金属的塑性变形与再结晶-材料科学基础学习知识-实验-06
材料科学基础-实验指导-实验10塑性变形和再结晶(精)
实验十塑性变形和再结晶一、实验目的1. 研究金属冷变形过程机器组织性能的变化。
2. 研究冷变形金属在加热时组织性能的变化。
3. 了解金属的再结晶温度和再结晶后晶粒大小的影响因素。
4. 初步学会测定晶粒度的方法。
二、实验内容说明金属经冷加工变形后,其组织和性能均发生变化:原先的等轴晶组织,随着塑性变形量的增大,其晶粒沿变形方向逐渐伸长,变形度越大,则伸长也越显著;当变形度很大时,其组织呈纤维状。
随着组织的变化,金属的性能也发生改变:强度硬度增高,塑性则逐渐下降,即产生了“加工硬化”。
经冷变形后的金属加热到再结晶温度时,又会发生相反转变。
新的无应变的晶粒取代原先变形的晶粒,金属的性能也恢复到变形前的情况,这一过程称为再结晶。
再结晶温度与金属本性、杂质含量、冷变形程度、保温时间、材料的原始晶粒度等有关。
再结晶所产生的晶粒大小在很大程度上取决于冷变形程度的大小,在某一变形度变形,再经退火处理后晶粒异常粗大,该变形度称为临界变形度,它使材料性能恶化,是压力加工中切忌的问题。
本实验主要以低碳钢为对象,分析其塑性变形和再结晶过程中显微组织的变化。
观察经一定冷变形后不同退火温度下低碳钢的显微组织,测定再结晶度,此外对不同冷变形度的低碳钢材料进行高温退火,测定晶粒度,从而确定临界变形度。
三、实验步骤1. 教师讲解金属塑性变形与再结晶的组织状态,介绍用对照法、割线法测定晶粒度的方法。
2. 观察纯铁经10%,15%,20%,50%,70%变形度变形后的显微组织。
描绘其组织特征。
3. 观察纯铁经70%变形度在400℃,450℃,500℃,600℃,850℃退火半小时后的试样,一组五只,从中找得再结晶后晶粒大小与退火温度之间的定性关系。
4. 观察纯铁经10%,20%,30%,50%,70%五种变形度变形后在850℃退火半小时后组织,分别用对照法和割线法测得其晶粒度,确定其临界变形度的大致范围。
5. 观察并描绘纯铁冷变形的滑移线和冲击载荷下产生的机械双晶及纯锌压延后机械双晶、黄铜的退火双晶。
金属的塑性变形与再结晶-实验报告
金属的塑性变形与再结晶实验目的:1. 研究低碳钢在塑性变形后组织性能的变化规律。
2. 讨论塑性变形后低碳钢在加热时组织与性能的变化规律。
3.了解变形程度对再结晶后晶粒大小的影响。
实验设备及材料：1.各种变形的低碳钢式样一套。
2.同一变形度（51%）的式样一套。
3.洛氏硬度计，加热炉，金相显微镜及砂纸，抛光机和侵蚀剂。
4.塑性变形后再结晶的工业纯铁显微式样一套。
5.不同变形度经再结晶后具有不同晶粒度的铝片式样一套。
实验步骤：1.每人领取两块式样，一块用于研究不同形变程度对硬度的影响，另一块研究不同温度对性能的影响。
2.研究16Mn钢的硬度与变形的关系：测量变形程度为0%，40%，50%，64%的硬度记录在表3-1中。
根据表中的数据，以变形度（%）为横坐标，硬度（HRB）为纵坐标，绘制出硬度与变形曲线关系，如图3-1：编号变形度硬度（HRB）1 0% 87.82 26.9% 98.33 41.5% 102.54 64.3% 103.0表3-1图3-1结论：钢的硬度随着冷变形程度的增加而增加.3.研究变形后的16Mn钢加热是硬度的变化：以同一变形程度51%的16Mn钢试样，测量其硬度后，分别加热至100℃，300℃，500℃，550℃，600℃，700℃，800℃保温30分钟后测量硬度，将数据列入表3-2中。
根据表3-2中的数据，以加热温度为横坐标，硬度为纵坐标，绘制出加热温度与硬度的曲线关系如图3-2。
同一塑性变形后16Mn钢加热时硬度的变化：编号加热温度保温时间硬度（HRB）1 100℃30min 982 300℃30min 953 500℃30min 944 550℃30min 725 600℃30min 556 700℃30min 517 800℃30min 45表3—2图3-2结论：随着16Mn钢塑性变形后加热温度升高，硬度减小，加热温度小于500℃时，硬度减小不明显加热温度大于500℃时，随着加热温度升高，硬度急剧减小。
金属的塑性变形与再结晶
1、 显微组织变化 回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化； 2、 性能变化 （1） 力学性能 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。 （2） 物理性能 电阻：电阻在回复阶段可明显下降。 耐蚀性：由于内应力降低，耐应力腐蚀性提高。 3、 内应力变化 回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内 应力； 再结晶阶段：内应力可完全消除。
第二章 金属的塑性变形与再结晶
