实验七 材料的塑性变形和再结晶

滑移变形具有以下特点: ①滑移在切应力作用下产生(图2)。
图 2 晶体在切应力作用下的变形
②滑移沿原子密度最大的晶面和晶 向发生。
滑移常沿晶体 中原子密度最 大的晶面和晶 向发生，因为 原子密度最大 的晶面之间间 距最大，点阵 阻力最小，原 子密度最大晶 向上原子间最 短，结合力最 弱，因此产生 滑移所需切应 力最小。
因此，一般在室温使用的 结构材料都希望获得细小而均 匀的晶粒。因为细晶粒不仅使 材料具有较高的强度、硬度， 而且也使它具有良好的塑性和 韧性，即具有良好的综合力学 性能。故生产中总是尽可能地 细化晶粒。
2.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响
塑性变形后，金属在组织和性能方面发生四个方面的变化： 1）产生纤维组织，性能由各向同性趋于各向异性。
• 变形金属在加热中一般经历三个过程： （1）回复 （2）再结晶 （3）晶粒长大
变形金属加热时组织和性能变化示意图
回复 再结晶
晶粒长大
组 织
变 内应力
化
性
能 变
强度
化
晶粒度 塑性
（1）回复
（2）再结晶
• 由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降， 塑性、韧性提高，加工硬化消失。
再结晶温度（T再）： 通常指经大变形度（70~80%）的变形后，在规定
图5a为锌的变形孪晶，其形貌特征为薄透镜状。纯铁在低温 下受到冲击时也容易产生变形孪晶，其形貌如图5b所示，在 这种条件下萌生孪晶并长大的速度大大超过了滑移速度。
a 锌的变形孪晶
100
b 铁的变形孪晶
图5 变形孪晶光学显微形貌
100
工业纯铁压缩变形——滑移线
纯锌冲击变形——孪晶
2.多晶体的塑性变形
这种现象称择优取向。这种由于塑性变形引起的各个晶 粒的晶格位向趋于一致的晶粒结构称为变形织构。
4）产生残余的内应力
残余的内应力力。 根据残余的内应力的作用范围分为三类。
2.3. 冷变形金属在加热时组织和性能的变化
• 冷变形金属材料随着宏观的变形增加其内能也增加，使组 织处于不稳定状态，存在着趋于稳定的倾向。但是由于室 温下原子活动能力极弱，这种不稳定状态能得以长期保存。 若对变形金属加热、提高原子活动能力则变形材料就会以 多种方式释放多余的内能，恢复到变形前的低内能的稳定 状态。然而，随着加热温度的不同，恢复的程度也不同。
的时间内能完成再结晶的最低温度。
再结晶过程不是一个恒温过程，而是在一定温度范 围内连续进行的过程。发生再结晶的最低温度称为再 结晶温度。
最低再结晶温度: 纯金属：T再（min）=（0.35~0.4）T熔； 合金： T再（min）=（0.5~0.7） T熔；
注：温度的单位为K；
（3）晶粒长大 当变形金属再结晶完成之后，若继续加热保温，则新生晶粒 之间还会大晶粒吞并小晶粒，使晶粒长大.
