实验3.金属冷变形及再结晶对组织和性能的影响
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
金属材料冷形变与退火过程的组织和性能分析报告
金属材料冷形变与退火过程的组织和性能分析国滔材科０９５４０９３０３６６摘要：金属材料的冷形变和退火过程中，组织的变化会导致材料有不同的性能。
本次实验主要观察α-Fe、Al、Zn进行冷形变后滑移、孪晶和组织，并对α-Fe 在相同型变量、相同温度条件，经过不同时间退火后的回复再结晶情况，α-黄铜经相同时间不同退火温度后的回复再结晶的情况进一步观察分析，并测定了不同冷变形程度的纯铜样品以及68%冷变形并经不同温度退火一小时的纯铁样品的硬度。
关键词：形变量；冷形变；滑移；孪晶；回复；再结晶。
一、材料冷形变对组织变化及性能的影响概述1、材料的冷变形冷变形或冷加工是金属在再结晶温度以下所进行的变形或加工，如钢的冷拉或冷冲压等。
本实验进行的观测的是塑性变形（即获得的力撤除后不可恢复的永久变形）对材料微观组织和力学性能的影响规律，且仅涉及在低于材料再结晶温度的条件以滑移、孪生等基本形式发生的塑性变形（即“冷变形”），因为材料冷形变所引发的组织结构和力学性能变化可以在变形后保留下来。
2、冷变形程度对微观组织性能的影响：冷形变导致晶粒组织呈现方向性，且其程度随变形量的增大而增大。
在形变前显微组织为等轴晶粒，经受较大程度的方向性形变后导致晶粒沿受力方向伸展，变形越大则晶粒被拉得越长。
当变形程度很大时，晶粒不但被拉长，晶粒部还会被许多的滑移带分割成细的小块，晶界与滑移带分辨不清，呈纤维状物质。
3、冷形变材料的组织和性能在退火加热时的变化冷形变金属处于高能量的不稳定状态，力求在适当的条件下过度到无畸变能的更稳定状态。
在室温或远低于材料再结晶温度下，冷变形状态的组织和性能稳定，可以长时间维持不变；退火加热则为晶粒发生回复、再结晶和晶粒长大创造外界条件，使得组织和性能发生变化。
二、实验样品1、冷变形样品①α- Fe : 经0%、20%、40%、60%常温变形和经低温高速冲击变形样品各一块，均为经化学浸蚀好的金相样品（光学显微镜观察用），浸蚀剂：4%硝酸酒精。
金属的塑性变形与再结晶
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。
“金属的塑性变形与再结晶实验”实验报告.docx
金属的塑性变形与再结晶实验”实验报告、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、实验原理金属材料在外力作用下，当应力大于弹性极限时，不但会产生弹性变形，还会产生塑性变形。
塑性变形的结果不仅改变金属的外形和尺寸，也会改变其内部的组织和性能。
在冷塑性形变过程，随着变形程度的增大，金属内部的亚晶增多，加上滑移面转动趋向硬位向和位错密度增加等原因，金属的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，这种现象称为加工硬化。
加工硬化后的金属内能升高，处在不稳定的状态，并有想稳定状态转变的自发趋势。
若对其进行加热，使其内部原子活动能力增大，随着加热温度逐渐升高，金属内部依次发生回复、再结晶和晶粒长大3 个阶段。
冷塑性变形金属经再结晶退火后的晶粒大小，不仅与再结晶退火时的加热温度有关，，而且与再结晶退火前预先冷变形程度有关。
当变形度很小时，由于金属内部晶粒的变形也很小，故晶格畸变也小，晶粒的破碎与位错密度增加甚微，不足以引起再结晶现象发生，故晶粒大小不变。
当变形度在2%~10% 范围内时，由于多晶体变形的特点，金属内部各个晶粒的变形极不均匀(即只有少量晶粒进行变形) ，再结晶是晶核的形成数量很少，且晶粒极易相互并吞长大，形成较粗大的晶粒，这样的变形度称为临界变形度。
大于临界变形度后，随着变形量的增大，金属的各个晶粒的变形逐步均匀化，晶粒破碎程度与位错密度也随着增加，再结晶时晶核形成的数量也增多，所以再结晶退火后晶粒较细小而均匀。
为了观察再结晶退火后铝片的晶粒大小，必须把退火后的铝片放入一定介质中进行浸蚀，由于各个晶粒内原子排列的位向不同，对浸蚀剂的腐蚀不同，因而亮暗程度不同，就能观察到铝片内的晶粒。
三、实验装置及试件工业纯铝片、铝片拉伸机、浸蚀剂( 15%HF+45%HCL+15%HN ??3+25% ??2??组成的混合酸)、HV-120型维氏硬度计、小型实验用箱式炉、钢皮尺、划针、扳手、放大镜。
3.3冷变形加工金属在加热时组织和性能变化
（3）归纳
再结晶温度经验公式适用条件有两个： 例如在计算低碳钢的仅适用纯金属及温度为绝对温度。 最低再结晶温度时，就不能直接应用该经验公式，必须考虑碳元素的影响， 通常在纯铁的再结晶温度基础上+（50~100）℃。
6. 再结晶退火后的晶粒度