金属与合金的性能主要取决于显微组织和晶体结构。 为了使金属材料形成所需要的形状和尺寸，工业生产中广泛 采用冶炼、铸造，获得铸锭后，通过压力加工时的塑性变形 方法,使金属材料的组织和性能得到一定的改善。 塑性变形包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。 压力加工：是利用金属的塑性，使其改变形状、尺寸和改善 性能，获得型材、棒材、线材或锻压件的加工方法。
四、产生残余的内应力 残余的内应力就是指平
宏观内应力（第一类内应力）—0.1% 晶间内应力（第二类内应力）—1%~2% 晶格畸变内应力（第三类内应力）—90% 以上第一类内应力是指由于金属表面与心部变形量不同而平衡于表面 与心部之间的宏观内应力。（通常为0.1%）. 第二类内应力是指平衡于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间的内应力。 是由于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间变形不均匀引起的。（通常为 1%~2%）。 第三类内应力是指存在于晶格畸变中的内应力。它平衡于晶格畸变处 的多个原子之间。（通常为90%以上）。这类内应力维持着晶格畸变， 使变形金属材料的强度得到提高。 第一、二类内应力虽然占的比例不大，但是在一般情况下都会降低材 料的性能，而且还会因应力松弛或重新分布而引起材料的变形。是有 害的内应力。 另外，内应力的存在还会降低材料的抗腐蚀。即所谓的应力腐蚀。主 要表现在处于应力状态的金属腐蚀速度快。变形的钢丝易生锈就是此 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
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。
2．再结晶温度
经过大变形量冷塑性变形的金属（变形度>70%），在一小时保温 时间内能够完成再结晶转变（转变量>95%）的温度。
3．再结晶退火
把冷变形金属加热到再结晶温度以上的温度保温，使其发生 再结晶过程的热处理工艺。
三、晶粒长大
再结晶后的金属一般都能得到细小而均匀的等轴晶粒。如果 继续升高温度或延长保温时间，再结晶后的晶粒又以互相吞并的 方式长大。
一）单晶体的塑性变形
1.滑移 滑移 1）滑移线与滑移带
2）滑移系
滑移总数沿着一定的晶面和该面上一定晶向进行的，此晶面 称为滑移面，此晶向称为滑移方向。一个滑移面和一个滑移方向 组成一个滑移系。
一）单晶体的塑性变形
1.滑移 滑移 1）滑移线与滑移带 2）滑移系 3）滑移的特点
一）单晶体的塑性变形
二、再结晶
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 晶粒或晶粒内的亚晶界处以不同于一般结晶的特殊成核方式产生新晶核。 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。最终是一批新生的等轴晶粒取代了原来变形的 晶粒，完成了一次新的结晶过程。
大学工程材料课件第五章金属的塑性变形与再结晶
孪生：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 另一部分发生对称切变 的现象。
§5.1 金属的塑性变形
1、滑移变形的特点 ①滑移只能在切应力的作用下发生
产生滑移所需的最小切应力称为临界切应力。
重要现象：
当外力与滑移所发生的晶 面之间呈45时，临界切应力 最小，即当单晶体在外力作用 下，呈45角的晶面最容易产 生滑移。
3、产生形变织构
由于塑性变形使晶粒具有择优取向的组织，称为形变织构。
性能各向异性
§5.2 塑性变形对金属组织和性能的影响
§5.2 塑性变形对金属组织和性能的影响 深冲件的制耳
§5.2 塑性变形对金属组织和性能的影响
二、塑性变形对金属性能的影响
1、产生加工硬化
加工硬化（形变强化）：
随着变形量的增加，金属强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象。
细晶强化、固溶强化、第二相强化（弥散） 、加工硬化
§5.4 金属的热加工
第三次作业：
1. 四种强化方式分别是什么？分别叙述其强化 的基本原理。
2、对纯铅在室温下变形需不需中间退火？为什么？ （已知纯铅的熔点为327℃）
加热温度越高、保温时间越长，晶粒越粗大。 其中温度的影响尤其显著。
2、变形程度
①变形量较小 不发生再结晶，晶粒保持原状、大小。 ②变形量达到2～10% 再结晶后的晶粒异常粗大。
2～10%的变形量称为临界变形度。 ③变形量超过临界变形度 随变形程度的增加，晶粒细小而均匀。
§5.3 回复与再结晶 加热温度对晶粒度的影响
②内应力和电阻率明显降低。
3、工业应用——去应力退火
将已经加工硬化的金属在较低的温度下加热，使其内应力基本消除， 同时保持加工硬化的工艺方法。
实验-金属的塑性变形与再结晶
