.40.40.1壓下率（%）0204053.366.770轉(zhuǎn)動齒數(shù)（個）01010772表2-1試樣材料尺寸（實

9、際）2.1.2.3試樣的保存將試樣保存放好，之后到鉗工室進行取樣。每塊試樣量取中間的部分，尺寸為長10mm寬10mm，每塊試樣取2組，防止接下來實驗中出現(xiàn)失誤可以重新實驗。2.2金相實驗2.2.1實驗器材的選擇普通光學金相顯微鏡，數(shù)碼金相顯微鏡，金相分析軟件，拋光機，拋光液，吹風機，粉末和液體義齒基托樹脂，不同類型的砂紙，玻璃板，無水乙醇，3%4%的HNO3溶液等；2.2.2實驗步驟2.2.2.1取樣在鉗工室取得的適當部位的試樣當作樣本進行實驗觀察，在取樣時不能使試樣的溫度升高而發(fā)生組織變化，影響對結(jié)果的分析。此操作以試樣1為例，其他試樣都是按照相同操作。2.2.2.2鑲嵌為了便于磨制和觀察尺

10、寸過小的樣品，在制備前應(yīng)把試樣鑲嵌到低熔點的合金或塑料中，本次實驗室將試樣鑲嵌到塑料中，先截取一段長20cm的塑料管，在砂紙上將一端磨平，將磨平的試管放在玻璃板上，將試樣1光滑的一面放在塑料管中貼在玻璃板上面，向塑料管中添加少量的粉末義齒基托樹脂鋪滿底面之后傾倒少量液體的義齒基托樹脂，逐漸加一層粉末，再傾倒液體，逐層有耐心的操作，直到塑料管被填滿，放置十分鐘讓其完全凝固。2.2.2.3磨制打磨過程中要防止溫度升高引起組織的變化；先粗磨，然后進行細磨，用手拿著鑲嵌好的試樣按從粗到細的順序在1號到6號的砂紙上依次磨平。每更換一道砂紙時候，應(yīng)將試樣的磨制方向調(diào)整90°（與上一次的磨痕垂直）

11、，然后在新砂紙上將上次的磨痕磨去。2.2.2.4拋光經(jīng)細磨后的試樣需拋光以拋去磨痕獲得光亮表面。機械拋光在專業(yè)的拋光機上進行，拋光時候?qū)⒃嚇?平正的壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，壓力不宜過大，并沿盤的邊緣到中心反復(fù)做徑向移動，直至將磨痕全部拋除為止。2.2.2.5浸蝕拋光后的試樣在絕大多數(shù)的情況下還必須經(jīng)過浸蝕后才可以再顯微鏡下觀察到組織。最常用的金相組織顯示方法是化學浸蝕。浸蝕方法是將試樣1浸入浸蝕劑中，浸蝕時間要適當，一般大概在10s到15s之間即可，浸蝕完成后立即用水沖洗，然后用酒精棉球擦拭試樣表面并用吹風機吹干試樣1即可在金相顯微鏡下進行觀察。2.2.2.6金相顯微鏡進行觀察（1）將金相顯微鏡的

12、光源插在變壓器上，通過低壓變壓器接通電源。（2）根據(jù)放大倍數(shù)選擇所需的目鏡和物鏡，安裝在目鏡座上，并將物鏡轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn)至固定位置。（3）將試樣1放在樣品臺中心，使試樣打磨過的面向下。（4）轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪使鏡筒上升，同時用眼觀察，使物鏡盡可能接近試樣表面，然后相反轉(zhuǎn)動手輪使鏡筒逐漸下降。當視場亮度增強時在改用微調(diào)手輪調(diào)節(jié)，直到物像清晰為止。（5）適當調(diào)節(jié)孔徑光欄和視場光欄以獲得最佳質(zhì)量的圖像。（6）用手輕輕推動載物臺，選擇所需觀察的視場。2.2.2.7數(shù)碼金相顯微鏡與金相分析軟件的使用 在普通金相顯微鏡下觀察成功后，將試樣放在數(shù)碼金相顯微鏡觀察，操作與普通金相顯微鏡類似，將觀察好的金相界面放入電腦，

13、利用金相分析軟件進行數(shù)據(jù)分析。3. 觀察并記錄結(jié)果3.1不同變形程度下的金相組織將觀察到的金相組織的形狀用儀器拍下來，分析不同變形程度下鋼板組織的變化情況。 10-110-2變形程度為0% 變形程度為20%10-310-4變形程度為40% 變形程度為53.3%10-510-6變形程度為66.7% 變形程度為70%圖3-1 6塊試樣的金相顯微圖4. 實驗分析與結(jié)論4.1理論能觀察到的結(jié)果（1）晶粒形狀的變化鋼材冷變形加工后，隨著外形的改變，晶粒皆沿最大主變形方向被拉長、拉細或壓扁。冷變形程度越大，晶粒形狀變化也越大。在晶粒被拉長的同時，晶間的夾雜物也跟著拉長，使冷變形加工后的金屬出現(xiàn)纖維組織。（

