塑性變形與回復再結晶實驗指導書

塑性變形與回復再結晶實驗指導書實驗4塑性變形與回復再結晶一、實驗目的1．加深對加工硬化現象和回復再結晶的認識。2．通過實驗分析加工溫度和變形程度對所選原材料組織和性能的影響。3．測定所選原材料（例如工業(yè)純鋁）的形變度與再結晶后的晶粒度的關系曲線。二、實驗原理1、加工硬化現象當金屬與合金在外力的作用下，應力超過彈性極限以后，將發(fā)生塑性形變。金屬在塑性形變過程中，組織與性能將發(fā)生變化。一般說來隨著形變程度的增加，金屬的強度、硬度提高而塑性下降，同時也造成其它物理化學性能的明顯變化。人們就把金屬因塑性變而導致的強度和硬度增加的現象稱為加工硬化。2、金屬經塑性形變后顯微組織的變化金屬經塑性形變以后，其組織發(fā)生以下的變化。(1)金屬在塑性形變后，組織也將發(fā)生相應的變化，例如在軋制后，晶粒沿著形變方向被拉長，其程度隨形變量的加大而增大，當形變量很大時，晶粒伸長呈“纖維狀”。與此同時，除晶粒的形狀發(fā)生變化外，組織中的第二相也將發(fā)生變化，硬的相將破碎，軟的相將發(fā)生形變等。(2)塑性形變導致金屬組織內部的亞結構細化。在形變不大的情況下，晶粒內首先出現明顯的滑移帶，隨著形變量的加大?；茙е饾u增多。射線結構分析結果表明：晶粒被碎化成許多位向略有不同（位向差一般不大于1°）的晶塊，其大小約為10-3～10-6厘米，即在原來晶粒內出現了很多小晶塊，這種組織稱為亞結構。(3)金屬塑性形變時，由于各部分的形變的不均勻性而造成的內應力（第一類，第二類，第三類內應力）將增大。(4)當金屬的塑性形變量很大時，在形變過程中晶體將產生轉動和旋轉，使各晶粒的某一晶向都不同程度的轉向與外力相近的方向，這樣便使得原來晶向不同的晶粒取向漸趨一致。而使其具有擇優(yōu)趨向組織稱之為形變結構。金屬塑性形變后組織和性能的變化規(guī)律，在生產中有一定的實際意義，為此應了解這一變化規(guī)律，從而能更好的為生產服務。塑性形變的方式，主要有兩種。其一是滑移形變方式，其二是孿晶形變方式。至于形變結構與機理，這里不做敘述。3、回復與再結晶由于塑性形變，使晶格畸變增大（使錯密度增加，亞結構細化等），使得冷形變金屬的自由能升高而處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，便有一種向較穩(wěn)定狀態(tài)轉化的自發(fā)趨勢。如將冷形變后的金屬加熱到較高的溫度，使其原子具有一定的擴散能力，就會產生一系列組織與性能的變化。這個變化過程就是回復——再結晶及晶粒長大（聚集再結晶）過程，參看圖1?；貜停寒敿訜釡囟容^（再結晶溫度）低時，通過原子作短距離的擴散，使某些晶體缺陷互相抵消而使缺陷數量減少；使晶格畸變程度減輕（由多邊化結果導致）；第一類、第二類內應力基本消除；顯微組織無變化，機械性能和物理化學性能部分的恢復到形變前的狀態(tài)，如硬度、強度稍微下降，塑性略有提高；導磁率上升，比電阻下降等，這一過程稱為回復。再結晶：冷形變金屬加熱到某一溫度，由于原子擴散能力的增大，組織和性能將發(fā)生劇烈的變化，完全回復到形變以前的情況。從顯微組織看形變組織完全消失，代之的是新的等軸晶粒；其強度硬度下降而塑性提高。