（1）加热温度与保温时间 （2）预变形度 (1)加热温度和保温时间
多边形化过程 是位错从高能态的混乱排列 向低能态的规则排列移动的 过程。
3.3.1 回复（Recovery）
生产中的应用：
去应力退火—是利用回复阶段的低温加热处理，
既可保留加工硬化的效果又可降低内应力，稳定组织， 以减轻变形和翘曲，并改善工件耐蚀性，降低电阻率。 冷拉钢丝卷制弹簧。 对铸件和焊接件及时进行去应力退火以防止变形和
3.3 冷变形加工的金属在加热时 组织与性能的变化
变化过程随着温度的升高可分为 回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。
3.3.1 回复（Recovery）
回复：
冷变形金属在低温加热时，在光学显微组织发生 改变前，产生的某些结构和性能变化的过程。
Strength：强度 Ductility：延展性 Hardness：硬度 Internal residual stresses
冷变形黄铜组织性能随温度的变化
冷变形(变形量为38%)黄铜580º C 保温15分后的的再结晶组织
3.3.2 再结晶
（Recrystallization）
2.特点 性能上，强度、硬度↓↓ 塑性、韧性↑↑ 内应力完全消除
再结晶与结晶、重结晶 的根本区别： 无相变，无恒定转变温度， 无晶格类型的变化 工程上为了消除加工硬化现象，降低硬度，提高塑形，使压 力加工能继续进行，广泛采用再结晶退火（中间退火）。
镁合金的塑性变形及再结晶热处理对其组织性能的影响
4
轧制前的平均晶粒尺寸约40um， 15%压下量轧制并退火后平均晶粒
3.3 EX-AZ31B: tensile properties on different directions
TD 45
TD
orientation
σb/ MPa
σ0.2/ MPa
δ/ %
ED
280.0
200.4
13.2
ED
45°
258.0
125.2
19.0
TD
276.0
107.4
16.2
ED
350
➢ 有色金属材料制品中70%以上是板、带材，轧制变形 镁合金板材的研究和加工技术的突破对开发变形镁合 金产品有重要促进作用。
2、变形镁合金塑性变形原理
➢ 镁合金的塑性变形特征：HCP晶体结构及c/a轴比值造成镁的 塑性变形困难。
➢ 塑性变形机制：滑移、孪生、超塑性； ➢ 板材塑性加工方法：热加工、温加工、冷(常温)加工；
压下量
14
退火工艺
15%
30%
45%
55%
12
200度退火1h
8.9um
6.9um
5.8um
4.9um
10
400度退火5min
12.1um
8.2um
7.5umum
9.2um
7.8um
7.0um
6
annealing1h at 2000c annealing1h at 3500c
0.01 s-1
0.1 s-1
1 s-1
5s-1
10s-1
1
σ
1 0.0227
l 82
n
Z 5.5 5 1 01 2
工业纯铝的塑性变形与再结晶实验方案
实验方案金属的塑性变形与再结晶一，实验目的1、观察显微镜下滑移线、变形孪晶的特征；2、了解金属经冷加工变形后显微组织及性能的变化；二、概述1 显微镜下的滑移线与变形挛晶金属受力超过弹性极限后，在金属中特产生塑性变形。
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。
所谓滑移时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相保持不变。
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。
变形后的显微姐织是由许多滑移带所组成。
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—部分以一定的晶面为对称面；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。
2、变形程度对金属组织和性能的影响变形前金属为等轴晶粒，轻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。
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。
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。
金属的塑性变形与再结晶(3)
同一滑移面上若有大量的位错移出，则在晶体表 面形成一条滑移线。
位错在晶体中移动时所需切应力很小，因为当位错中心前 进一个原子间距时，一齐移动的只是位错中心少数原子， 而且其位移量都不大，形成逐步滑移，这就比一齐移动所 需的临界切应力要小得多，这称为“位错的易动性”。
