金属的塑性变形与再结晶
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
第五章 金属的塑性变形及再结晶
四、金属的热加工
1．热变形加工与冷变形加工的区别
从金属学的观点来看，热加工和冷加工的区别是以再结晶温 度为界限。在再结晶温度之下进行的变形加工，在变形的同时没 有发生再结晶，这种变形加工称之为冷变形加工。而金属在再结 晶温度以上进行塑性变形就称为热加工。
2．热变形加工对金属组织与性能的影响
（1）改善铸态组织 热变形加工可以使金属铸锭中的组织缺陷显 著减少，如气孔、显微裂纹等，从而提高材料的致密度，使金属 的力学性能得到提高。
在工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热既消除应为去应力退火力稳定组织同时又保留了加工硬化性能这种热处理方法称1再结晶过程变形后的金属在较高温度加热时原子活动能力较强时会在变形随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进使新晶核不断消耗原晶粒而长大
金属材料及热处理
第五章 金属的塑性变形及再结晶
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
2．冷塑性变形对组织结构的影响 1）产生“纤维组织”
塑性变形使金属的晶粒形状发生了变化，即随着金属外形的 压扁或拉长。当变形量较大时，各晶粒将被拉长成细条状或纤维 状，晶界变得模糊不清，形成所谓的“纤维组织”。
2）产生变形织构
由于在滑移过程中晶体的转动和旋转，当塑性变形量很大时， 各晶粒某一位向，大体上趋于一致了，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。
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
3．产生残余内应力
经过塑性变形，外力对金属所做的功，约90%以上在使金属变 形的过程中变成了热，使金属的温度升高，随后散掉；部分功转 化为内应力残留于金属中，使金属的内能增加。残余的内应力就 是指平衡于金属内部的应力，它主要是金属在外力的作用下所产 生的内部变形不均匀而引起的。 第一类内应力，又称宏观内应力。它是由于金属材料各部分变形 不均匀而造成的宏观范围内的残余应力。 第二类内应力，又称微观残余应力。它是平衡于晶粒之间的内应 力或亚晶粒之间的内应力。 第三类内应力，又称晶格畸变内应力。其作用范围很小，只是在 晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。
金属的塑性变形与再结晶
金属的塑性变形与再结晶一、实验目的：1、了解显微镜下滑移线、变形孪晶和退火孪晶特征。
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、讨论冷加工变形对再结晶晶粒大小的影响。
二、实验内容：1、观察工业纯铁冷变形滑移线，纯锌的变形孪晶，黄铜或纯铜的退火孪晶。
2、观察工业纯铁经冷变形（0%、20%、40%、60%）后的显微组织。
3、用变形度不同的工业纯铝片，退火后测定晶粒大小。
三、实验内容讨论：1、显微镜下的滑移线与变形孪晶：当金属以滑移和孪晶两种方式塑性变形时，可以在显微镜下看到变形结果。
我们之所以能看到滑移线（叫滑移带更符合实际）是因为晶体滑移时，使试样的抛光表面产生高低不一的台阶所致。
滑移线的形状取决于晶体结构和位错运动，有直线形的，有波浪形的，有平行的，有互相交叉的，显示了滑移方式的不同。
变形量越大，滑移线愈多、愈密。
在密排六方结构中，常可看到变形孪晶，这是因为此类金属结构难以进行滑移变形。
孪晶可以看成是滑移的一种特殊对称形式，其结果使晶体的孪生部分相对于晶体的其余部分产生了位向的改变。
由于位向不同，孪晶区与腐蚀剂的作用也不同于其他部分，在显微镜下，孪晶区是一条较浅或较深的带。
在不同的金属中，变形孪晶的形状也不同，例如在变形锌中可看到孪晶变形区域，其特征为竹叶状，α—Fe则为细针状。
除变形孪晶外，有些金属如黄铜在退火时也常常出现以平行直线为边界的孪晶带，这类孪晶称为退火孪晶。
滑移和孪晶的区别：制备滑移线试样时，是试样先经过表面抛光，然后再经过微量塑性变形。
如果变形后再把表面抛光，则滑移线就看不出来了。
制备孪晶试样时，是先经塑性变形，然后再抛光腐蚀，可见：（1）对于滑移线不管样品是否经过腐蚀均可看到，而孪晶只有在磨光腐蚀后才可看见。
（2）滑移线经再次磨光即消失，而孪晶在样品表面磨光腐蚀后仍然保留着。
滑移线和磨痕的区别在于前者是不会穿过晶界的。
2、冷变形后金属的显微组织和机械性能冷加工变形后，晶粒的大小、形状及分布都会发生改变。
