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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。
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、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。
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。
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。