一、实验目的 1．了解冷塑性变形对金属组织和性能的影响。 2．了解冷变形度对金属再结晶后晶粒大小的影响。
图 4-1 05 钢冷塑性变形后组织(200×) a)未变形，940℃正火 b)变形程度 40% c)变形程度 70% d)变形程度 80%
二、实验概述 （一）金属塑性变形后的组织、性能变化
注：若时间有限，该组铝片变形试样亦可由实验室事先制备好。
五、实验报告
1．简述实验目的。 2. 根据实验结果，作出纯铜变形度与硬度间的关系曲线。 3. 根据观察试样结果，填写下表。
3
硬 度
材料 处理工艺 浸蚀剂 放大倍数
变形度 纯铜硬度与变形度的关系曲线
低碳钢 抛光后加压变形
未浸蚀
纯锌 稍加塑性变形 HCl+HNO3+甘油
4．加工硬化 由于金属冷塑性变形，亚结构进一步细化，位错密度增大，导致其 强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，该现象即称加工硬化。 （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。图 4-2a 即为经 70％变形 度的 05 钢，625℃退火后，发生了不完全再结晶，图 4-2b 为 670C 退火后，再结晶已完 成。由图 4-3 可知，在回复阶段，显微组织不变，仅是内应力获得很大松弛，所示其性 能几乎不变。但经再结晶后，显微组织已恢复到变形前的等轴晶，故各种性能也都复原， 即加工硬化完全消除。
度下晶粒形态 作出硬度与变形 并测出其硬度 度的关系曲线
材料科学基础重点总结4 材料形变和再结晶
5 材料的形变和再结晶材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都要受到外力的作用。
材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。
本章主要内容：一．晶体的塑性变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对材料组织与性能的影响二．回复和再结晶冷变形金属在加热时的组织与性能变化回复再结晶晶粒长大再结晶织构与退火孪晶5.1 晶体的塑性变形塑性加工金属材料获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得一定形状、尺寸和机械性能的型材、板材、管材或线材。
塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。
金属在承受塑性加工时，当应力超过弹性极限后，会产生塑性变形，这对金属的结构和性能会产生重要的影响。
5.1.1 单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的两种方式：滑移孪生滑移:滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动。
滑移线：为了观察滑移现象，可将经良好抛光的单晶体金属棒试样进行适当拉伸，使之产生一定的塑性变形，即可在金属棒表面见到一条条的细线，通常称为滑移线.滑移带：在宏观及金相观察中看到的滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平行的更细的线所组成的，称为滑移带。
滑移系：塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。
一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。
滑移的临界分切应力τk晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力。
滑移的特点晶体的滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分同时做整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动的结果，因此实际滑移的临界分切应力τk 比理论计算的低得多。
（滑移面为原子排列最密的面）单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动。
机械工程材料：第三章 金属的塑性变形与再结晶
二、塑性变形对金属组织和性能的影响
塑性变形→强度、硬度↗，塑性、韧性↘，电阻↗，抗蚀性↘。 1、塑性变形对金属组织的影响 （1）显微组织的变化 形成“纤维组织”； （2）亚结构的细化 位错缠结、晶粒破碎； （3）织构现象的产生
织构: 在塑性变形过程中，晶粒转动， 当变形量达到一定程度(70~90%以上)时， 会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方 向趋于一致。
① 温度低。T＜T再 ②显微组织没有明显变化； ③力学性能变化不大； ④残余应力显著降低； ⑤理化性能基本恢复到变形前。 应用：低温去应力退火 (如深冲黄铜弹壳，会自动变形， 甚至开裂）