机械工程材料第二章金属塑性变形与再结晶
4. 再结晶与重结晶
相同点：晶粒形核、长大的过程。
不同点： （1）再结晶转变前后的晶格类型没有发生变化， 重结晶时晶格类型发生改变。 （2）再结晶是对冷塑性变形的金属而言的，没有 发生冷塑性变形的金属不存在再结晶问题。
三、晶粒长大 再结晶刚刚完成后的晶粒是无畸变的等轴晶粒， 如果继续升高温度或延长保温时间，晶粒之间就 会通过晶界的迁移相互吞并而长大。
➢ 产生残余应力。
（二）其他性能
塑性变形影响金属的物理、化学性能， 如电阻增大，导磁率下降，耐腐蚀性能 降低。 密度、导热系数下降。
三、残余应力（约占变形功的10％）
（一）宏观内应力（第一类内应力） 原因：由工件不同部位的宏观变形不均匀而引起的。 作用范围：作用于整个工件。
金属棒弯曲变形后 的残余应力
正火组织
带状组织
金属冷拉拔后 的残余应力
（二）微观内应力（第二类内应力） 原因：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起的。 作用范围：与晶粒尺寸相当。
（三）点阵畸变（第三类内应力）80-90%
原因：晶体缺陷而引起的畸变应力。 作用范围：约几百到几千个原子范围内。
金属强化 主要原因
➢第一类、第二类残余应力： 弊：对金属材料的性二、塑性变形对金属性能的影响
（一）力学性能 加工硬化（形变强化）:随着冷塑性变形量 的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧 性下降的现象。
工业纯铜
45钢
➢加工硬化是强化金属的重要手段之一。
对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。
链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 钢 的自行车链条经过五 次轧制，厚度由3.5mm压缩到1.2mm，总变形 量为65%。
原始横截面积的百分比。
Ψ=
金属的塑性变形与再结晶
➢热加工流线的利用
➢纵向（沿纤维方向），塑性、韧性增加 横向（垂直纤维方向），塑性、韧性降低 但抗剪切能力显著增强。
➢纵向具有最大的抗拉强度，横向具有最大 的抗剪切强度.
57
热加工流线的合理利用
➢流线沿零件轮廓分布不中断 ➢最大拉应力方向沿流线 ➢最大剪应力方向垂直于流线
58
√
59
带状组织
➢（2）杂质与合金元素
杂质元素与微量溶 质原子与晶界产生交互 作用，阻碍晶界迁移。
微量杂质元素含量 越高，晶界迁移越慢
42
➢（3）第二相（分散相）质点
阻碍晶界移动，降低晶粒长大速度
φ：分散相粒子所占的体积分数。 r：粒子的半径
43
第二相颗粒所占体积分数一定时， 颗粒愈细，其数量愈多，则晶界迁移所 受到的阻力也愈大，晶粒正常长大速度 越小。
驱动力：晶界能的降低。
47
48
49
小结：
冷变形在金属材料内部产生了储存能，退 火过程中原子活动能力增强，储存能逐渐释放。 材料内部发生回复、再结晶与晶粒长大。
退火温度较低时，产生回复。储存能部分 释放，材料中的宏观残余应力基本消除，力学性 能及显微组织均保持变形后的特点。
退火温度较高时，产生再结晶。储存能完全 释放，材料重新软化，晶粒为细小的等轴晶。
➢形变金属有回到变形前组织与性能状态 的趋势
3
7.1 形变金属及合金在退火过程中的变化
➢ 回复、再结晶、晶粒长大是形变金属退火时 经历的基本过程
➢1. 显微组织变化
4
2. 储存能释放与性能变化
➢ 经过回复与再结晶， 材料的储存能释放完 毕，材料的组织与性 能能够逐渐恢复变形 前的状态。
5
金属的塑性变形与再结晶
等轴晶粒，机械性能完全恢复。
（三）再结晶后晶粒大小与变形量的关系
冷变形金属再结晶后晶粒大小除与加 热温度、保温时间有关外，还与金属的预 先变形量有关。 当变形度很小时，金属不发生再结晶。
晶粒 大小
这是由于晶内储存的畸变能很小，不足以
进行再结晶而保持原来状态，当达到某一 变形度时，再结晶后的晶粒特别粗大，该
2
3 4
低碳钢
低碳钢 低碳钢
压缩58%
压缩45%，550℃退火半小时 压缩58%，550℃退火半小时
伸长的晶粒
部分等轴晶 部分等轴晶
5
6 7 8
低碳钢
低碳钢 低碳钢 低碳钢
压缩45%，650℃退火半小时
压缩58%，650℃退火半小时 压缩45%，700℃退火半小时 压缩58%，700℃退火半小时
完全再结晶
c. 对比分析不同变形量，不同退火温度对晶粒大小的影响。
（二）塑性变形后的回复与再结晶
金属经冷塑性变形后，在热力学上处于不稳定状态，
必有力求恢复到稳定状态的趋势。
但在室温下，由于原子的动能不足，恢复过程不易进 行，加热会提高原子的活动能力，也就促进了这一恢复 过程的进行。 加热温度由低到高，其变化过程大致分为回复、再结 晶和晶粒长大三个阶段，当然这三个阶段并非截然分开。