研究表明，亚晶界的存在使晶体的变形抗力增加， 是引起加工硬化的重要因素之一。
3.形变织构
在塑性变形过程中，当金属按一定的方向变形量 很大时(变形量大于70%以上)，多晶体中原来任 意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致，这种有 序化结构叫作“变形织构”，又称为“择优取 向”，
金属材料的加工方式不同形成不同类型的织构： 拉拔时形成的织构称为丝织构，其特征是各个晶 粒的某一晶向平行于拉拔方向；轧制时形成的织 构称为板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧 制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。
3.变形引起的内应力
在金属塑性变形过程中，大约有10％的能量转化为内应力而残留在金属中， 使其内能增加。
这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残余内应力。它是由于金 属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。
内应力一般可分为三种类型：Βιβλιοθήκη （1）宏观内应力(第一类内应力)
金属材料在塑性变形时，由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的 宏观范围内(如表层与心部)产生的残余应力。
3.1.2多晶体金属塑性变形的特点
大多数金属材料是由多晶体组成的。 多晶体塑性变形的实质与单晶体一样。 要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用，以及晶界对塑性变形的影
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
《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能
重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的 最低温度来表示。
最低再结晶温度：
T再=0.4T熔点 式中温度单位为绝对温度(K)。
8
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
(3)再结晶温度影响因素：
1）变形程度 ➢2）金金属属再纯结度晶前：塑纯性度变越形高的, 最相低对再变结形晶量温称度为也预就先越变低形 度➢。3）预；加先热变速形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不 稳➢➢杂再定质结, 最和晶低合是再金一结元扩晶素散温（过度高程也熔, 需就点一越元定低素时；）间阻才碍能原完子成扩；散和晶 ➢界➢当提迁预高移先加, 可变热显形速著度度提达会高一使最定再低大结再小晶结后在晶,较最温高低度温再；度结下晶发温生度；趋于某 一➢高原稳纯始定度晶值铝粒。(越99粗.9大9,9再%结)最晶低温再度结越晶高温。度为80 ℃； ➢工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290 ℃。
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、热加工晶粒大小控制措施
（1）.控制较低的加工终了温度 （2）.控制较大的变形程度 （3）.控制较快的冷却速度
0
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、产生残余内应力 ➢定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。
产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀， 位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。
➢1）宏观内应力 ➢2）微观残余应力 ➢3）晶格畸变应力
1
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1
第一节 金属的塑性变形
材料科学基础实验指导书
《材料科学基础》课程实验指导书实验一金属塑性变形与再结晶一、实验目的1、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；2、研究变形程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。
