金屬的塑性變形與再結(jié)晶-材料科學(xué)基礎(chǔ)-實(shí)驗(yàn)-06

1、實(shí)驗(yàn)六 金屬的塑性變形與再結(jié)晶（Plastic Deformation and Recrystallization of Metals）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2 實(shí)驗(yàn)類型：綜合前修課程名稱：材料科學(xué)導(dǎo)論適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 觀察顯微鏡下變形孿晶與退火孿晶的特征； 2 了解金屬經(jīng)冷加工變形后顯微組織及機(jī)械性能的變化；3 討論冷加工變形度對(duì)再結(jié)晶后晶粒大小的影響。二、概述 1 顯微鏡下的滑移線與變形孿晶 金屬受力超過彈性極限后，在金屬中將產(chǎn)生塑性變形。金屬單晶體變形機(jī)理指出，塑性變形的基本方式為：滑移和孿晶兩種。所謂滑移，是晶體在切應(yīng)力作用下借助于金屬薄層沿滑移面相對(duì)移動(dòng)（實(shí)質(zhì)為位錯(cuò)沿滑

2、移面運(yùn)動(dòng)）的結(jié)果。滑移后在滑移面兩側(cè)的晶體位向保持不變。把拋光的純鋁試樣拉伸，試樣表面會(huì)有變形臺(tái)階出現(xiàn)，一組細(xì)小的臺(tái)階在顯微鏡下只能觀察到一條黑線，即稱為滑移帶。變形后的顯微組織是由許多滑移帶（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(diǎn)：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(gè)系統(tǒng)進(jìn)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

3、晶粒內(nèi)部交錯(cuò)起來，將晶粒分成許多小塊。（注：此類樣品制備困難，需要先將樣品進(jìn)行拋光，再進(jìn)行拉伸，拉伸后立即直接在顯微鏡下觀察；若此時(shí)再進(jìn)行樣品的磨光、拋光，滑移帶將消失，觀察不到。原因是：滑移帶是位錯(cuò)滑移現(xiàn)象在金屬表面造成的不平整臺(tái)階，不是材料內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的變化，樣品制備過程會(huì)造成滑移帶的消失。）另一種變形的方式為孿晶。不易產(chǎn)生滑移的金屬，如六方晶系的鎘、鎂、鈹、鋅等，或某些金屬當(dāng)其滑移發(fā)生困難的時(shí)候，在切應(yīng)力的作用下將發(fā)生的另一形式的變形，即晶體的一部分以一定的晶面（孿晶面或雙晶面）為對(duì)稱面，與晶體的另一部分發(fā)生對(duì)稱移動(dòng)，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

4、，呈鏡面對(duì)稱。所以孿晶變形后，由于對(duì)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。（注：孿晶是材料內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)上的變化，樣品制備過程不會(huì)造成孿晶的消失。）對(duì)體心立方結(jié)構(gòu)的，在常溫時(shí)變形以滑移方式進(jìn)行；而在0以下受沖擊載荷時(shí)，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(duì)金屬組織和性能的影響若變形前金屬為等軸晶粒，則，經(jīng)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)晶粒被拉長(zhǎng)，變形程度愈大，晶粒被拉得愈長(zhǎng)；當(dāng)變形程度很大時(shí)，則加劇了晶粒沿一定方向伸

5、長(zhǎng)，晶粒內(nèi)部被許多的滑移帶分割成細(xì)小的小塊，晶界與滑移帶分辨不清，呈纖維狀組織。（注：實(shí)驗(yàn)中觀察的、單相黃銅形變組織中看不到滑移帶）由于變形的結(jié)果，滑移帶附近晶粒破碎，產(chǎn)生較嚴(yán)重的晶格歪扭，造成臨界切應(yīng)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(qiáng)度、矯頑力、電阻增加，而塑性和韌性下降。 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(cuò)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)定狀態(tài)，有力求恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)，加熱則為之創(chuàng)造了條件，促進(jìn)這一過程的進(jìn)行。 變形后的金屬在較低溫度加熱時(shí)，金屬內(nèi)部的應(yīng)力部分

6、消除，歪曲的晶格恢復(fù)正常但顯微組織沒有變化，原來拉長(zhǎng)的晶粒仍然是伸長(zhǎng)的。這個(gè)過程是靠原子在一個(gè)晶粒范圍內(nèi)的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，稱為回復(fù)。這時(shí)金屬可部分地恢復(fù)機(jī)械性能，而物理性能，如導(dǎo)電性，幾乎全部恢復(fù)。 變形后金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上時(shí)，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(zhǎng)的晶粒消失，生成新的無內(nèi)應(yīng)力的等軸晶粒，機(jī)械性能完全恢復(fù)。如變形60%的-黃銅經(jīng)270再結(jié)晶退火后，其組織是由許多細(xì)小的等軸晶粒及原來纖維狀組織組成；溫度繼續(xù)升高，纖維狀組織全部消失為等軸晶粒。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。 在組織內(nèi)，經(jīng)再結(jié)晶退火后能看到明顯的退火孿晶，它是與基體顏色