变形度称之临界变形度。
一般金属的临界变形度在2％～10％范 围内。此后，随着变形度的增加，再结晶
临界变形度
预先变形程度
预先变形程度对晶粒度的影响
后的晶粒度逐渐变细。
三、实验方法
1．实验材料及设备 （1）金相显微镜； （2）低碳钢不同变形量及再结晶状态金相样品一套；
编号 1 材料 低碳钢 处理状态 压缩45% 组织 伸长的晶粒
金属的塑性变形与再结晶
可见在滑移过程中“取向软化”和“取向硬化”是 同步进行旳。
三、多晶体旳塑性变形
工程上使用旳金属材料大多为位向、形状、大小 不同旳晶粒构成旳多晶体，所以多晶体旳变形是 许多单晶体变形旳综合作用旳成果。多晶体内单 晶体旳变形仍是以滑移和孪生两种方式进行旳， 但因为位向不同旳晶粒是经过晶界结合在一起旳， 晶粒旳位向和晶界对变形有很大旳影响，所以多 晶体旳塑性变形较单晶体复杂。
所以对冷变形金属进行旳这种低温加热退火只能用在 保存加工硬化而降低内应力改善其他旳物理性能旳场 合。
例如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生旳高强 度，另外，因为残余内应力对其使用有不利旳影响， 所以采用低温退火以消除残余应力。
2 .再结晶
经过回复，虽然金属中旳点缺陷大为降低， 晶格畸变有所降低，但整个变形金属旳晶粒 破碎拉长旳状态仍未变化，组织仍处于不稳 定旳状态。
1. 晶界和晶粒位向旳影响 2. 多晶体金属旳变形过程
1. 晶界和晶粒位向旳影响
晶界旳存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中 各晶粒晶格位向旳不同，也会增大其滑移抗力， 所以多晶体金属旳变形抗力总是高于单晶体 。
金属旳晶粒愈细，金属旳强度便愈高 ，而且塑 性与韧性也较高
1.晶界和晶粒位向旳影响
为了确保变形金属旳再结晶退火质量，取得细晶粒， 有必要了解影响再结晶晶粒大小旳原因。
二、影响再结晶粒大小旳原因
变形度影响 退火温度旳影响
1.变形度影响
当变形量很小时，因为晶格畸变很小，不足以引 起再结晶，故加热时无再结晶现象，晶粒度仍保 持原来旳大小，当变形度到达某一临界值时，因 为此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀， 再结晶晶核少，且晶粒极易相互兼并长大，因而 再结晶后晶粒粗大，这种变形度即为临界变形度，
金属的塑性变形与再结晶返回
（二）孪生（孪晶）
对于滑移系少的密排六方晶体及体心立方晶体受到冲击力使 变形速度较快时，产生的塑 性变形的微观机制主要是孪生，见图4-7。 孪生是指在切应力作用下，晶体中的一部分 相对于另一部分发生以某晶面为面的对称的沿一定方向的共格切变。
当单晶体受到外力作用时，滑移系多的晶体比滑移系少的易产生滑移，对于滑移系的数目相同的 晶体其滑移方向较多者更易产生滑移。这就是不同类型晶格的金属屈服点不同原因之一
2. 引起滑移的临界应力 外加应力在滑移系中可分解为切应力和正应力。而分切应力是产生滑移 的动力，正应力不能引起晶体滑移，但它能使滑移面发生转动。拉伸时使滑移面朝与外力平 行方向转动；压缩时使滑移面朝与外力垂直转动，见图4-3。
第三节 加热对冷变形金属的组织和性能的影响
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。 可是若对变形金属加热、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。 变形金属在加热中一般经历三个过程，见图4-12。
对于面心立方晶格，晶面族{111}原子排列最密，共有四个晶面，每个晶面上有三个原子排列最 密方向（如<110>），所以，也有4×3=12个滑移系。
密排六方晶格情况较为复杂,其具体的滑移面和三个滑移方向常因具体金属的晶格常数和所在温 度不同而发生变化。但总的来说只有一个滑移面和三个滑移方向。如图4-2。密排六晶格有 1×3=3个滑移系。
工程材料与热处理 第4章 金属的塑性变形与再结晶
一、滑移
滑移只能在切应力 作用下才会发生, 不同金属产生滑移 的最小切应力(称 滑移临界切应力) 大小不同。钨、钼、 铁的滑移临界切应 力比铜、铝的要大。
10
一、滑移
由于位错每移出 晶体一次即造成 一个原子间距的 变形量, 因此晶 体发生的总变形 量一定是这个方 向上的原子间距 的整数倍。
滑移带
17
二、位错滑移机制
通过位错的移动实现滑移时： 1、只有位错线附近的少数原子移动； 2、原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；
18
二、位错滑移机制
