塑性变形与回复再结晶实验指导书

实验4 塑性变形与回复再结晶

一、实验目的

1．加深对加工硬化现象和回复再结晶的认识。

2．通过实验分析加工温度和变形程度对所选原材料组织和性能的影响。

3．测定所选原材料（例如工业纯铝）的形变度与再结晶后的晶粒度的关系曲线。

二、实验原理

1、加工硬化现象

当金属与合金在外力的作用下，应力超过弹性极限以后，将发生塑性形变。金属在塑性形变过程中，组织与性能将发生变化。一般说来随着形变程度的增加，金属的强度、硬度提高而塑性下降，同时也造成其它物理化学性能的明显变化。人们就把金属因塑性变而导致的强度和硬度增加的现象称为加工硬化。

2、金属经塑性形变后显微组织的变化

金属经塑性形变以后，其组织发生以下的变化。

(1)金属在塑性形变后，组织也将发生相应的变化，例如在轧制后，晶粒沿着形变方向被拉长，其程度随形变量的加大而增大，当形变量很大时，晶粒伸长呈“纤维状”。与此同时，除晶粒的形状发生变化外，组织中的第二相也将发生变化，硬的相将破碎，软的相将发生形变等。

(2)塑性形变导致金属组织内部的亚结构细化。在形变不大的情况下，晶粒内首先出现明显的滑移带，随着形变量的加大。滑移带逐渐增多。射线结构分析结果表明：晶粒被碎化成许多位向略有不同（位向差一般不大于1°）的晶块，其大小约为10-3～10-6厘米，即在原来晶粒内出现了很多小晶块，这种组织称为亚结构。

(3)金属塑性形变时，由于各部分的形变的不均匀性而造成的内应力（第一类，第二类，第三类内应力）将增大。

(4)当金属的塑性形变量很大时，在形变过程中晶体将产生转动和旋转，使各晶粒的某一晶向都不同程度的转向与外力相近的方向，这样便使得原来晶向不同的晶粒取向渐趋一致。而使其具有择优趋向组织称之为形变结构。

金属塑性形变后组织和性能的变化规律，在生产中有一定的实际意义，为此应了解这一变化规律，从而能更好的为生产服务。

塑性形变的方式，主要有两种。其一是滑移形变方式，其二是孪晶形变方式。至于形变结构与机理，这里不做叙述。

3、回复与再结晶

由于塑性形变，使晶格畸变增大（使错密度增加，亚结构细化等），使得冷形变金属的自由能升高而处于不稳定状态。因此，便有一种向较稳定状态转化的自发趋势。

如将冷形变后的金属加热到较高的温度，使其原子具有一定的扩散能力，就会产生一系列组织与性能的变化。这个变化过程就是回复——再结晶及晶粒长大（聚集再结晶）过程，参看图1。

回复：当加热温度较（再结晶温度）低时，通过原子作短距离的扩散，使某些晶体缺陷互相抵消而使缺陷数量减少；使晶格畸变程度减轻（由多边化结果导致）；第一类、第二类内应力基本消除；显微组织无变化，机械性能和物理化学性能部分的恢复到形变前的状态，如硬度、强度稍微下降，塑性略有提高；导磁率上升，比电阻下降等，这一过程称为回复。

再结晶：冷形变金属加热到某一温度，由于原子扩散能力的增大，组织和性能将发生剧烈的变化，完全回复到形变以前的情况。从显微组织看形变组织完全消失，代之的是新的等轴晶粒；其强度硬度下降而塑性提高。把在这一温度下组织和性能发生剧烈变化的现象称做

再结晶。

能够发生再结晶的最低温度称为再结晶温度。一般以金属或合金经大的变形量大于70%塑性变形后，在某一温度保温一小时，能够完全再结晶的温度定为这一合金的再结晶温度。

聚集再结晶：冷形变金属再结晶后，当继续在更高温度加热时，晶粒就会长大，机械性能变坏。这种晶粒长大现象称为聚集再结晶。

影响金属的再结晶温度及再结晶后组织的因素很多，以下分别讨论之。

4、影响再结晶温度的因素

(1)形变程度的影响：冷形变程度愈大，畸变愈严重，畸变能也就愈高，合金就愈不稳定，向低能量状态变化的倾向也越大，因此再结晶温度就愈低。

实验结果表明，当形变程度较大时，各种工业纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在下列关系：

T再≈（0.35~0.40）T熔

式中T再——金属的再结晶温度（K）；T熔----金属的熔点（K）

（2）合金元素及杂质的影响：合金元素对再结晶温度的影响比较复杂。在金属中含有少量合金元素时，由于它们阻碍再结晶过程中位错的移动，使得再结晶难以进行，也就使得再结晶温度升高。当金属中合金元素数量较多时，则可能提高也可能降低再结晶温度，这要看合金元素对基体金属原子扩散速度的影响，以及合金元素对再结晶形核时的表面能的影响而定。例如Cr、W、Mo等元素可使钢的再结晶温度升高。

（3）加热时间的影响：加热速度和加热时间也明显的影响再结晶温度。当形变度一定时，加热时间愈短，则再结晶温度愈高。

5、影响再结晶后晶粒度的因素：

（1）加热温度的影响：经相同程度的冷形变金属，再结晶退火后的晶粒度大小一般是随加热温度和在加热温度下的保温时间的不同变化。加热温度愈高，时间愈长，晶粒就愈粗大。

（2）形变度的影响：金属材料再结晶退火后的晶粒大小与其形变度之间的关系。

当形变量很小时，由于畸变能很小，不能形核，金属不发生再结晶，因此晶粒大小基本不变；而当金属材料经受某一不大的冷形变度之后，于再结晶退火时，其晶粒异常地长大到极大的尺寸，这一形变度称为临界形变度。对一般金属或合金，其临界形变度约为2~10%左右。例如纯Fe、纯Cu、纯Al的临界形变度分别为5~6%，5%，2%等。在形变量超过临界形变度后，再结晶后的晶粒度大小，将随着冷形变度的增加而减少。

当形变量很大时（一般大于70%），经过再结晶退火后晶粒又变得很粗大。

三、实验设备

材料万能试验机，中温电阻炉，放大镜，金相显微镜。

四、实验内容与步骤

实验内容：

ⅰ.观察H68经不同形变度及不同再结晶温度退火后的纤维组织。

ⅱ.在显微镜下观察纯铝试样抛光表面经拉伸后的滑移带。

ⅲ.测定工业纯铝的形变度与再结晶后的晶粒度的关系曲线。

实验步骤：

1、每人取一个铝片（尺寸150×10×1mm），用铅笔在铝片上做出标记，如图4所示。并用字头打上编号，编号按表1所示。之后将铝片装在拉伸机上分别进行拉伸一定的变形量。

2、将形变后的试样，一起装入500℃的炉中加热进行退火，保温30分钟后空冷至室温。

3、退火后的试样用王水腐蚀，腐蚀时间以晶粒度清晰可见为准，然后用清水冲洗并迅速干燥。

4、测出晶粒度。测出单位面积内晶粒的数量（先测出10mm2内的晶粒数，测量三次取其平均值），并算出晶粒的平均面积填入下表中。

5、用全组数据绘出形变度与再结晶后的晶粒度的关系曲线。

五、实验报告要求

用全组数据，绘出形变度与再结晶后晶粒大小的关系曲线。

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