2、再结晶
变形金属加热到较高温度时， 由于原子扩散能力增加，在晶格畸 变严重处形成一些位向与变形晶粒 不同，内部缺陷减少的等轴小晶粒， 这些小晶粒不断向外扩展长大，直 至金属中的变形金属全部被等轴晶 取代，即冷变形组织完全消失， 这一过程为再结晶。
缺陷： 制耳； 优点： 使硅钢片的特定晶界、 晶向平行于磁力线方向，提高导磁率
2、塑性变形对金属性能的影响 (1)对力学性能的影响
强度、硬度↗，塑性、韧性↘ (2)残余应力
① 材料经塑性变形后残存在内部的应力。 其产生是由于金属内部各区域变形不均匀所致；
② 是一种弹性应力，在金属中处于自相平衡的状态； 分三种：a. 宏观残余应力(第一类内应力)
晶体通过位错运动产生滑移时， 只在位错中心的少数原子发 生移动，它们移动的距离远 小于一个原子间距，因而所 需临界切应力小，这种现象 称作位错的易动性。
孪生
晶体在切应力作用下，其一部分沿一定的晶面(孪晶面) 产生一 定角度的切变。
孪晶：切变后，变形部分的晶体位向发生了改变，以孪晶面
为对称面与未变形部分相互对称，对称的两部分晶体 即为孪晶。
金属的塑性变形与再结晶
工业纯铁再结晶过程的显微组织(150X) a)550℃再结晶 b)600℃再结晶 c) 850℃再结晶
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。
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 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。
实验六 金属的塑性变形与再
结晶
金相显微分析技术
材料和孪生两种。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。
塑性变形实验
塑性变形实验
9．在各组试样中选取五个变形程度较大且变形程度值相近的分段 试样，分别放入温度为100℃℃、300℃、500℃、650℃、800℃的 加热炉中保温30min后出炉空冷(可将学生分组，分别完成一个数据) 。 10．把冷却后的分段试样沿轴向制备成金相试样，然后在金相显微 镜下观察其显微组织，再根据其组织特征，绘出显微组织示意图， 并记录观察试样所用的放大倍数及浸蚀剂。 11．在已观察过的试样磨面上，测定其洛氏硬度值HRB，并记下测 量数据。 12．分析冷变形金属在加热时组织与硬度的变化规律。 13．观察由实验室制备好的纯铝片试样一套，了解不同变形程度对 再结晶后晶粒度的影响，并找出纯铝的临界变形程度。
材料科学基础 第6章 材料的塑性变形与再结晶
两三个晶粒的拉伸试验表明：晶界处 的变形能力差，呈竹节状
2)晶界对材料的强化作用机理
晶界对材料的强化作用是通过晶界对位错 的阻塞作用实现的。塑性变形是通过位错在滑 移面上的滑移产生的，晶界可以阻止位错的滑 移，因此位错在晶界处形成阻塞，位错处阻塞 位错的数量越多，对位错源形成位错的反作用 力越大，当增大的某一数值，位错源停止形成 新的位错，因此滑移面停止进行，要使相邻晶 粒发生滑移须增大外应力，以启动其位错源动 作。这就是晶界的强化作用。
滑移方向 〈110〉 〈110〉
〈111〉
〈111〉 〈111〉 〈111〉 〈111〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1123〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1010〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1120〉 〈1120〉
3.位错滑移时受到的点阵阻力
由于原子排列的周 期性，位错在滑移过程 中，位错中心的能量将 发生周期性变化，当位 错从位置1移动到位置2 时需要越过一个势垒， 即阻力，其大小如右图 所示。
切应力
2.晶体结构引起的加工硬化曲线的差异
6.1.2多晶体的塑性变形
通常使用的材料多为多晶材料，多晶材料变形 有以下特点： ①每个晶粒的变形行为方式与其单晶相同； ②每个晶粒的变形受其周围晶粒的影响；主要涉及 到晶粒之间的方位及取向关系； ③整个材料体的变形是通过各晶粒变形相互配合与 协调实现的。 因此多晶材料的屈服强度明显高于同类材料的 单晶体；并且晶粒越细，强度越高。
0 10 20 40 60 80 276 497 566 593 607 662
抗拉强度 （Mpa）
456 518 580 656 704 792
延伸率 断面收缩率 （% ） （% ）
34 20 17 16 14 7 70 65 63 60 54 26
第四章 金属的塑性变形与再结晶
第四节 金属的热变形加工