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。
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。
金属在冷和热塑性加工过程中组织和性能变化规律之回复和再结晶
12/27
2.再结晶动力学
（1）再结晶速度与温度的关系：
v Aexp(Q / RT)
（2）特点：再结晶过程有一孕育期，开始速度慢， 然后逐渐增大，在体积分数为50%最大，然后减慢。
再结晶的体积分数/%
时间/min 经98%冷轧的纯铜（质量分数为ωCu=99.999%）在不同温度下的等温再结晶曲线
3.再结晶温度及其影响因素
（1）定义：冷变形金属开始进行再结晶的最 低温度。
经验公式
高纯金属：T再=0.25~0.35Tm 工业纯金属：T再=0.35~0.45Tm 合金：T再=0.4~0.9Tm
注：再结晶退火温度一般比上述温度高 100~200℃
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（2）再结晶温度的影响因素
a. 变形量
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（3）动力学方程表达式
1 2.3R lg A 2.3R lg t
TQ
Q
作1/T~lgt图，直线的斜率为2.3R/Q
（1/T）/×10-3K-1
t(φR为50%所需的时间)/min
经98%冷轧的纯铜（质量分数为ωCu=99.999%）在不同温 度下等温再结晶时的1/T~lgt图
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长大方式
正常长大 异常长大（二次再结晶）
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1.正常长大
（1）定义：再结晶后晶粒的均匀连续长大。
（2）驱动力：界面能差。界面能越大，曲 率半径越小，驱动力越大。
(长大方向是指向曲率中心,而再结晶晶核的 长大方向相反.)
注：由于晶粒长大是通过大角度晶界的迁移
来进行的，因而所有影响晶界迁移的因素均
（2）再结晶：是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步 取代变形晶粒的过程；
（3）晶粒长大：是指再结晶结束之后晶粒的继续 长大。
冷变形金属的组织和性能
对物理、化学性能的影响
对物理、化学性能的影响
导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。
残余应力
残余应力
约占变形功的10-15％
1 分类
第一类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起 1%。 第二类残余应力（Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。10% 第三类残余应力（Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。80-90%。
51B60钢1200℃奥 氏体化后，在920 ℃轧制变形后的再 结晶温度-时间曲线
低碳钢热轧 前后组织变 化
热变形对组织与性能的影响
热变形对组织与性能的影响
组织： 再结晶组织（等轴细晶）+锻造流线 性能 ： 强度、塑性等机械性能提高 原因：
• （1） 通过热加工，可使铸态金属中的气孔和疏松焊合， 从而使其致密度得以提高。 • （2）减小了显微（枝晶）偏析 • （3） 通过热加工，可使铸态金属中的粗大枝晶和柱状晶 粒破碎，控制好终轧温度和变形量,从而使其晶粒细化， 力学性能得以提高。 • （4）锻造流线（纤维组织） 的影响—当金属含有夹杂物 或第二相时，会出现各向异性
显微组织变化（
冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
二 显微组织变化（示意图）
回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化； 再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变 的等轴晶粒。 晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和 尺寸。
冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
二 显微组织变化（示意图）
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
实验指导书-金属的塑性变形、回复与再结晶