把在這一溫度下組織和性能發(fā)生劇烈變化的現象稱做再結晶。能夠發(fā)生再結晶的最低溫度稱為再結晶溫度。一般以金屬或合金經大的變形量大于70%塑性變形后，在某一溫度保溫一小時，能夠完全再結晶的溫度定為這一合金的再結晶溫度。聚集再結晶：冷形變金屬再結晶后，當繼續(xù)在更高溫度加熱時，晶粒就會長大，機械性能變壞。這種晶粒長大現象稱為聚集再結晶。影響金屬的再結晶溫度及再結晶后組織的因素很多，以下分別討論之。4、影響再結晶溫度的因素(1)形變程度的影響：冷形變程度愈大，畸變愈嚴重，畸變能也就愈高，合金就愈不穩(wěn)定，向低能量狀態(tài)變化的傾向也越大，因此再結晶溫度就愈低。實驗結果表明，當形變程度較大時，各種工業(yè)純金屬的最低再結晶溫度與其熔點之間存在下列關系：T再≈（0.35~0.40）T熔式中T再——金屬的再結晶溫度（K）；T熔----金屬的熔點（K）（2）合金元素及雜質的影響：合金元素對再結晶溫度的影響比較復雜。在金屬中含有少量合金元素時，由于它們阻礙再結晶過程中位錯的移動，使得再結晶難以進行，也就使得再結晶溫度升高。當金屬中合金元素數量較多時，則可能提高也可能降低再結晶溫度，這要看合金元素對基體金屬原子擴散速度的影響，以及合金元素對再結晶形核時的表面能的影響而定。例如Cr、W、Mo等元素可使鋼的再結晶溫度升高。（3）加熱時間的影響：加熱速度和加熱時間也明顯的影響再結晶溫度。當形變度一定時，加熱時間愈短，則再結晶溫度愈高。5、影響再結晶后晶粒度的因素：（1）加熱溫度的影響：經相同程度的冷形變金屬，再結晶退火后的晶粒度大小一般是隨加熱溫度和在加熱溫度下的保溫時間的不同變化。加熱溫度愈高，時間愈長，晶粒就愈粗大。（2）形變度的影響：金屬材料再結晶退火后的晶粒大小與其形變度之間的關系。當形變量很小時，由于畸變能很小，不能形核，金屬不發(fā)生再結晶，因此晶粒大小基本不變；而當金屬材料經受某一不大的冷形變度之后，于再結晶退火時，其晶粒異常地長大到極大的尺寸，這一形變度稱為臨界形變度。對一般金屬或合金，其臨界形變度約為2~10%左右。例如純Fe、純Cu、純Al的臨界形變度分別為5~6%，5%，2%等。在形變量超過臨界形變度后，再結晶后的晶粒度大小，將隨著冷形變度的增加而減少。當形變量很大時（一般大于70%），經過再結晶退火后晶粒又變得很粗大。三、實驗設備材料萬能試驗機，中溫電阻爐，放大鏡，金相顯微鏡。四、實驗內容與步驟實驗內容：ⅰ.觀察H68經不同形變度及不同再結晶溫度退火后的纖維組織。ⅱ.在顯微鏡下觀察純鋁試樣拋光表面經拉伸后的滑移帶。ⅲ.測定工業(yè)純鋁的形變度與再結晶后的晶粒度的關系曲線。實驗步驟：1、每人取一個鋁片（尺寸150×10×1mm），用鉛筆在鋁片上做出標記，如圖4所示。并用字頭打上編號，編號按表1所示。之后將鋁片裝在拉伸機上分別進行拉伸一定的變形量。2、將形變后的試樣，一起裝入500℃的爐中加熱進行退火，保溫30分鐘后空冷至室溫。3、退火后的試樣用王水腐蝕，腐蝕時間以晶粒度清晰可見為準，然后用清水沖洗并迅速干燥。4、測出晶粒度。測出單位面積內晶粒的數量（先測出10mm2內的晶粒數，測量三次取其平均值），并算出晶粒的平均面積填入下表中。5、用全組數據繪出形變度與再結晶后的晶