金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的， 而滑移又是通过位错的移动实现的。所以， 只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进 行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度 提高。金属材料常用的五种强化手段（固 溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、 淬火强化）都是通过这种机理实现的。
35
链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 1200 钢 的自行车链条经 1000 过五次轧制，厚度由 3.5mm压缩到1.2mm， 800 总变形量为65%，硬 600 度从150HBS提高到 400 275HBS；抗拉强度从 200 510MPa提高到980MPa； 0 使承载能力提高了将近 一倍。
滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大， 所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金 属的塑性更好。 金、银、铜、铝等金属的塑性高于铁、铬 等金属；而铁的塑性又高于锌、镁等金 属。
15
二、位错滑移机制
滑移非刚性滑动，而是由位错的移动实现 的（1934年提出 ）。
16
二、位错滑移机制
滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移 并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通 过位错的运动来实现的。 在切应力作用下,一个多余半 原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动 时, 晶体产生滑移。
吉林大学工程材料第2章 金属的塑性变形和再结晶
1、晶粒正常长大： 再结晶后的晶粒均匀、稳速地长大的现象。发生在
再结晶晶粒细小且均匀时。（希望的长大方式）
2、晶粒异常长大：
再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。在再结晶 粒大小不均时，大晶粒吞并小晶粒，将得到异常粗大的 晶粒，也称“二次再结晶”。
d晶↑ 晶界面积↓ 能量↓∴晶粒长大是自发的 过程。因为粗晶是弱化，所以要避免晶粒长大，特别要
方向 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(%) ψ(%) αk(KJ/M2)
平行 701 垂直 659
460
17．5 62．8
608
431
10．0 31．0
294
34
四 、热加工的不足
在实际生产中，热加工与冷加工相比也有不足处
（1）热加工需要加热，不如冷加工简单易行。 （2）热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易 于控制。
目的：1. 消除加工硬化 使、σ、HB↓ δ%、 %、ak↑ 2. 消除内应力，但保留加工硬化，使理化性能↑
对于冷加工后的金属，由于10%的变形能储存在 金属中，在加热时，随着温度的升高，原子活动能力 提高，在变形能的作用下，就要发生组织和性能的变 化，其主要包括三个阶段：回复、再结晶及晶粒长大。
18
底面对角线
1 面×3 方向=3
7
4、滑移机理
临界切应力（c）： 能够发生滑移的最小切应
力叫做为)。当切应力（）满足 c时滑移才 能发生。
铜的滑移临界切应力：理论计算 1500 Mpa 实际测试 1 MPa
滑移是由于滑移面上的位错运动造成的。
8
位错运动造成滑移示意图
9
10
二、 多晶体金属的塑性变形
700℃
金属的塑性变形与再结晶
§2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响
1.晶粒变形，形成纤维组织：
在外力的作用下，晶粒被拉长或被压扁，当变形足够大时，晶 界变得模糊不清，不易分辨。
“纤维组织”
工业纯铁表面的滑移带
变形前
变形后
变形前后晶粒形状变化示意图
工业纯铁变形度为80%的显微组织
2.亚结构形成，材料加工硬化：
随着变形量的增大，位错密度增大，晶粒破碎成亚晶 粒，晶格产生严重畸变，晶体缺陷（空位、位错、晶界、 亚晶界）增多。滑移的阻力变大，强度与硬度提高，塑 韧性降低。 加工硬化：金属材料经冷塑性变形后，随变形度增加， 强度硬度升高，塑性韧性降低的现象称为加工硬化或形 变强化。加工硬化是提高材料强度的有效手段之一。
滑移系=滑移面＊滑移方向
体心立方 6＊2=12
面心立方 4＊3=12