为此，采取正确的热加工工艺，可以使流线合理分布， 为此，采取正确的热加工工艺，可以使流线合理分布，以保 证金属材料的力学性能。 １１所示 证金属材料的力学性能。如图４-１１所示，很明显，锻造曲轴流 １１所示，很明显， 线分布合理，因而其力学性能较高。 线分布合理，因而其力学性能较高。
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第二节 冷塑性变形对金属组织和性能 的影响
一、对金属组织的影响
金属材料经冷塑变形后，晶粒形状沿变形方向被压扁或拉长。 金属材料经冷塑变形后，晶粒形状沿变形方向被压扁或拉长。 当变形量很大时，晶粒被拉成细条状，形成纤维组织， 当变形量很大时，晶粒被拉成细条状，形成纤维组织，使金属材 料的力学性能具有明显的方向性， 料的力学性能具有明显的方向性，如图４-５所示。 ５所示。
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第二节 冷塑性变形对金属组织和性能 的影响
２冷变形强化的不利影响 主要是冷塑变形时，产生冷变形强化，材料塑性逐渐降低， 主要是冷塑变形时，产生冷变形强化，材料塑性逐渐降低， 使继续变形困难。另外， 使继续变形困难。另外，由于冷塑性变形产生的内应力不仅会降 低金属材料的耐蚀性（ 低金属材料的耐蚀性（在应力状态下金属材料的加速腐蚀称为应 力腐蚀），导致工件变形和开裂； ），导致工件变形和开裂 力腐蚀），导致工件变形和开裂；也会降低工件的抗载荷能力 当残余内应力与工作应力方向一致时， （当残余内应力与工作应力方向一致时，会明显地降低抗载荷能 力）。
二、形成锻造流线（热变形纤维组织） 形成锻造流线（热变形纤维组织）
在热加工过程中，由于铸态组织中的各种夹杂物， 在热加工过程中，由于铸态组织中的各种夹杂物，在高温下 是有一定的塑性，它仍会沿着变形方向伸长而形成锻造流线，又 是有一定的塑性，它仍会沿着变形方向伸长而形成锻造流线， 称为热变形纤维组织。由于锻造流线的出现，使金属材料的性能， 称为热变形纤维组织。由于锻造流线的出现，使金属材料的性能， 在不同方向上有明显的差异，通常沿流线方向，其抗拉强度及韧 在不同方向上有明显的差异，通常沿流线方向， 性高，而抗剪强度低。在垂直于流线方向上，抗剪强度高，而抗 性高，而抗剪强度低。在垂直于流线方向上，抗剪强度高， 拉强度较低， 拉强度较低，见表４-３。 ３
金属及合金塑性变形和再结晶
金属及合金塑性变形和再结晶
滑移时晶体的转动与旋转
1）单晶体试样在拉伸实验时， ①除了沿滑移面产生滑移外，②晶体还会产生转动。
原因：晶体在拉伸过程，当滑移面上、下两部分发生微小滑 移时，试样两端的拉力不再处于同一直线上，于是在滑移面 上形成一力偶，使滑移面产生以外力方向为转向，趋向于与 外力平行的转动。
3）单晶体变形时， ①滑移只在晶体内有限的晶面上进行，是不均匀的。 ②单晶体金属的塑性变形在表面上看出现了一系列的 滑移带。 ③其塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合效果 在宏观上的体现。
金属及合金塑性变形和再结晶
锌单晶体拉伸试验
（a)
(b)
锌单晶体拉伸试验示意图 （ a）变形前试样 （b）变形后试样
金属及合金塑性变形和再结晶
滑移系
滑移面 （密排面） 几何要素
滑移方向（密排方向）
滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。 滑移系的个数:(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑
移方向的个数）
金属及合金塑性变形和再结晶
不同晶体结构的金属，其滑移系的数目不同，如 体心立方12个，面心立方12个，密排六方3。 滑移系的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑
金属及合金塑性变形和再结晶
4. BK段为下降曲线 1）载荷σ达到σb后，试棒发生缩颈，且观察表明 BK段的塑性变形集中在缩颈处。 2）由于缩颈截面急剧减小，
拉伸试棒所需的载荷也很快下降。 最后达到K点，试棒在缩颈处断裂。 BK段为不均匀塑性变形阶段。
金属及合金塑性变形和再结晶
二、单晶体金属的塑性变形
金属及合金塑性变形和再结晶
4.1 金属及合金的（冷）塑性变形
一、应力应变曲线和力学性能指标
工程材料金属的塑性变形与再结晶
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• 晶粒变形：
• 外力作用下，金属变形，内部晶粒沿变形方向伸长
• 变形程度很大时，晶粒变成纤维状，晶界模糊，形成纤维 组织，使金属的机械性能有了明显的方向性
• 晶粒“破碎”
• 晶粒外形发生变化，晶粒内部镶嵌块尺寸细碎化，位错密度 增加，晶格畸变较严重，因而增加滑移阻力
性变形程度的增加， 金属的强度和硬度 显著提高，而塑性 和韧性下降。冷塑性 变形对金属性能的主 要影响是造成加工硬 化。图7-55