实验名称：金属的塑性变形、回复与再结晶一、实验目的•研究金属冷变形后，变形量对材料硬度的影响。
•研究同一退火温度下不同变形量对回复、再结晶后材料硬度的影响。
•研究再结晶温度对冷变形材料进行回复、再结晶后的硬度影响。
二、实验内容说明•金属经塑性变形后不但外形发生变化，而且晶粒内部结构和力学性能也发生明显的变化。
变形量越大，这些变化越明显。
•金属塑性变形后的退火处理可以导致材料产生回复与再结晶，退火温度对回复和再结晶过程有影响。
•冷变形量、热处理温度与时间的差异可导致材料回复与再结晶特征不同。
三、实验步骤1、实验用设备和材料•设备：轧机，游标卡尺，箱式电炉，热电偶及控温仪表，硬度计等；•材料：紫铜板片约20-40块。
2、实验内容与实验过程•紫铜试样作四种不同变形量的轧制变形；变形量20%-80%；•测量变形试样的硬度；•变形试样做不同温度（3-4个）的再结晶退火；温度范围200-500°C；退火时间约0.5小时；•测量退火试样的硬度；•做出材料硬度与变形和热处理工艺参数的关系曲线；•总结规律并且分析原因。
四、实验注意事项•全班学生拟分成3-4组；•先进行安全教育和设备使用的讲解；•关键步骤教师先进行示范，并全程监控学生实验。
五、实验报告要求•写出实验目的、原理和步骤；•绘出硬度与变形量、退火后硬度与变形量、退火后硬度与退火温度的关系曲线；•说明变形量对硬度的影响；•说明在相同的温度与保温时间条件下，变形量不同对再结晶后硬度的影响；•说明在相同的变形量与保温时间条件下，不同温度对再结晶后硬度的影响；•分析其中的原因。
六、思考题•分析金属的堆垛层错能高低对冷变形组织、静态回复、动态回复、静态再结晶和动态再结晶的影响。
•退火温度的升高，变形组织将依次发生哪些变化？•回复和再结晶阶段空位和位错的变化对金属的组织和性能所带来哪些影响？•影响材料的硬度的主要因素有哪些？。
说明金属在冷变形,回复,再结晶及晶粒长大各阶段
金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段一、金属冷变形1. 什么是金属冷变形？金属冷变形是指在室温或较低温度下对金属材料进行塑性加工，以改变其形状或尺寸的过程。
常见的冷变形工艺包括冷拔、冷轧、冷锻等。
2. 冷变形的影响冷变形可以显著提高金属材料的强度和硬度，同时可以改善其力学性能和组织结构。
但冷变形也会导致金属材料产生晶界滑移、位错堆积、析出等微观结构变化，从而影响其综合性能。
二、金属回复1. 什么是金属回复？金属回复是指在冷变形后，应力减小或消除，导致金属材料产生一定程度的弹性恢复的过程。
回复过程主要表现为晶格疲劳裂纹的原子扩散，以及位错消失和减少。
2. 回复的影响金属回复过程可以使金属材料的内应力得到释放，从而降低材料的脆性，提高其韧性和塑性。
回复还可以减小金属材料的形变硬化，有利于后续的再结晶处理。
三、金属再结晶1. 什么是金属再结晶？金属再结晶是指在冷变形后，当金属材料达到一定程度的应变累积后，晶粒开始发生变形重组，并形成新的细小晶粒，以消除原来的应变能量积累的过程。
再结晶是一种发生在高温下的晶界迁移和新晶核形成的过程。
2. 再结晶的影响再结晶可以消除金属材料变形后产生的应力和位错，从而恢复其初始的塑性和韧性。
再结晶还可以改善金属材料的晶粒结构和晶内组织，提高其综合力学性能和加工性能。
四、晶粒长大1. 什么是晶粒长大？晶粒长大是指再结晶后的金属材料，在较高温度下，晶界迁移和晶粒体积增长，有的晶粒消失，有的晶粒长大的过程。
晶粒长大的主要机制有晶界扩散、声生长和弯曲扩张。
2. 晶粒长大的影响晶粒长大会导致材料的晶粒尺寸增大，影响了金属材料的力学性能、热稳定性和加工性能。
在材料的热处理过程中，需要控制晶粒长大，以保证材料具有良好的综合性能。
结语通过对金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段的过程及影响进行了解，有助于加深对金属材料内部组织和性能变化的认识，为金属材料的加工和应用提供了重要的理论基础和指导意见。
实验三冷变形强化及再结晶
实验三冷变形强化及再结晶一、实验目的1.熟悉金属经冷塑性变形后组织与硬度的变化。
2.掌握冷变形强化和再结晶的概念。
3.了解冷变形金属经回复、再结晶后的组织与性能的变化。
二、实验原理1.冷变形强化金属在外力作用下，将发生尺寸及形状的改变，即变形。
变形一般包括弹性变形和塑性变形两种。
弹性变形是可逆的，当外力去除后，变形可完全恢复；塑性变形是不可逆的，当外力去除后，仍有残留变形。
金属进行塑性变形时，金属的强度和硬度升高，而其塑性和韧性下降的现象称为冷变形强化（也称为加工硬化）。
产生冷变形强化的原因，通常被认为在塑性变形过程中，随变形量的增加，位错密度增加，并发生一系列交互作用，使位错运动受阻；同时晶粒也会出现破碎，变成细条状，晶界变得模糊不清，形成所谓的"纤维组织"。