密排六方 1＊3=3
三种典型金属晶体结构的滑移系（密排面和密排方向）
滑移的微观机制
τ τ τ
τ
τ
τ
位错运动造成滑移的示意图
滑移实质上是位错在滑移面上运动的结果，在切应力的作用下， 晶体中形成一刃型位错，这一多余半原子面会由左向右逐步移动， 当这个位错移到晶体右边缘时，便在右侧表面形成了滑移量为一个 原子间距大小的台阶。若大量位错在该滑移面上移动出晶体时，就 会在晶体表面产生滑移量达几千埃的宏观可见的台阶（滑移线）。
晶向相对于另一部分发生滑动。 Ψ=45º 软位向 Ψ=0º 或 90º 硬位向
产生滑移的晶面和晶向分别 称为滑移面和滑移方向。
滑移的特征——滑移带和滑移线
滑移带
滑移线
工业纯铁表面的滑移带
滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系，
每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的一个空间位向。
实验三 金属塑性变形与再结晶
实验三金属塑性变形与再结晶一、实验目的认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；研究形变程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。
加深对加工硬化现象和回复再结晶的认识。
二、基本原理1、金属冷塑性变形后的显微组织和性能变化金属冷塑性变形为金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。
金属在发生塑性变形时，外观和尺寸发生了永久性变化，其内部晶粒由原来的等轴晶逐渐沿加工方向伸长，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带，当变形程度很大时，晶界消失，晶粒被拉成纤维状。
相应的，金属材料的硬度、强度、矫顽力和电阻等性能增加，而塑性、韧性和抗腐蚀性降低。
这一现象称为加工硬化。
为了观察滑移带，通常将已抛光并侵蚀的试样经适量的塑性变形后再进行显微组织观察。
注意：在显微镜下滑移带与磨痕是不同的，一般磨痕穿过晶界，其方向不变，而滑移带出现在晶粒内部，并且一般不穿过晶界。
2、冷塑性变形后金属加热时的显微组织与性能变化金属经冷塑性变形后，在加热时随着加热温度的升高会发生回复、再结晶、和晶粒长大。
（1）回复当加热温度较低时原子活动能力尚低，金属显微组织无明显变化，仍保持纤维组织的特征。
但晶格畸变已减轻，残余应力显著下降。
但加工硬化还在，固其机械性能变化不大。
（2）再结晶金属加热到再结晶温度以上，组织发生显著变化。
首先在形变大的部位（晶界、滑移带、孪晶等）形成等轴晶粒的核，然后这些晶核依靠消除原来伸长的晶粒而长大，最后原来变形的晶粒完全被新的等轴晶粒所代替，这一过程为再结晶。
由于金属通过再结晶获得新的等轴晶粒，因而消除了冷加工显微组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形以前的状态。
金属的再结晶过程是在一定的温度范围能进行的，通常规定在一小时内再结晶完成95％所对应的温度为再结晶温度，实验证明，金属熔点越高，再结晶温度越高，其关系大致为：T＝0.4T熔。
（3）晶粒长大再结晶完成后，继续升温（或保温），则等轴晶粒以并容的方式聚集长大，温度越高，晶粒越大。
实验二 金属的塑性变形与再结晶
实验二金属的塑性变形与再结晶一、实验目的1、了解工业纯铁经冷塑性变形后，变形量对硬度和显微组织的影响2、研究变形量对工业纯铝再结晶退火后晶粒大小的影响二、实验原理金属在外力作用下，当应力超过其弹性极限时将发生不可恢复的永久变形称为塑性变形。
金属发生塑性变形后，除了外形和尺寸发生改变外，其显微组织与各种性能也发生明显的变化。
经塑性变形后，随着变形量的增加，金属内部晶粒沿变形方向被拉长为偏平晶粒。
变形量越大，晶粒伸长的程度越明显。
变形量很大时，各晶粒将呈现出“纤维状”组织。
同时内部组织结构的变化也将导致机械性能的变化。
即随着变形量的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化或应变硬化。
在本实验中，首先以工业纯铁为研究对象，了解不同变形量对硬度和显微组织的影响。
冷变形后的金属是不稳定的，在重新加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。
其中再结晶阶段金属内部的晶粒将会由冷变形后的纤维状组织转变为新的无畸变的等轴晶粒，这是一个晶粒形核与长大的过程。
此过程完成后金属的加工硬化现象消失。
金属的力学性能将取决于再结晶后的晶粒大小。
对于给定材料，再结晶退火后的晶粒大小主要取决于塑性变形时的变形量及退火温度等因素。