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2.加工硬化的优缺点：
• 强化金属材料的重要手段：纯金属或 不能热处理强化的材料 ，如某些不锈 钢
• 是工件能够成型的重要因素 • 进一步冷塑性变形困难，必须中间热
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• 消除气孔、缩孔及微裂纹并焊合， 提高金属的致密度
• 细化晶粒：加工硬化与再结晶过程重 叠，减轻甚至消除枝晶偏析，改善夹 杂物和第二相分布。
• 提高机械性能，特别是塑性和韧性显著 提高
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• 沿纤维方向：抗拉强度、韧性好，抗剪 强度低
• 垂直纤维方向：抗剪强度高，抗拉 强度低 图、表
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• 滑移 是单晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿
一定的晶面或晶向相对于另一部分发生滑动的现象。 图7-50
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• 滑移的特点
• 滑移时切应力大于临界切应力；
• 滑移只能在晶体内一定的晶面和晶向上形成。
• 晶体中能发生滑移的晶面和晶向，称滑移面和滑移方向。
• 滑移面和滑移方向（滑移系）越多，金属的塑性越 好。
金属的塑性成形和再结晶
第五章金属的塑性成形和再结晶教学目的及要求通过本章学习，使学生们掌握金属材料变形的过程，塑性变形对组织与性能的影响，变形金属在加热时转变：回复与再结晶。
主要内容1．塑性变形对金属的组织和性能的影响2．冷变形金属加热过程中组织和性能的变化－回复与再结晶3．金属的热加工冷加工的区别学时安排讲课2学时。
教学重点1．塑性变形对组织与性能的影响2．回复与再结晶教学难点1．塑性变形的机理2．回复与再结晶教学过程一、基本概念1．金属的塑料成形，又称压力加工指金属材料在外力作用下发生塑性变形的过程。
在工业生产上，将钢锭锻造、挤压、轧制、拉拔成各种型钢、钢板、钢管或钢丝等规定尺寸和形状的零件和产品的过程都属金属的塑性成形。
2．目的（1）获得规定形状和尺寸的零件和产品；（2）改善金属的组织和性能。
3．金属塑性变形的分类按加工温度是否高于再结晶温度分为两种：冷塑性变形（冷加工）：指在金属再结晶温度以上进行的塑性变形加工，T < T再；热塑性变形（热加工）：指在金属再结晶温度以上进行的塑性变形加工，T > T再。
纯金属：T再≈（0.35～0.4）T熔（K）合金：T再≈（0.5～0.7）T熔（K）一、金属的塑性变形1．单晶体的塑性变形主要方式：滑移和孪生。
一般以滑移为主，孪生通常是在滑移难以进行时发生，是为了进一步滑移。
机理：由于晶体中位错的存在降低了晶体的变形抗力。
在外力作用下，通过位错的传递，晶体发生滑移和孪生，从而实现金属的塑性变形。
实质：是由位错的移动来实现的。
金属的晶格类型不同，塑性变形的难易程度不同：面心立方晶格金属最易发生塑性变形，所以塑性较好；其次是体心立方多属，密排六方晶格的金属塑性相对较差。
2．多晶体的塑性变形—实际金属变形方式：滑移＋晶位的转动影响因素：晶粒位向和晶界。
（1）晶粒位向不一致，变形时各晶粒间要相互协调：（2）晶界的影响：一方面是阻碍位错滑移，使变形抗力增大；另一方面是协调变形，晶界自身发生变形，使处于不同变形量的相邻晶粒保持连续。
第六章金属的塑性变形和再结晶
形成了纤维组织和变形织构
§6.5冷变形金属的回复与再结晶
§6.5冷变形金属的回复与再结晶
§6.5冷变形金属的回复与再结晶
§6.6金属的热加工 热加工: 热加工对合金组织与性能的影响:
1. 改善铸态组织缺陷
2. 出现纤维组织
3. 细化晶粒
§6.6金属的热加工 再结晶晶粒大小的控制:
第六章金属的塑性变形和再结晶
§6.1 金属的变形特性 §6.2单晶体的塑性变形 §6.3多晶体的塑性变形 §6.4塑性变形对金属组织与性能的影响 §6.5冷变形金属的回复与再结晶
§6.6金属的热加工 §6.7超塑性
§6.1 金属的变形特性
应力应变曲线
§6.2单晶体的塑性变形
滑移 滑移系
k s cos cos
移系。
§6.4塑性变形对金属组织与性能的影响 塑性变形对金属组织的影响
1.形成纤维组织
2.形成形变织构 3.亚结构细化 4.点阵畸变严重
§6.4塑性变形对金属组织与性能的影响
塑性变形对金属性能的影响
1. 形变强化 2. 各向异性
变形过程中，位错密度升 高，导致形变胞的形成和 不断细化，对位错的滑移
1. 临界变形度 2. 原始晶粒尺寸 3. 再结晶退火温度
§6.3多晶体的塑性变形
变形
特点: 不同时性 不均匀性
协调性
只有处在有利 位向（取向因 子最大）的晶 粒的滑移系才