金属的变形程度愈大，位错密度愈高，位错运动的阻力愈大，塑性变形抗力也愈大，则其强度和硬度升高，而塑性韧性下降。
冷变形强化在实际生产中具有重要的意义。
首先这是一种重要的强化材料的手段，尤其对用热处理不能强化的材料来说，显得更为重要。
其次，冷变形强化有利于金属的变形均匀。
因为金属的变形部分产生硬化，将使变形向未变形或变形较少的部分继续发展。
第三，冷变形强化可以提高构件在使用过程中的安全性，构件一旦超载，产生塑性变形，由于强化作用，可防止构件突然断裂。
但是，冷变形强化也给金属的继续变形带来困难，甚至出现裂纹。
因此，在金属变形和加工过程中常进行"中间退火"，以消除它的不利影响。
2.再结晶金属在低温下进行塑性变形，产生的冷变形强化是一种不稳定的组织状态，具有自发地回复到稳定状态的倾向，但在室温下不易实现。
经重新加热，原子获得热能，运动加剧，其组织和性能会发生一系列的变化。
随加热温度的升高，冷变形金属相继发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化。
1）回复冷变形金属当加热温度较低时，其原子活动能力不大，变形金属的组织没有显著变化。
金属材料与热处理 模块三 课题二冷变形后的金属在加热时组织和性能的变化
再结晶过程仍然是一个形核与晶核长大的过程。
金属的塑性变形与再结晶
2 变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围，并非某一恒定温度。一般所说的再结
晶温度指的是最低再结晶温度再，通常用经过大变形量（70%以上）的冷塑性变形的金属， 在一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度与该金属的熔点有如下 关系。 T再=(0.35～0.4)T熔
案例分析
以上两种现象都表现为金属材料在冷塑性变形后性能发生了变化。冷塑性变形后的金属 材料产生加工硬化，同时又有内应力存在。为了消除内应力和加工硬化现象，使金属组织 和性能恢复到变形前的状态，均必须通过加热来完成。
金属的塑性变形与再结晶
必备知识
金属经塑性变形后，组织结构和性能会发生很大的变化。如果对变形后的金属进行加热， 金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、 再结晶和晶粒长大过程，如图3-12所示。
生产中利用回复现象可将已产生冷变形强化的金属材料在较低温度下加热，使残留内应 力基本消除而保留强化的力学性能，这种处理称为低温去应力退火。例如，用冷拉钢丝卷 制弹簧，卷成之后要进行250～300 ℃
金属的塑性变形与再结晶
二、再结晶
1
、
当冷变形金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎
金属的塑性变形与再结晶
三、 再结晶完成后的晶粒是细小的，但如果继续加热，加热温度过高或保温时间过长时，晶
粒会明显长大，最后得到粗大晶粒的组织，使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能 都显著降低。一般情况下晶粒长大是应当避免发生的现象。
当金属变形较大，产生织构，含有较多的杂质时，晶界的迁移将受到阻碍，因而只会有 少数处于优越条件的晶粒（如尺寸较大，取向有利等）优先长大。晶粒长大实质上是大晶 粒迅速吞食周围的大量小晶粒，最后获得晶粒异常粗大的组织。这种不均匀的长大过程类 似于再结晶的生核（较大稳定亚晶粒生成）和长大（吞食周围的小亚晶粒）的过程，所以 称为二次再结晶。二次再结晶会大大降低金属的机械性能。
金属塑性变形对组织和性能的影响
金属塑性变形对组织和性能的影响（一）变形程度的影响塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。
变形程度过小，不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的；变形程度过大，不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时，将会出现开裂等缺陷。
对不同的塑性成形加工工艺，可用不同的参数表示其变形程度。
锻造比Y锻：锻造加工工艺中，用锻造比Y锻来表示变形程度的大小。
拔长：Y锻=S0/S（S0、S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）；镦粗：Y锻=H0/H（H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。
碳素结构钢的锻造比在2~3范围选取，合金结构钢的锻造比在3~4范围选取，高合金工具钢（例如高速钢）组织中有大块碳化物，需要较大锻造比（Y锻=5~12），采用交叉锻，才能使钢中的碳化物分散细化。