变形量越大，再结晶后的晶粒越细；金属能进行再结晶的最小变形量通常在2~8%之间，此时再结晶后的晶粒特别粗大，称此变形度为临界变形度。
大于此临界变形度后，随变形量的增加，再结晶后的晶粒逐渐细化。
在本实验中将研究工业纯铝经不同变形量拉伸后在550℃温度再结晶退火后其晶粒大小，从而验证变形量对再结晶晶粒大小的影响。
三、实验设备和材料1、实验设备箱式电阻炉、万能拉伸机、卡尺、低倍4X型金相显微镜、洛氏硬度计等2、实验材料(1)变形度为0%、30%、50%、70%的工业纯铁试样两套，其中一套用于塑性变形后的硬度测定，一套为已制备好的不同变形量下的金相标准试样，用于观察组织（2）工业纯铝试样，尺寸为160mm×20m m×0.5mm，（3）腐蚀液：40mlHNO3+30mlHCl+30mlH2O+5g纯Cu），硝酸溶液四、实验内容及步骤1、测定工业纯铁的硬度（HRB ）与变形度的关系，观察不同塑性变形量后工业纯铁的金相显微组织（1）将工业纯铁的试样在万能拉伸实验机上分别进行0%、30%、50%、70%的压缩变形。
第四章 金属的塑性变形与回复再结晶
第四章金属的塑性变形与回复再结晶第一节金属的塑性变形金属的一项重要特性是具有塑性，能够在外力作用下进行塑性变形。
外力除去后，永久残留的变形，称为塑性变形。
塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种，最常见的是滑移。
下面我们就讨论：一、光学金相显微镜下滑移带、变形孪晶与退火孪晶的特征滑移：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。
1．滑移带经表面抛光的金属单晶体或晶粒粗大的多晶体试样，在拉伸（或压缩）塑性变形后放在光学显微镜下观察，在抛光的晶体表面上可见到许多互相平行的线条，称为滑移带，如图4一1所示。
ａ黄铜的滑移带600⨯b 纯铁的滑移带 400⨯图4-1 滑移带的光学显微形貌由图可见，纯铁的滑移带特征与黄铜的略有不同，往往呈波纹状。
这主要由于纯铁本身层错能较高，其扩展位错容易束集，加之体心立方晶体可进行滑移的晶面多，因而产生大量交滑移的缘故。
如果用电子显微镜作高倍观察，会发现每条滑移带（光学显微镜下的每根线条）是由许多密集在一起的滑移线群所组成。
实际上，每条滑移线表示晶体表面上因滑移而产生的一个小台阶，而滑移带是小台阶累积的大台阶。
正因为晶体表面有这些台阶的出现才显示出上述的微观形貌。
如果将这些小台阶磨掉，即使重新抛光并浸蚀也看不出滑移带，因为滑移面两侧的晶体位向不随滑移而改变，故只能借助晶体表面出现的小台阶来观察。
1．变形孪晶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。
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。
图4一2a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4一2b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 100⨯图4—2 变形孪晶光学显微形貌如果将变形孪晶试样重新磨制、抛光、浸蚀，是否如同滑移带那样也会消失呢？并不是这样的。
金属的塑性变形与再结晶
内应力分为宏观内应力、微观内应力和畸变应力三类。
畸变应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主
要原因。
内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬
火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通 常要进行退火处理，以消除或降低内应力。
第四节
回复与再结晶
一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复 到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不 稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加， 金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。
三、再结晶退火后的晶粒度
1、加热温度和保温时间 加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热 温度的影响尤为显著。
2、预先变形度
预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响.
