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1、 金属的塑性变形与再结晶一、 实验目的1 观察冷变形后金属的显微组织2 了解金属冷塑变形后与再结晶退火后显微组织3 了解冷加工变形度对再结晶晶粒大小影响4 讨论再结晶退火温度对退火晶粒大小影响二、 概 述1 显微镜下的滑移线与变形挛晶金属受力超过弹性极限后，在金属中特产生塑性变形。金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为滑移和孪晶两种。所谓滑移时晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。滑移后在滑移面两侧的晶体位相保持不变。把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。变形后的显微姐织是由许
2、多滑移带(平行的黑线)所组成。在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：各晶粒内滑移带的方向不同(因晶粒方位各不相同)，各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多(即变形量大)，有的晶粒内滑移带少(即变形量小)；在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象(在面心立方晶格情况下很易发现)，即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。另一种变形的方式为孪晶。不易产生滑移的金属，如六方晶系镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，
3、即晶体的部分以一定的晶面(孪晶面或双晶面)为对称面；与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。孪晶的结果是孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹孪晶带或双晶带。在密排六方结构的锌中，由于其滑移系少，则易以孪晶方式变形，在显微镜下看到变形孪晶呈发亮的竹叶状特征。对体心立方 结构的a一Fe，在常温时变形以滑移方式进行，而在0以下受冲击载荷时，则以孪晶方式变形，而面心立方结构大多是以滑移方式变形的。2、变形程度对金属组织和性能的影响变形前金属为等轴晶粒，轻微量变形后晶粒内即有滑移带出现，经过较大的变形后即发现晶
4、粒被拉长，变形程度愈大，晶粒被拉得愈长，当变形程度很大时，则加剧剧了晶粒沿一定方向伸长，晶粒内部被许多的滑移带分割成细小的小块，晶界与滑移带分辨不清，呈纤维状组织。由于变形的结果，滑移带附近晶粒破碎，产生较严重的晶格歪扭，造成临界切应力提高，使继续变形发生困难，即产生了所谓加工硬化现象。随变形程度的增加，金属的硬度、强度、矫顽力、电阻增加，而塑性和韧性下降，本实验的任务之一就是测定不同变形程度的aFe，的硬度变化，从而建立变形度对性能影响的关系曲线。3、形变金属在加热后组织和性能的影响加工硬化后的金属，由于晶粒破碎，晶格歪扭、位错密度、空位和间隙原子等缺陷的增加，使其内能增加，金属处于不稳定状
5、态，有力求恢复到稳定状态的趋势加热则之创造了条件，促进这一过程的进行。变形后的金属在较低温度加热时，金属内部的应力部分消除，歪曲的晶格恢复正常，但显微组织没有变化，原来拉长的晶粒仍然是伸长的。这个过程是靠原子在一个晶粒范围内的移动来实现的，称为回复。这时金属可部分地恢复舰械性能，而物理性能，如导电性，几乎全部恢复。变形后金属加热到再结晶温度以上时，发生再结晶过程，显微组织发生显著变化。再结晶使金属中被拉长的晶粒消失， 生成新的无内应力的等轴晶粒，机械性能完全恢复。如变形60的a黄铜经270再结晶退火后， 其组织是由许多细小的等轴晶粒及原来纤维状组织组，温度继续升高，纤维状组织全部消失为等轴晶粒
6、，此后温度再升高，就发生积聚再结晶，温度愈高，晶粒愈大。在a黄铜组织内，经再结晶退火后能看到明显的退火孪晶，是与基体颜色不同、边很直的小块。退火孪晶的产生是再结晶过程中，面心立方结构的新晶粒界面在推移过程中发生层错观象所致。对于立方晶系的金属，当变形度达到了7080以上时，最低(开始)的再结晶温度与熔点有如下关系：T再0.4T熔化(绝对温度计)金属中有杂质存在时，最低的再结晶温度显著变化。在大多数情况下，杂质均使再结晶温度升高。为了消除加工硬化现象，通常退火温 度要比其最低再结晶温度高出100200。变形金属经过再结晶后的晶粒度，不仅会影响其强度和塑性，而且还会显著影响动载下的冲击韧性值。再结
7、晶后晶粒的大小，不仅与再结晶退火的温度有关，而且与再结晶退火前的变形度有关。在同一再结晶退火温度下，晶粒度的大小与预先变形程度的关系，如图51所示。当变形度很小时，由于晶格歪扭程度很小，不足以引起再结晶，故晶粒大小不变。当变形度在210范围内时，金属中变形极不均匀，再结晶时形核数量很少，再结晶后晶粒度很不均匀，晶粒极易相互并吞长大，这样的变形度称“临界变形度”。大于临界变形度后，随着变形度的增加，变形愈均匀，再结晶时的形核率便愈大，再结晶后的晶粒便愈细。在进行冷塑性变形时，应尽量避免在临界变形度下变形，而采用较大的变形度，以获得较细小的品粒，临界变形度，因金属的本性及纯度而异，铁为715，铝为