7、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(cuò)現(xiàn)象所致。對(duì)于立方晶系的金屬，當(dāng)變形度達(dá)到7080%以上時(shí)，最低（開始）的再結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)有如下關(guān)系：金屬中有雜質(zhì)存在時(shí)，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(huì)影響其強(qiáng)度和塑性，而且還會(huì)顯著影響動(dòng)載下的沖擊韌性值。再結(jié)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(yù)先變形程度的關(guān)系，如下圖所示： 晶

8、 粒 大 小 臨界變形度 預(yù)先變形程度 當(dāng)變形度很小時(shí)，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(dāng)變形度在210%范圍內(nèi)時(shí)，金屬中變形極不均勻，再結(jié)晶時(shí)形核數(shù)量很少，再結(jié)晶后晶粒度很不均勻，晶粒極易相互吞并長(zhǎng)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(shí)的形核率愈大，再結(jié)晶后的晶粒便愈細(xì)。在進(jìn)行冷塑性變形時(shí)，應(yīng)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(xì)小的晶粒。臨界變形度，因金屬的本性及純度而異，鐵為715%，鋁為24%。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料 金相顯微鏡； 常溫下，變形度為10%的鋅變形孿晶試樣； 變形度為60%的-黃銅

9、，經(jīng)過270、350、550、750退火30min的一組金相試樣； 變形度為0%、20%、40%、60%的工業(yè)純鐵金相試樣一組；工業(yè)純鐵低溫沖擊試樣； 純鋁片不同變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒大小影響組樣四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 測(cè)定純鋁再結(jié)晶后晶粒大小與變形度的關(guān)系； 測(cè)量、記錄工業(yè)純鐵不同變形度（0、20、40、60%）試樣的硬度（HRB）； 觀察工業(yè)純鐵不同變形度（0%、20%、40%、60%）試樣的顯微組織；觀察鋅的變形孿晶、60%變形度的-黃銅的纖維組織； 觀察-黃銅經(jīng)60%形變后，不同再結(jié)晶溫度對(duì)再結(jié)晶晶粒大小的影響及退火孿晶的特征。五、實(shí)驗(yàn)過程 根據(jù)實(shí)際觀察、圖片，簡(jiǎn)述單相多晶體材料在變形情況下，

10、等軸晶晶粒的形貌變化：（ ）由本組試樣，希望建立明確的感性認(rèn)識(shí)：等軸晶粒在不斷加大的變形度的條件下形貌的變化；不同晶粒在變形時(shí)參與形變的程度的差異。 工業(yè)純鐵20%形變 工業(yè)純鐵40%形變 工業(yè)純鐵60%形變 工業(yè)純鐵60%形變750度再結(jié)晶工業(yè)純鐵20%形變后不同晶粒內(nèi)部顯微硬度測(cè)試 觀察變形度為60%的-黃銅，經(jīng)過270、350、550、750退火30min的一組金相試樣。根據(jù)觀察、圖片，了解再結(jié)晶溫度對(duì)再結(jié)晶晶粒大小的影響效果。 黃銅60%形變 黃銅60%形變270度再結(jié)晶 黃銅60%形變350度再結(jié)晶 黃銅60%形變550度再結(jié)晶黃銅60%形變750度再結(jié)晶270退火與未退火時(shí)的區(qū)別在于：（ ）。350退火與550退火的區(qū)別在于：（ ）。由750退火組織，說明退火孿晶的特點(diǎn)是：（ ）。 根據(jù)Zn孿晶樣品觀察、圖片，了解形變的另一種方式是：（ ）。純鋅形變孿晶 Zn出現(xiàn)孿晶現(xiàn)象的原因是：（ ）。 工業(yè)純鐵在0以下接受沖擊時(shí)，會(huì)出現(xiàn)與常規(guī)條件下的不同形變方式：（ ）。工業(yè)純鐵低溫沖擊其孿晶形貌是：（ ）；與劃痕如何區(qū)別：（ ）。根據(jù)工業(yè)純鐵低溫沖擊樣品與常規(guī)條件下變形樣品的比較，同學(xué)們可以知道：同樣的材料，在不同的變形條件下，變形的方式會(huì)（ ）。 記錄不同變形度的工業(yè)純鐵的硬度值（HRB）：（ ）。 根據(jù)教師提供的樣品組，建立純鋁片“變形度與再結(jié)晶后晶粒大