当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶. 当变形达到2-10%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀， 再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后 晶粒特别粗大，这个变形度称临界变形度。
㈠ 回复 回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位 错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺
陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数
量减少等。
在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有 下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。
工业上，常利用回复现象将冷变 形金属低温加热，既稳定组织又 保留加工硬化，这种热处理方法 称去应力退火。 ㈡ 再结晶 当变形金属被加热到较高温度时， 由于原子活动能力增大，晶粒的 形状开始发生变化，由破碎拉长 的晶粒变为完整的等轴晶粒。 这种冷变形组织在加热时重新彻 底改组的过程称再结晶。 再结晶后，金属的强度、硬度下 降，塑性、韧性提高，加工硬化 消失。
第四章金属的塑性变形与再结晶
第四章金属的塑性变形与再结晶铸态组织具有晶粒粗大且不均匀、组织不致密及成分偏析等缺陷，需要经压力加工再使用。
金属的压力加工，就是通过使金属产生一定的塑性变形获得制件。
压力加工不仅改变其外形尺寸，且使内部的组织和性能发生改变。
因此研究金属塑性变形以及变形后材料的组织结构的变化规律，对于深入了解金属材料各项力学性能指标的本质，充分发挥材料强度的潜力，正确制定和改进金属压力加工的工艺，提高产品的质量以及合理使用材料等都具有重要意义。
第一节金属的塑性变形[教学目的] 理解单晶体的塑性变形，掌握多晶体的塑性变形。
[教学重点] 多晶体的塑性变形。
[教学难点] 多晶体的塑性变形。
[教学方法] 讲授。
[教学内容]所有变形中，塑性变形对组织和性能的影响最大。
为认识塑性变形的规律，首先研究单晶体的塑性变形。
一单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生方式进行。
1 滑移切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动，称为滑移。
外力在一定的晶面分解为垂直于晶面的正应力σN和平行于晶面的切应力τN。
σN引发弹性变形和脆性断裂，断口呈金属光泽；τN引发弹性变形、弹塑性变形和韧性断裂，断口灰暗无光泽。
滑移变形的5个要点：1)滑移只能在切应力作用下发生；2）滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上,并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。
（原因：最密排晶面之间的距离最远；最密排晶面上原子与邻近原子之间的阻力最小）3）滑移必然伴随着晶体的转动（正应力引起）。
4）滑移是滑移面上的位错运动造成的。
位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。
如铜刚性滑移要1540MPa，实际只有1MPa。
二多晶体的塑性变形1 晶界与晶粒位向的影响①晶界竹节现象多晶体金属中，晶界原子的排列不规则，局部晶格畸变严重，且易产生杂质原子和空位等缺陷的偏聚。
位错运动到晶界附近时容易受到晶界的阻碍。
第二章2节 金属的塑性变形与再结晶分解
冷加工与热加工组织的变化 冷 加 工
热 加 工
热变形加工在变形 的同时伴随着动态再 结晶，变形停止后在 冷到室温过程中继续 有再结晶发生。所以 热变形加工基本没有 加工硬化现象。
热加工的优点： 1. 可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高；
2. 可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机
使强度硬度升高，塑性下降。
§3回复与再结晶
回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化， 但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。
再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内
部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强 化效应完全消除的过程。
冷变形后
回复
再结晶
晶粒长大
三、热加工对金属组织和性能的影响 热加工相关概念：再结晶温度是热加工与冷加工的分界线，
高于再结晶温度的压力加工是热加工，低于再结晶温度的
压力加工是冷加工。Ni的T再为580，Pb的T再为-33. 两种变形加工各有所长。冷变形加工可以达到较高精度和 较低的表面粗糙度。并有加工硬化的效果。但是，变形抗 力大，一次变形量有限。而热变形加工与此相反。热变形 加工多用于形状较复杂的零件毛坯及大件毛坯的锻造和热 轧钢锭成钢材等。而冷变形加工多用于截面尺寸较小，要 求表面粗糙度值低的零件和坯料。
孪生
孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面