8、24。4. 退火温度对再结晶后晶粒大小影响多数情况下，晶粒都会随退火温度的增高而粗化，这是因为实际退火时都已发展到晶粒长大阶段，这种粗化实质上是晶粒长大的结果。退火温度愈高，再结晶完成所需时间愈短，在相同保温时间下，晶粒长大时间更长，高温下晶粒长大速率也愈快，因而最终得到粗大的晶粒。 5. 保温时间对再结晶后晶粒大小影响在一定退火温度下，保温时间增加，晶粒逐渐长大，但达到一定尺寸后基本终止，所以在一定的温度下晶粒尺寸都会有一个极限值。若晶粒尺寸达到极限值后，再提高退火温度，晶粒还会继续长大，一直达到后一个温度下的极限值。这是因为原子扩散能力增加了，打破了晶界迁移与阻力的平衡关系;温度升高可使晶
9、界附近杂质偏聚区破坏，并促使弥散相部分溶解，使晶界迁移更易进行。6. 加热速度队再结晶后晶粒大小影响加热速度快，再结晶后晶粒细小。这是因为快速加热时，回复过程来不及进行或进行得很不充分，因而不会使冷变形储能大幅度降低。快速加热提高了实际再结晶开始温度，使形核率加大。此外，快速加热能减少阻碍晶粒长大的第二相及其他杂质质点的溶解，使晶粒长大趋势减弱，这也是加热速度对多相合金更为敏感的原因三、实验任务1、测定20钢再结晶盾晶粒大小与变形度的关系；2、测量工业纯铁不同变形度(0、14、56、81)试样的硬度；3、观察aFe显微组织特征，并拍摄组织照片，分析形成原因。四、实验方案 1、实验设备和材料（1
10、）金相显微镜；（2）手动拉伸机；（3）布氏硬度计或洛氏硬度计；（4）箱式电阻加热炉、切割机、砂轮机、抛光机、吹风机。 （2）实验用品：游标卡尺、不同粗细的金相砂纸一套、抛光磨料、硝酸酒精溶液、无水酒精。(3）实验试样：退火状态20钢试样若干。2、实验步骤实验前预习布氏硬度计和洛氏硬度计的原理，构造和操作，并阅读实验指导书。（1）用游标卡尺分别测量5块试样的初始长度，然后将试样放在压力试验机上进行压缩变形，变形量分别控制在15%，50%，80% *2（四块）左右，压缩后再次分别测量试样长度，计算实际变形量分别为14%，56%， 81.5% *2（四块）。在压缩机上分别将试样压缩到所要求的尺寸，压
11、缩时试样的长度方向必须平行于压缩方向。表1变形度与变形后长度关系图试样编号12345要求变形度0145681.581.5变形后长度1815.58.13.343.34（2）对变形量分别为14%，56%， 81.5% （取一个）的试样分别进行显微组织观察和硬度测试（HRB），硬度测试时每块试样打三次硬度后求平均值，分析不同形变度对组织和硬度的影响。（3）取两个变形量为81.5%的试样沿径向分别切开，得到4小块相同大小的试样，分别进行再结晶退火，退火温度分别为550，600，650，保温时间均为50min。（4）对再结晶退火的试样分别进行显微组织观察。显微组织最均匀且等轴晶粒最多的试样，取其退火温度
12、为最佳再结晶退火温度。（5）对经上述处理的三块试样分别进行显微组织观察和硬度测试，分析再结晶退火保温时间与组织、硬度的关系。（6）将变形后的试样集中起来，打磨、抛光、腐蚀，观察金相组织五、实验结果分析5.1形变量对组织和硬度的影响（1）原始组织间图2，塑性变形组织见图3、图4、图5。图2、20钢 原始组织 400X图3、20钢 变形14% 400X图4、20钢 变形度56% 400X图5、20钢 变形度81.5% 400X变形后硬度测量如表2表2硬度（HRB）形变度（%）平均硬度1493.85695.881.597.5结果分析：从不同塑性变形显微组织图中可以看出，随着变形度的增加，晶粒沿变形方
13、向逐渐伸长，到60%左右的变形度时，变形后显微组织拉长成为非常细长的形状。随着变形度不断增加，材料的硬度逐渐升高，即产生了加工硬化现象。加工硬化主要是由于随变形度增加，晶体中位错线通过运动与交互作用，呈现纷乱的不均匀分布，并形成位错缠结。随变形度进一步增加，大量位错聚集，并由缠结的位错形成亚结构。5.2不同温度退火后的组织将冷却后试进行宏观腐蚀，用0.3%的硝酸酒精溶液浸蚀，腐蚀后用自来水冲洗干净，擦干后即可看出晶粒。观察金相组织图，分析再结晶温度对再结晶晶粒大小的影响效果。退火后组织见图6、图7、图8.图6、550 81.5% 50min图7、600 81.5% 50min图8、650 81
14、.5% 50min结果分析：20钢在550退火50min下，对比原始组织其晶粒已明显消除了点伸长形状，但仍然显示着伸长形状，即退火不充分；600下退火50min时组织比550的已有带胞状，但依然不是完全再结晶；650时其组织已较均匀且等轴晶粒达到最多，故650为20钢的最佳再结晶温度；随温度继续升高，到710时，晶粒长大。根据约翰逊-梅厄方程及再结晶速度的阿累尼乌斯方程可导出，在相同结晶度下，再结晶时间，温度的关系为：1/t=A0exp（-Q/RT）。实验数据基本符合理论趋势。六、实验结论：20钢，在同一变形度同一时间下，随退火温度的升高，再结晶完成程度越大，在650时晶粒长大的趋势更明显。经过分析：20钢再结晶50min时的最佳温度为650，此时，再结晶退火后的显微组织最均匀，等轴晶粒最多，且晶粒未明显长大。在相同温度下再结晶退火，在一定时间范围内，随退火时间的增长，晶粒不断长大，硬度下降，塑性韧性上升。
