北科大材科基实验金属冷变形

金属材料冷变形与退火过程的组织和性能分析张问作为对于力作用的响应，材料发生的几何形状和尺寸的变化称为变形。根据除去载荷后材料是否恢复到原始形状和尺寸，变形由可分为弹性变形和索性百年行。本实验进行观察的是塑性变形对材料微观组织和力学性能的影响规律，且仅涉及在低于材料再结晶温度的条件下以滑移、孪生等基本形式发生的塑性变形，因为材料冷变形所引起的组织结构变化和力学性能变化可以在变形后保留下来。首先，冷形变导致晶粒组织呈现方向性，且其程度随变形量的增大而增大。在形变前显微组织为等轴晶粒，经受较大程度的方向性形变后则导致晶粒沿受力方向伸展，变形程度越大则晶粒被拉得越长。当变形程度很大时，晶粒不但被拉长，晶粒内部还会被许多的滑移带分割成细的小块，晶界与滑移带分辨不清，呈纤维状组织。通过对本实验中冷形变后的一组纯铁金相样品以及冷变形黄铜未退火样品的光学显微镜观察可以容易地证实这一点。而对于冷形变材料中晶体缺陷密度的增大和变化等的观测，光学显微镜是无能为力的；若确实必须进行观测，则需要电子显微镜及其它研究手段才行。冷变形导致的形变织构的形成等重要微观组织变化特征研究，则更超出了本实验的观测与讨论范围。1实验材料及方法1.1实验材料α-Fe:经0%、20%、40%、60%常温变形和经低温高速冲击变形样品各1块，均为经化学浸蚀好的金相样品（光学显微镜观察用），浸蚀剂：4%硝酸酒精。另备经退火并电解抛光后常温微量变形的α-Fe样品1块，变形后不浸蚀。Al：经退火和电解抛光后常温微量变形的Al片1组;(变形后不抛磨、不浸蚀)。Zn：经常温变形且经化学浸蚀好的金相样品1块。浸蚀剂：HNO3:HCl=1:1。（光学显微镜观察用）纯Cu：经0%、20%、40%、60%常温变形样品各1块（测量变形量与硬度的对应曲线用）。金相显微镜，TH320全洛氏硬度计1.2实验方法用金相显微镜直接观察经0%、20%、40%、60%常温变形和经低温高速冲击变形的α-Fe，常温变形的Zn，电解抛光后拉伸的Al。用洛氏硬度计测量不同形变量的纯铜，每组测量8个数据，处理时舍去第一个数据。1.选取纯铜合适区域放在样品台上，摩擦样品下表面使与样品台紧密接触；2.缓慢转动手轮至样品与测试触头接触，直至显示屏箭头完全指向右方；3.等待仪器自动加载及卸载，读取数据；4.重复测量8组。2实验结果2.1纯铝纯铝的晶粒随着变形量的增加逐渐变细增多。2.2纯铜硬度测试：Table1Therelationshipbetweenpurecoppershapevariableandhardness表1纯铜的形变量与硬度关系Hardness(HBR)Formvariable(0%)Formvariable(20%)Formvariable(40%)Formvariable(60%)121.236.848.255.2218.836.250.055.8311.835.250.557.2413.137.449.556.1515.136.852.354.8611.736.751.655.5714.637.951.255.0816.840.450.054.7Averagehardness15.437.250.455.5利用Origin作图：03060204060Hardness(HBR)Formvariable(%)HardnessFigure1Therelationshipbetweenpurecoppershapevariableandhardness图1纯铜应变硬度关系图结合图1可知，随着纯铜形变量的增加，纯铜的硬度逐渐增加，硬度和形变量近似成正相关。2.3纯铁和纯铝Figure2Pureiron,polished,4%alcohol,200times图2纯铁,抛光压缩,4%硝酸酒精200倍图2中纯铁的晶界不明显，晶粒中存在滑移带，和交滑移，且滑移方向不唯一，说明铁素体晶粒的取向不唯一。Figure3Purealuminum,electrolyticpolishing,200times图3纯铝,电解抛光,200倍图3中纯铝组织的晶粒较大，晶界明显，可知两个晶粒间取向差较大，在同一个晶粒中存在滑移带，滑移线间距小，比较密集。