（孪晶面）及晶向（孪生方向），与晶体的另一部分发生均
匀的剪切变形，结果使晶体的变形部分与未变形部分构成镜 面对称的位向关系。
孪生
滑移
孪生变形示意图
二、多晶体的塑性变形 金属材料大多为位向、形状、大小不同的 晶粒组成的多晶体，因此多晶体的变形是许多
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实验名称：金属的塑性变形与再结晶实验类型：
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、实验步骤与实验结果（必填）
五、讨论、心得（必填）
一、实验目的
1.了解冷塑性变形对金属材料的内部组织与性能的影响；
2.了解变形度对金属再结晶退火后晶粒大小的影响。
二、实验原理
金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。
在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动，这种变形方式称为滑移；在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形，且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系，这种变形方式称为孪生。
(一) 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。
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。
(二) 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，故其机械性能变化不大。
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，通过晶核与长大方式进行再结晶。
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。
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，定为再结晶渡。
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再≈0.4 T熔
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。
(三) 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。
金属再结晶后的晶粒度与其预先变形程度间的关系如下图所示：
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%。
由于粗大晶粒将显著降低金属的机械性能，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、主要仪器设备
工业纯铝片、铝片拉伸机、浸蚀剂、金相显微镜、维式硬度计、小型实验用箱式炉、钢皮尺、划针、扳手、放大镜等。
四、实验步骤
（1）每组3~5人，取铝片7片。
注意必须保持铝片的平直，不使其弯曲。
（2）在铝片拉伸机上分别将铝片拉伸变形2%、3%、4%、6%、9%、12%和15%。
（3）测量硬度在HV-120维氏硬度计上测量原始材料和不同变形程度铝片的硬度值，并记录下来。
（4）进行再结晶退火把各种变形度的一组铝片，用线铁丝扎好后放入620℃的炉子中加热，并保温20min，然后取出于空气中冷却。
（5）浸蚀将冷却后的铝片逐个放入混合酸中浸蚀几到几十秒，立即取出用水冲洗干净，则在铝片上能显示出再结晶后的晶粒。
（6）计算不同变形度铝片的晶粒数及晶粒大小在小于6%变形度的绿偏上，用铅笔画出500mm2（50mm ×10mm）面积的方框，变形度在9%以上画出100mm2（10mm×10mm）面积的方框，分别数出方框内的晶粒数（变形度大的可以用放大镜），并计算出不同变形度的晶粒大小。
把数据记下来。
（7）测试不同塑性变形度下的铝片硬度。
汇总本组人员足够的测试数据，绘制不同塑性变形度与再结晶退火后的晶粒度之间的关系曲线，并说明之。
五、实验数据记录
六、实验结果分析
（1）画出硬度随冷变形度的关系曲线及硬度随冷变形变变化的原因。
根据实验获得的数据，绘制出硬度随冷变形度的关系曲线如下所示：
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，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。
因此金属经冷塑性变形后，其硬度随冷变形变的增大而提高。
（2）画出冷变形度与再结晶退火后晶粒大小的关系曲线，解释产生这种关系的原因和确定工业纯铝的临界变形度的原则。
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。
确定工业纯铝的临界变形度的原则：测试时取的变形度范围要适度，以及注意做好各种试验环节。
（3）分析影响实验正确性的因素。
本实验结果与理论大致符合，其中存在的误差可能是有以下的因素引起的：
1)人为因素：在用铝片拉伸机将铝片拉伸变形时读数的误差，测量铝片的硬度值时读数的误差，数晶粒
数时肉眼读数的误差。
2)仪器系统误差：铝片拉伸机、金相显微镜、维式硬度计本身可能存在系统误差，进而影响实验结果。
3)材料的纯度：工业纯铝片的纯度对实验结果也会有所影响。
七、讨论、心得
通过实际动手操作，使理论联系实践，对金属塑性变形的基本方式以及冷塑性变形对金属组织与性能的影响的认识有所加深。