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α-Fe ，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α-Fe 、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α-单相黄铜组织内，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：
T 再=0. 4T 熔化（绝对温度）
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：（ ）。
Zn出现孪纯锌形变孪晶 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
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： ）
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α-Fe ，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α-Fe 、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α-单相黄铜组织内，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：
T 再=0. 4T 熔化（绝对温度）
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：（ ）。
Zn出现孪纯锌形变孪晶 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
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： ）