以钢材为坯料锻造时，因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善，锻造比一般取1.1~1.3即可。
表示变形程度的技术参数：相对弯曲半径（r/t）、拉深系数（m）、翻边系数（k）等。
挤压成形时则用挤压断面缩减率（εp）等参数表示变形程度。
（二）纤维组织的利用纤维组织：在金属铸锭组织中的不溶于金属基体的夹杂物（如FeS等），随金属晶粒的变形方向被拉长或压扁呈纤维状。
当金属再结晶时，被压碎的晶粒恢复为等轴细晶粒，而夹杂物无再结晶能力，仍然以纤维状保留下来，形成纤维组织。
纤维组织形成后，不能用热处理方法消除，只能通过锻造方法使金属在不同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。
纤维组织的存在对金属的力学性能，特别是冲击韧度有一定影响，在设计和制造零件时，应注意以下两点：（1）零件工作时的正应力方向与纤维方向应一致，切应力方向与纤维方向垂直。
（2）纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合，而不被切断。
例如，锻造齿轮毛坯，应对棒料镦粗加工，使其纤维呈放射状，有利于齿轮的受力；曲轴毛坯的锻造，应采用拔长后弯曲工序，使纤维组织沿曲轴轮廓分布，这样曲轴工作时不易断裂(三）冷变形与热变形通常将塑性变形分为冷变形和热变形。
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实验3. 金属冷变形及再结晶对组织和性能的影响
一、实验概述
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。
图6-1为工业纯铁经不同程度变形的显微组织。
图6-1 工业纯铁冷塑性变形后组织(150X)
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。
(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，通过形核与长大方式进行再结晶，图6-2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6-2 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
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
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。
(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。
图6-3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6-4 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6-3 变形程度对金属再结
晶后晶粒度的影响
图6-4 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, HNO3 15ml, H2SO4 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。
实验
一、实验目的
1．了解冷塑性变形对金属组织与性能的影响。
2．了解经冷塑性变形的金属在加热组织与性能的变化规律。
3．了解变形程度对金属再结晶晶粒度的影响。
二、实验设备、用品及试样
(一) 实验设备
1．小型试验用轧机
2．拉力试验机和洛氏硬度计(或布氏硬度计)。
2．金相显微镜。
3．箱式电阻加热炉(附测温控温装置)。
4．切割机、砂轮机、预磨机、抛光机、吹风机。
(二) 实验用品
1．测量试样尺寸用的游标尺。
2．不同粗细的金相砂纸一套、抛光磨料、浸蚀剂、无水酒精。
(三) 实验试样
退火状态金属板（铝或低碳钢）试样若干。
三、实验方法及步骤
共6组实验，见表
1. 从金属板上取1个拉伸试样。
2．将剩余金属板在轧机（或拉伸机进行一定变形量的冷变形。
3．从冷变形后的金属板上取2个拉伸试样。
4．将一个冷轧试样进行拉伸试验。
5．另一个冷轧试样进行再结晶退火。
6．退火试样进行拉伸试验。
7．分别在三个拉伸试样上切取金相试样。
8．制备金相试样并观察显微组织。
9．试验数据汇总并分析。
10．在已观察过的试样磨面上，测定其硬度值，并记下测量数据。
四、实验报告
1记录实验过程和结果。
2分析冷变形金属在加热时组织与力学性能的变化规律。