实验五--金属的塑性变形与再结晶--实验报告

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，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a－Fe，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，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70～80％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100—200℃。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5—1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2～10％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7—15％，铝为2～4％。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a－Fe，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）尺寸为140X12X0.5mm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5—1。（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500—6Q0℃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5—1试样编号123456要求变形度％13691216变形后的计算长度㎜101103106109112115腐蚀：①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。②腐蚀剂用纯铜50克，硝酸300cc，盐酸400cc和水300cc配成，或采用40％NaOH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：①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。②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