能首先开动
每个晶粒的变形 量各不相同，而 且由于晶界的强 度高于晶内，使 得每一个晶粒内 部的变形也是不
均匀的。
多晶体的塑性变 形是通过各晶粒 的多系滑移来保 证相互协调性。 根据理论推算， 每个晶粒至少需 要有五个独立滑
金属的塑性变形与再结晶-材料科学基础-实验-06
实验六 金属的塑性变形与再结晶（Plastic Deformation and Recrystallization of Metals ） 实验学时：2 实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的1． 观察显微镜下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孪晶金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。
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，是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向保持不变。
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。
变形后的显微组织是由许多滑移带（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：① 各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；② 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）；③ 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。
（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。
原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。
）另一种变形的方式为孪晶。
不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、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，即晶体的一部分以一定的晶面（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。
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实验六金属的塑性变形与再结晶
（Plastic Deformation and Recrystallization of Metals）实验学时：2 实验类型：综合
前修课程名称：《材料科学导论》
适用专业：材料科学与工程
一、实验目的
1．观察显微镜下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孪晶
金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。
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，是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向保持不变。
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。
变形后的显微组织是由许多滑移带（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：① 各晶粒内滑移带的方向不同（因晶
粒方位各不相同）；② 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）；③ 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。
（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。
原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。
）
另一种变形的方式为孪晶。
不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、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，即晶体的一部分以一定的晶面（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。
（注：孪晶是材料内部晶体结构上的变化，样品制备过程不会造成孪晶的消失。
