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1、实验五 金属的塑性变形与再结晶一,实验目的1、观察显微镜下滑移绒、变形孪晶与退火孪晶的特征;2、了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化;3、讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。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多滑
2、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
4、后即发现晶粒被拉长,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
5、处于不稳定状态,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
6、组织全部消失为等轴晶粒,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
7、还会显著影响动载下的冲击韧性值。再结晶后晶粒的大小,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
8、度,因金属的本性及纯度而异,铁为715,铝为 24。三、实验任务1、测定纯铝再结晶盾晶粒大小与变形度的关系 9;2、测量工业纯铁不同变形度(0、20、40、60)试样的硬度;3、观察 aFe ,纯铝滑移带,锌的变形挛晶、 a 黄铜的退火孪晶的特征,并拍摄组织照片,分析形成原因。四、实验方法指导 1、实验设备和材料(1)金相显微镜;(2)手动拉伸机;(3)加热炉;(4)布氏硬度计或洛氏硬度计;(5)纯铝、纯铁滑移带试样;(6)常温下变形度为 10的锌变形孪晶试样;(7)变形度为 40的黄铜,经 750退火 30 分钟的退火孪晶试样;(8)变形度为 0、20、40、60的工业纯铁试样一套;(9)尺
9、寸为 140X12X 0.5mm 铝片一组六根。2、实验步骤 实验前学生应仔细阅读附录六,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)六人一小组,一人一纯铝片。用软铅笔在铝片中部划出 l00mm 长度的计算距离,刻度线间距离的测量力求准确,试片两端打上编号,编号顺序见表 51。(2)在拉伸机上分别将试样拉到所要求的尺寸,拉伸时纯铝片的长度方向必须平行于拉伸方向。(3)将变形后的试样集中起来,一起放入 5006Q0的炉中加热 30 分钟,试样冷却后(可用水冷) 进行宏观腐蚀,以显示晶粒大小。表 51试样编号 1 2 3 4 5 6要求变形度 1 3 6 9 12 16变
10、形后的计算长度 101 103 106 109 112 115腐蚀: 用 1:1 的硝酸盐酸溶液浸蚀,当能清楚地用肉眼看到晶粒时,即可用水冲洗。 腐蚀剂用纯铜 50 克,硝酸 300cc,盐酸 400cc 和水 300cc 配成,或采用 40NaOH 腐蚀。腐蚀后用自来水冲洗干净,擦干后即可看出晶粒。(4)观察试样上晶粒的分布情况,统计 lcm2 面积中的晶粒数目。(5)测量工业纯铁不同变形度的硬度 HB。(6)观察滑移带,变形孪晶、退火孪晶的特征,比较它们的区别和形成,拍摄出组织示意图。五、实验报告要求1、报告内容包括实验目的、任务和实验结果,2、 根据记录,建立纯铝片“变形度与再结晶后晶粒
11、大小”的关系曲线,讨论变形度对纯铝片再结晶晶粒大小的影响;3、根据实验结果,分析冷变形对纯铁性能(硬度)的影响;4、思考题: 在显微镜下为什么能看到滑移带?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。 滑移带与孪晶有何区别?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。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,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。20变形前 20变形后45变形前 45变形后45变形后铝片不同的变形量