塑性變形與再結(jié)晶課程實驗

1、 金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、 實驗目的1 觀察冷變形后金屬的顯微組織2 了解金屬冷塑變形后與再結(jié)晶退火后顯微組織3 了解冷加工變形度對再結(jié)晶晶粒大小影響4 討論再結(jié)晶退火溫度對退火晶粒大小影響二、 概 述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(chǎn)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（實質(zhì)為位錯沿滑移面運動）的結(jié)果?；坪笤诨泼鎯蓚?cè)的晶體位相保持不變。把拋光的純鋁試樣拉伸，試樣表面會有變形臺階出現(xiàn)，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

2、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(nèi)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(nèi)滑移帶多(即變形量大)，有的晶粒內(nèi)滑移帶少(即變形量小)；在同一晶粒內(nèi)，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(xiàn)在一些變形量大的晶粒內(nèi)，滑移沿幾個系統(tǒng)進行，經(jīng)?？匆婋p滑移現(xiàn)象(在面心立方晶格情況下很易發(fā)現(xiàn))，即兩組平行的黑線在晶粒內(nèi)部交錯起來，將晶粒分成許多小塊。另一種變形的方式為孿晶。不易產(chǎn)生滑移的金屬，如六方晶系鎘、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，

3、即晶體的部分以一定的晶面(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(jié)果是孿晶面兩側(cè)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(jié)構(gòu)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。對體心立方 結(jié)構(gòu)的a一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(jié)構(gòu)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變形前金屬為等軸晶粒，輕微量變形后晶粒內(nèi)即有滑移帶出現(xiàn)，經(jīng)過較大的變形后即發(fā)現(xiàn)晶

4、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，則加劇劇了晶粒沿一定方向伸長，晶粒內(nèi)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(jié)果，滑移帶附近晶粒破碎，產(chǎn)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(chǎn)生了所謂加工硬化現(xiàn)象。隨變形程度的增加，金屬的硬度、強度、矯頑力、電阻增加，而塑性和韌性下降，本實驗的任務之一就是測定不同變形程度的aFe，的硬度變化，從而建立變形度對性能影響的關(guān)系曲線。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(nèi)能增加，金屬處于不穩(wěn)定狀

5、態(tài)，有力求恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢加熱則之創(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(nèi)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(nèi)的移動來實現(xiàn)的，稱為回復。這時金屬可部分地恢復艦械性能，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(jié)晶溫度以上時，發(fā)生再結(jié)晶過程，顯微組織發(fā)生顯著變化。再結(jié)晶使金屬中被拉長的晶粒消失， 生成新的無內(nèi)應力的等軸晶粒，機械性能完全恢復。如變形60的a黃銅經(jīng)270再結(jié)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，溫度繼續(xù)升高，纖維狀組織全部消失為等軸晶粒

6、，此后溫度再升高，就發(fā)生積聚再結(jié)晶，溫度愈高，晶粒愈大。在a黃銅組織內(nèi)，經(jīng)再結(jié)晶退火后能看到明顯的退火孿晶，是與基體顏色不同、邊很直的小塊。退火孿晶的產(chǎn)生是再結(jié)晶過程中，面心立方結(jié)構(gòu)的新晶粒界面在推移過程中發(fā)生層錯觀象所致。對于立方晶系的金屬，當變形度達到了7080以上時，最低(開始)的再結(jié)晶溫度與熔點有如下關(guān)系：T再0.4T熔化(絕對溫度計)金屬中有雜質(zhì)存在時，最低的再結(jié)晶溫度顯著變化。在大多數(shù)情況下，雜質(zhì)均使再結(jié)晶溫度升高。為了消除加工硬化現(xiàn)象，通常退火溫 度要比其最低再結(jié)晶溫度高出100200。變形金屬經(jīng)過再結(jié)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(jié)

7、晶后晶粒的大小，不僅與再結(jié)晶退火的溫度有關(guān)，而且與再結(jié)晶退火前的變形度有關(guān)。在同一再結(jié)晶退火溫度下，晶粒度的大小與預先變形程度的關(guān)系，如圖51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(jié)晶，故晶粒大小不變。當變形度在210范圍內(nèi)時，金屬中變形極不均勻，再結(jié)晶時形核數(shù)量很少，再結(jié)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(jié)晶時的形核率便愈大，再結(jié)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

