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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。其强度、硬度保持基本不变，塑性、韧性略有升高；电阻和内应力明显下降，使冷变形强化现象得到部分消除。这一过程称为回复。这时的温度称为回复温度。一般为： （式中以绝对温度计算） 2）再结晶 当温度继续升高时，金属原子获得更多的热能，开始以某些碎晶或杂质为核心，形成新的细小等轴晶粒，消除了冷变形强化的现象。即强度、硬度明显下降，塑性和韧性升高。这一过程称为“再结晶”，工艺称为“再结晶退火”。 3）晶粒长大 再结晶完成后，当温度继续升高，保温时间进一步延长，则金属的晶粒将长大，使力学性能下降。 冷变形金属，经回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的组织和性能的变化如图2-4-1。 4）影响再结晶后晶粒大小的因素 影响再结晶后晶粒大小的因素，主要有以下几个方面： （1）再结晶温度和时间 冷变形金属经再结晶后的晶粒大小主要取决于再结晶退火的温度、保温时间以及预变形量。 再结晶温度愈高，保温时间愈长，再结晶后的晶粒愈粗大（图2-4-2）。对工业用金属，再结晶最低温度（式中为绝对温度）。在实际生产中，再结晶退火温度比最低再结晶温度高100~200℃。 （2）预变形度 预变形度对再结晶退火后的晶粒大小的影响较为复杂。由图2-4-3可知，当变形度很小时，由于晶格畸变很小，不足以引起再结晶，晶粒大小没有变化。但当变形度稍增加时，再结晶退火后的晶粒将发生急剧长大。出现最大晶粒度的变形度称为“临界变形度”。对一般金属及合金，临界变形度约为2%~10%。 随变形量的增加，引起金属内部晶粒破碎程度加剧，加热后再结晶的形核数目增多，导致再结晶后的晶粒细小。当变形量进一步增大时，再结晶后的晶粒又会出现异常粗大。一般认为这是由于变形量大，导致变形后的晶粒具有一定的方向性，即所谓织构，再结晶后，某些位向的晶粒优先长大所致（图2-4-3中的虚线部分）。 三、实验设备及材料 1.退火态的纯铝板、低碳钢圆棒。 2.材料试验机。 3.箱式电炉。 4.硬度计。 四、实验方法及步骤 1.将低碳钢圆棒，加工成约为φ15mm×20mm的试样，测量其长度，并测定其硬度。 2.将碳钢试样放在材料试验机上，分别在不同载荷下进行压缩变形。 3.测量试样变形后的长度L，并测定其硬度。 4.取各组同一变形量的试样，分别在250℃、300℃、350℃、400℃、500℃、550℃等温度下进行再结晶退火，并测定退火后的硬度。 5.将上述测得的数据分别填入表2-4-1、表2-4-2。 6.将纯铝板制成约为20mm×150mm的试样，分别给予3%、6%、9%、15%等不同的拉伸变形量。 7.将变形后的纯铝试样，在550℃温度下进行再结晶退火，保温适当的时间。 8.将不同预变形度的再结晶退火试样，用王水（3份盐酸+1份硝酸）腐蚀，观察试样再结晶后的晶粒大小。 五、实验报告要求 1.将实验数据填入实验报告的表中。