）
对体心立方结构的Fe -α，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
若变形前金属为等轴晶粒，则，经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。
（注：实验中观察的Fe -α、单相黄铜形变组织中看不到滑移带）
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。
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，加热则为之创造了条件，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机械性能，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α-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
纤维状组织组成；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。
在单相黄铜-α组织内，经再结晶退火后能看到明显的退火孪晶，它是与基体颜色不同、
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现象所致。
对于立方晶系的金属，当变形度达到70～80%以上时，最低（开始）的再结晶温度与
熔点有如下关系：
（绝对温度）熔化再T T 4.0
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，如下图所示：
晶
粒
大
小
临界变形度
预先变形程度
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，晶粒极易相互吞并长大，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，以获得较细小的晶粒。
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、实验设备和材料
⑴金相显微镜；
⑵常温下，变形度为10%的锌变形孪晶试样；
⑶变形度为60%的α-黄铜，经过270℃、350℃、550℃、750℃退火30min的一组金相试样；
⑷变形度为0%、20%、40%、60%的工业纯铁金相试样一组；
⑸工业纯铁低温冲击试样；
⑹纯铝片不同变形度对再结晶晶粒大小影响组样
四、实验内容和步骤
⒈测定纯铝再结晶后晶粒大小与变形度的关系；
⒉测量、记录工业纯铁不同变形度（0、20、40、60%）试样的硬度（HRB）；
⒊观察工业纯铁不同变形度（0%、20%、40%、60%）试样的显微组织；
⒋观察锌的变形孪晶、60%变形度的α-黄铜的纤维组织；
⒌观察α-黄铜经60%形变后，不同再结晶温度对再结晶晶粒大小的影响及退火孪晶的特征。
五、实验过程
⒈根据实际观察、图片，简述单相多晶体材料在变形情况下，等轴晶晶粒的形貌变化：
（
）
由本组试样，希望建立明确的感性认识：等轴晶粒在不断加大的变形度的条件下形貌的变化；不同晶粒在变形时参与形变的程度的差异。
工业纯铁20%形变工业纯铁40%形变
工业纯铁60%形变工业纯铁60%形变750度再结晶
工业纯铁20%形变后不同晶粒内部显微硬度测试
⒉观察变形度为60%的α-黄铜，经过270℃、350℃、550℃、750℃退火30min 的一组金相试样。
根据观察、图片，了解再结晶温度对再结晶晶粒大小的影响效果。
黄铜60%形变黄铜60%形变270度再结晶
黄铜60%形变350度再结晶黄铜60%形变550度再结晶
黄铜60%形变750度再结晶
270℃退火与未退火时的区别在于：（）。
350℃退火与550℃退火的区别在于：（）。
由750℃退火组织，说明退火孪晶的特点是：
（）。
⒊根据Zn孪晶样品观察、图片，了解形变的另一种方式是：（）。
纯锌形变孪晶
Zn出现孪晶现象的原因是：（）。
⒋工业纯铁在0℃以下接受冲击时，会出现与常规条件下的不同形变方式：（）。
工业纯铁低温冲击
其孪晶形貌是：（）；与划痕如何区别：
（
）。
根据工业纯铁低温冲击样品与常规条件下变形样品的比较，同学们可以知道：同样的材料，在不同的变形条件下，变形的方式会（）。
⒌记录不同变形度的工业纯铁的硬度值（HRB）：
（
）。
⒍根据教师提供的样品组，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。
⒎请记录下列组织的金相组织形貌：
工业纯铁的不同变形度的连续组织形貌；单相黄铜60%形变550或750℃再结晶退火的组织；锌的形变孪晶、工业纯铁低温冲击孪晶形貌。
工业纯铁0% 工业纯铁20% 工业纯铁40% 工业纯铁60%
,.
工业纯铁低温冲击锌的形变孪晶黄铜60%形变再结晶退火
（退火温度：）。