8、24。4. 退火溫度對再結(jié)晶后晶粒大小影響多數(shù)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(zhì)上是晶粒長大的結(jié)果。退火溫度愈高，再結(jié)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(jié)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(guān)系;溫度升高可使晶

9、界附近雜質(zhì)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(jié)晶后晶粒大小影響加熱速度快，再結(jié)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?？焖偌訜崽岣吡藢嶋H再結(jié)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(zhì)質(zhì)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(jié)晶盾晶粒大小與變形度的關(guān)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

10、）金相顯微鏡；（2）手動拉伸機；（3）布氏硬度計或洛氏硬度計；（4）箱式電阻加熱爐、切割機、砂輪機、拋光機、吹風機。 （2）實驗用品：游標卡尺、不同粗細的金相砂紙一套、拋光磨料、硝酸酒精溶液、無水酒精。(3）實驗試樣：退火狀態(tài)20鋼試樣若干。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(gòu)造和操作，并閱讀實驗指導書。（1）用游標卡尺分別測量5塊試樣的初始長度，然后將試樣放在壓力試驗機上進行壓縮變形，變形量分別控制在15%，50%，80% *2（四塊）左右，壓縮后再次分別測量試樣長度，計算實際變形量分別為14%，56%， 81.5% *2（四塊）。在壓縮機上分別將試樣壓縮到所要求的尺寸，壓

11、縮時試樣的長度方向必須平行于壓縮方向。表1變形度與變形后長度關(guān)系圖試樣編號12345要求變形度0145681.581.5變形后長度1815.58.13.343.34（2）對變形量分別為14%，56%， 81.5% （取一個）的試樣分別進行顯微組織觀察和硬度測試（HRB），硬度測試時每塊試樣打三次硬度后求平均值，分析不同形變度對組織和硬度的影響。（3）取兩個變形量為81.5%的試樣沿徑向分別切開，得到4小塊相同大小的試樣，分別進行再結(jié)晶退火，退火溫度分別為550，600，650，保溫時間均為50min。（4）對再結(jié)晶退火的試樣分別進行顯微組織觀察。顯微組織最均勻且等軸晶粒最多的試樣，取其退火溫度

12、為最佳再結(jié)晶退火溫度。（5）對經(jīng)上述處理的三塊試樣分別進行顯微組織觀察和硬度測試，分析再結(jié)晶退火保溫時間與組織、硬度的關(guān)系。（6）將變形后的試樣集中起來，打磨、拋光、腐蝕，觀察金相組織五、實驗結(jié)果分析5.1形變量對組織和硬度的影響（1）原始組織間圖2，塑性變形組織見圖3、圖4、圖5。圖2、20鋼 原始組織 400X圖3、20鋼 變形14% 400X圖4、20鋼 變形度56% 400X圖5、20鋼 變形度81.5% 400X變形后硬度測量如表2表2硬度（HRB）形變度（%）平均硬度1493.85695.881.597.5結(jié)果分析：從不同塑性變形顯微組織圖中可以看出，隨著變形度的增加，晶粒沿變形方

13、向逐漸伸長，到60%左右的變形度時，變形后顯微組織拉長成為非常細長的形狀。隨著變形度不斷增加，材料的硬度逐漸升高，即產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象。加工硬化主要是由于隨變形度增加，晶體中位錯線通過運動與交互作用，呈現(xiàn)紛亂的不均勻分布，并形成位錯纏結(jié)。隨變形度進一步增加，大量位錯聚集，并由纏結(jié)的位錯形成亞結(jié)構(gòu)。5.2不同溫度退火后的組織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(jié)晶溫度對再結(jié)晶晶粒大小的影響效果。退火后組織見圖6、圖7、圖8.圖6、550 81.5% 50min圖7、600 81.5% 50min圖8、650 81.5% 50min結(jié)果分析：20鋼在550退火50min下，對比原始組織其晶粒已明顯消除了點伸長形狀，但仍然顯示著伸長形狀，即退火不充分；600下退火50min時組織比550的已有帶胞狀，但依然不是完全再結(jié)晶；650時其組織已較均勻且等軸晶粒達到最多，故650為20鋼的最佳再結(jié)晶溫度；隨溫度繼續(xù)升高，到710時，晶粒長大。根據(jù)約翰遜-梅厄方程及再結(jié)晶速度的阿累尼烏斯方程可導出，在相同結(jié)