14、2）亞結(jié)構(gòu)金屬晶體經(jīng)過充分冷塑性變形后，在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了許多取向不同的小晶塊，這些小晶塊（或小晶粒間）的取向差不大，所以它們?nèi)匀痪S持在同一個大晶粒范圍內(nèi)，這些小晶塊稱為亞晶，這種組織稱為亞結(jié)構(gòu)。亞晶的大小、完整程度、取向差與材料的純度、變形量和變形溫度有關(guān)。當材料中含有雜質(zhì)和第二相時，在變形量大和變形溫度的情況下，所形成的亞晶小，亞晶間的取向差大，亞晶的完整性差。冷變形加工過程中，亞晶結(jié)構(gòu)對金屬的加工硬化起重要作用，晶塊的方位不同，其邊界又為大量位錯纏結(jié)，對晶內(nèi)的進一步滑移起阻礙作用。（3）變形結(jié)構(gòu)在冷變形加工過程中，晶粒位向由無序狀態(tài)變成有序狀態(tài)的情況，稱為擇優(yōu)取向。形成的纖維狀組織，因具有

15、嚴格的位向關(guān)系，故稱為變形織構(gòu)。變形織構(gòu)分為絲織結(jié)構(gòu)和板織構(gòu)。冷變形織構(gòu)的材料進行退火時，由于晶粒位向趨于一致，往往形成具有織構(gòu)的退火組織，這種組織稱為再結(jié)晶織構(gòu)。冷變形加工材料中形成變形織構(gòu)的特性，取決于變形程度。變形程度越大，變形狀態(tài)越均勻，則織構(gòu)越明顯。如拉伸、拉絲時可得到絲織構(gòu)，而寬板軋制和扁帶拉伸時可得到板織構(gòu)等?？棙?gòu)使材料具有明顯的各向異性。在實際生產(chǎn)中，要控制變形條件，充分利用其有利的一面，而免其不利的一面。4.2實際實驗結(jié)果分析通過金相分析軟件，經(jīng)整理得出表4.2表4.2項目 編號10-110-210-310-410-510-6總數(shù)(個)：19415619912255157總面

16、積(平方微米)9209.90410978.337788.157139.7432509.1777701.886最大面積(平方微米)371.58751048.747741.5549745.605173.1375657.1125最小面積(平方微米)10.12510.12510.12510.12510.12510.125單位面積晶粒數(shù)(個/平方毫米)1997.051605.8752048.521255.877566.17391616.169級別4級4級4級3級2級4級平均等效圓直徑(微米)6.858 7.7436.144 7.173 6.801 6.792從金相圖中我們可以明顯的看出晶粒被拉長、拉細或

17、壓扁。冷變形程度越大，晶粒形狀變化也越大。當作用于金屬的外力超過其屈服極限時金屬產(chǎn)生塑性變形，使金屬的外部尺寸，內(nèi)部組織及其性能發(fā)生變化。從表4.2和折線圖中我們可以看出10-2晶粒明顯被拉大，但到了10-3卻大幅下降，可知隨著軋制的進行晶粒被拉斷，晶粒變得細小，而隨著軋制的繼續(xù)進行，晶粒還在增大，接著又減小，但減小的程度不如前一個，可知此時產(chǎn)生了加工硬化，材料變得難以變形，變化緩慢。 金屬在發(fā)生塑性變形時，隨著外形的變化，其內(nèi)部晶粒形狀由原來的等軸晶粒逐漸變?yōu)檠刈冃畏较蛏扉L的晶粒，在晶粒內(nèi)部也出現(xiàn)了滑移帶或?qū)\晶帶。當變形程度很大時，晶粒被顯著地拉成纖維狀，這種組織稱為冷加工纖維組織。同時，隨著變形程度的加劇，原來位向不同的各個晶粒會逐漸取得近于一致的位向，而形成了形變織構(gòu)，使金屬材料的性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性。當然從我們的實驗結(jié)果可以看出，晶粒只是被拉長，并沒有出現(xiàn)明顯的纖維組織。而且其中好幾個圖片上有明顯的黑洞存在，這是由于腐蝕過度而造成的或者也有可能含有雜質(zhì)的原因。分析原因：（1） 從我們的實驗結(jié)果來看，一到四試樣晶粒清晰