实验五 金属的冷塑性变形与再结晶

实验五金属的冷塑性变形与再结晶

陈灵

一、实验目的

1.了解金属经冷塑性变形与再结晶后的显微组织变化。

2.了解变形程度对金属再结晶晶粒度的影响。

二、实验说明

当作用于金属的外力超过其屈服极限时金属产生塑性变形，使金属的外部尺寸，内部组织及其性能发生变化。

1. 冷塑性变形对金属组织与性能的影响

若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。

金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。图5-1为工业纯铁经不同程度变形的显微组织。

图5-1 工业纯铁冷塑性变形后组织150×

a)变形程度20% b)变形程度50% c)变形程度70%

金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。此外，在金属内部还产生残余应力。一般情况下，残余应力不仅降低了金属的承载能力，而且还会使工件的形状与尺寸发生变化。

2. 冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化

金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。但在室温下，由于原子活动能力不足，恢复过程不易进行。若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。

（1）回复：当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持着纤维组织的特征。此时，因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。但造成加工硬化的主要原因未消除，故其力学性能变化不大。

（2）再结晶：当加热温度较高时，将首先在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸变严重的地带，通过形核与长大方式进行再结晶，图5-2反映了冷塑性变形工业纯铁的再结晶过程的显微组织。冷变形金属在再结晶后获得了新的等轴晶粒，因而消除了冷加工纤维组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形前的状态。

图5-2 工业纯铁再结晶过程的显微组织150×

a)550℃再结晶b)600℃再结晶c) 850℃再结晶

金属的再结晶过程是在一定温度范围内进行的。通常把变形程度在70%以上的冷变形金属经1h加热能完全再结晶的最低温度，定为再结晶温度。实验证明，金属的熔点愈高，在其他条件相同时，其再结晶温度也愈高。金属的再结晶温度(T再)与其熔点(T熔)间的关系，

大致可用下式表示：T T 再熔 (式中各温度值，应为绝对温度。)

（3）晶粒长大 冷变形金属再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。但继续升高加热温度或延长保温时间，再结晶后的晶粒又会逐渐长大，使晶粒粗化。

3. 变形程度对金属再结晶后晶粒度的影响

冷变形金属再结晶后晶粒度除与加热温度、

保温时间有关外，还与金属的预先变形程度有关。

图5-3表示金属再结晶后的晶粒度与其预先变形

程度间的关系。由图可见，当变形程度很小时，

金属不发生再结晶，因而晶粒大小不变。当达到

某一变形程度后，金属开始发生再结晶，而且再

结晶后获得异常粗大的晶粒。随着变形程度的增

加，由于各晶粒变形愈趋均匀，再结晶时形核率

愈大，因而使再结晶后的晶粒逐渐变细。图5-4

为纯铝在不同程度拉伸变形时，经550℃再结晶退火30min 后的晶粒度比较。

图5-4 纯铝的变形程度与再结晶晶粒度的关系

变形程度：a)1% b)2.5% c)3% d)6% e)9% f)12% g)15%

浸蚀剂：HF 15ml, HCl 45ml, HNO 3 15ml, H 2SO 4 25 ml

引起冷变形金属开始再结晶，并在再结晶后获得异常粗大晶粒的变形程度，称为临界变形程度。一般钢铁的临界变形程度为5~10%，铜约为5%，铝约为2~3%。由于粗大晶粒将图5-3 变形程度对金属再结晶后晶粒度的影响

显著降低金属的力学性能，故应避免金属材料在临界变形程度的范围内进行压力加工。

三、实验材料及设备

1.金相显微镜

2.不同程度冷变形和再结晶退火后的纯铝样品

四、实验内容

用粗视分析法研究纯铝经不同程度冷变形和再结晶退火后的晶粒大小并分析其规律。

五、实验报告及要求

理解变形程度对金属再结晶后晶粒度的影响，绘制经不同程度冷变形的纯铝再结晶后的晶粒度与其预先变形程度间的关系图。