2.4纯锌和纯铁Figure4Purezinc,roomtemperaturedeformation,HNO3:HCl=1:1200times图4纯锌,室温变形,HNO3：HCl=1:1,200倍纯锌的晶粒较大，挛晶大多沿着垂直于晶界的方向长出，挛晶在三维空间中可能相交贯穿或终止Figure5Pureiron,lowtemperaturehammer,4%alcohol,200times图5纯铁，低温锤击，4%硝酸酒精，200倍纯铁中挛晶相对于铁素体晶粒较大，通常贯穿整个挛晶，但是挛晶出现的密度不大，在每个晶粒中只出现几个挛晶，这和其晶粒的尺寸有关。2.5不同形变的纯铁Figure6Pureiron,undeformed,4%nitratealcohol,200times图6纯铁，未变形，4%硝酸酒精，200倍Figure7Pureiron,20%,4%alcohol,200times图7纯铁，变形20%，4%硝酸酒精，200倍Figure8Iron,40%,4%alcohol,200times图8纯铁，变形40%，4%硝酸酒精，200倍Figure9Pureiron,60%,4%alcohol,200times图9纯铁，变形60%，4%硝酸酒精，200倍不同变形量的纯铁的晶粒形貌不同，形变量越大，晶粒的多呈扁平状出现，推测晶粒的宽度方向为外力作用方向，压缩量越大，晶粒的形貌变化越明显，最终晶粒会断裂成更小的晶粒。3分析讨论从图1中可以看出，在0-60%的形变量内，纯Cu的硬度值随着型变量的增大而增大。参照图6，图7，图8，图9，铁的形变微观组织图，形成这种现象的原因是冷变形后金属内部的位错密度将大大增加，且位错相互缠结并形成胞状结构，位错滑移受阻，加大了位错滑移的难度，产生形变硬化。在整个塑性阶段，纯铜的硬度随之形变量的增加而增加。α-Fe为体心立方结构，滑移面有{110}，{211}，{321}，滑移方向有-111,机械抛光浸蚀压缩后在不同区兴晶粒中滑移系也不同，在图2中，每个晶粒内的滑移方向还是一致的，但每个晶粒中滑移方向和外力方向的取向因子都是最小的。Al为面心立方结构，滑移面为{111}，滑移方向为101，滑移系共有12个。在图3中，其金相组织平整，但在实际观察中，失业中大多数晶粒都略微凸起，在视场下存在不同的衬度，这些晶粒的滑移带十分密集，在显微镜中颜色较深。图3中只有3个晶粒，每个晶粒中滑移线近似平行排列。Zn为hcp结构，α-Fe为bcc结构，铁的潜在滑移系比锌的多，hcp在很低的形变下就可以产生挛晶，很快随着应变的增加而逐渐长大，从图3，图4来看，锌的挛晶为板条状，存在尖角，铁的挛晶为扁条状，在晶粒中平行排列，锌的挛晶在同个晶粒内存在多个方向，但大都沿着晶界分布。由此推测挛晶的类型和晶体的结构有关。铁在不同形变量时，其晶粒的形状不同，晶粒沿着外力方向被压扁，外力越大压扁的越大，在垂直于外力方向伸长，可以测量这两个方向的晶粒尺寸的变化来计算其是否符合广义胡克定律。思考题：通常fcc有12个滑移系,bcc有48个滑移系,hcp有48个滑移系若将样品再重新抛光后不能看到滑移带，滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，也就是滑移带存在于晶粒内部，浸蚀是对整个晶粒的作用，因此样品制备过程会造成滑移带的消失。若将样品再重新抛光后不能看到形变孪晶，挛晶是内部晶体结构发生变化，互为孪生的两个晶粒存在特殊取向差，本质上和其他晶粒没有差别，只不过取向差较为特殊。因此重新制备样品形变挛晶不会消失。4结论冷变形使纯铝的晶粒细化。冷变形可以使纯铜的硬度发生变化，冷变形程度越大，硬度增加的越多。冷变形使金属产生滑移和孪生，滑移带和孪生的多少和方向和晶体种类和晶粒取向有关，α-Fe的滑移带和挛晶最多。冷变形使纯铁晶粒形状发生变化，沿着压缩方向晶粒变薄，垂直于压缩方向晶粒变长，晶粒的变形程度与冷变形量正相关。最后感谢姚志浩老师在课上的细致讲解，实验室老师给与的支持，贺茵茵班长的配合，谢谢！参考文献[1]杨平.材料科学与工程基础实验指导书[M].北京:北京科技大,2004；63-67[2]余永宁.材料科学基础[M].北京:高等教育出版社,2016；553-558