实验 金属的塑性变形和再结晶
董立新
一、实验目的
• 1）了解金属塑性变形及滑移带、变形孪晶的特征； • 2）了解冷塑性变形对金属组织和性能的影响； • 3）了解经冷塑性变形金属在加热时组织与性能的
变化规律； • 4）了解变形量对再结晶后晶粒大小的影响。
二、原理概述
2.1 金属的塑性变形
金属在外力的作用下的行为： 随着应力的增加，可先后发生弹性变形、塑性变形、直至断
• 晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性 降低。
2.4 再结晶后的晶粒大小
变形金属经再结晶退火后，强度、硬度下降，塑性、 韧性上升。
但这并不意味着与变形前完全一样，中心问题是再 结晶后的晶粒大小，所以，就必须了解决定再结晶退 火后晶粒度的因素有哪些？
影响因素有： （1）加热温度
⑵ 变形量
⑴ 加热温度的影响
裂。
• 金属材料发生塑性变形，在外力除去后，变形永久残留。 • 塑性变形是材料的一个重要的特性
塑性变形的基本方式有：滑移和孪生两种
1.单晶体的塑性变形 （1）滑移带，如图1所示。
图1 纯锌单晶体滑移变形示意图
滑移：所谓滑移即在切应力作用下晶体的一部分沿一定的晶 面和晶向相对于另一部分产生滑动。所沿晶面和晶向称为滑 移面和滑移方向。
退火
15%变形 后经
550℃退
再结晶全图：变形量和加热温度对再结晶后晶粒度的影响
三、实验内容
• 观察纯铝经不同塑性变形量后再结晶的组织；
• 测定晶粒大小：
将退火状态的长约15O mm，宽约40mm，厚约 0.5～2．0mm的铝片，在小型拉伸机上拉伸。使 其变形量分别为2％、 3％、 5%、6％、 9％、 12％、15%。然后在550℃加热炉内保温40分钟， 出炉空冷至室温后浸蚀，当表面显出清晰的晶粒 时立即取出、用水冲洗并吹干。然后数出单位面 积（1cm2）内的晶粒数N，记入下表中
(2)晶界的影响
当位错运动到晶界附近时，收到 晶界的阻碍而堆积起来，称之为 位错的塞积。要使变形继续进行， 则必须增加外力，从而使金属的 变形抗力提高。
(3)晶粒大小的影响
一般地，金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。
因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越 多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属 塑性变形的抗力越高。
再结晶时，加热温度越高，原子的活动能力越强，越有 利于晶界的迁移，所以，退火后晶粒越粗大；同时，在加热 温度一定时，保温时间越长，晶粒越粗大。
⑵ 变形量的影响：
当变形度很小时，晶粒度仍保持原样；（因为变形度小， 畸变能小，不足以引起再结晶）
当变形度在2%~10%时，再结晶后的晶粒特别粗大。将此 范围的变形度称为“临界变形度”，生产上应尽量避免在 此范围内变形。
变形量％ 每平方厘米晶粒数N 晶粒大小（1/N）
2
3
5
6
9
12 15
四、材料及设备
1．材料 不同变形量的纯铝试样一套；
2．设备 拉伸试验机、电阻炉、多媒体教学设备。
五、实验报告要求
• 1．实验目的； • 2．实验原理； • 3. 根据实验结果绘出“铝片的晶粒大小—变形量”
关系曲线，并确定临界变形量。
滑移的机理
位错运动的滑移的机理
图3 位错的运动
图4 通过位错运动产生滑移的示意图
（2）孪生
孪生通常是晶体难以进行滑移时而发生的另一种塑性变形 方式。
孪生是指晶体的一部分沿着一定晶面和晶向相对于另一部 分所发生的切变。
以孪生方式形变的结果将产生孪晶组织，在面心立方晶体 中一般难以见到变形孪晶，而在密排六方晶体中比较容易见 到。因为密排六方晶体的滑移系少，塑性变形经常以孪生方 式进行。
• 低碳钢在不同变形量下的组织形貌：
5%变形量，200
15%变形量， 200
20%变形量， 200
30%变形量，200
50%变形量，200
70%变形量，200
2）产生加工硬化现象
随着金属材料变形量的增加，材料的强度和硬度增
加，塑性下降的现象称为加工硬化。
3）产生变形织构
当塑性变形量很大时，各晶粒位向都大体上趋于一致了，
单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形比单 晶体复杂。
图3-5 两个晶粒试样在拉伸时的变形
(1)晶粒取向的影响
由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒 发生塑性变形，为了保持金属的连续性， 周围的晶粒必以弹性变形来与之协调。 这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变 形阻力。由于这种晶粒间的这种相互约 束，使多晶体金属的塑性变形抗力提高
③滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍。
滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移 线组成一个滑移带。
④滑移的同时伴随着晶体的转动。如图1(b)右 图所示。
转动有两种方式：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移 方向向最大切应力方向转动。
转动的原因：晶体滑移 后使正应力分量和切应 力分量组成了力偶。
当变形大于临界变形度后，随着变形的增加，变形便越趋 于均匀，再结晶时的形核数目越多，故晶粒就越细小均匀。
当变形度大于90%以上时，某些金属还会出现晶粒的异常 长大。
冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响（纯铝片试样）
3%变形后 经550℃退
火
6%变形后 经550℃
退火
9%变形后 经550℃退
火
12%变形 后经550℃