金属材料综合实验报告文档格式.docx
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⑵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和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。
通常是晶体中的密排面和密排方向。
⑶滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的
整数倍。
2）滑移带
滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。
2.滑移系
一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。
金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格，体心立方晶格好于密排六方晶格。
3.滑移时晶面的转动:
①外力错动→力偶使滑移面转动→滑移面∥拉伸轴。
②以滑移面的法线为转轴的转动→滑移方向∥最大切应力方向。
㈡孪生
孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。
发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
与滑移相比：
孪生使晶格位向发生改变；
所需切应力比滑移大得多,变形速度极快,接近声速；
孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。
二、多晶体金属的塑性变形单个晶粒变形与单晶体相似。
而
多晶体变形比单晶体复杂得多。
㈠晶界及晶粒位向差的影响
1、晶界的影响
当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起
来，称位错的塞积。
要使变形继续进行，则必须增加外
力，从而使金属的塑性变形抗力提高。
2、晶粒位向的影响
由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。
这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。
由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。
㈡多晶体金属的塑性变形过程
多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45°
的晶粒。
当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。
㈢晶粒大小对金属力学性能的影响
金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。
因金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；
需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。
金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。
因晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前
发生较大的塑性变形。
强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。
通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。
3.1.1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3-1为工业纯铁经不同程度变形的显微组织。
图3-1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。
3.1.2冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化
3.1.2.1显微组织变化
金属经过塑性变形，会发生加工硬化现象，而且内部产生残余内应力。
为了去除内应力，或者为了消除加工硬化现象以便继续变形，需要对冷变形金属进行加热处理。
由于变形金属内部存在严重的晶格畸变，原子处于不稳定状态，本身就有向稳定状态转变的倾向。
加热时，原子的活动扩散能力提高了，促使其向稳定状态转变，并使金属的组织结构和性能发生变化。
这种变化可分为回复（recovery）、再结晶（recrystallization）和晶粒长大（graingrowth）这三个阶段,图3.11回复再结晶
如图3.11所示。
3.1.2.2储存能释放与性能变化
冷变形时，外力所作的功尚有一小部分储存在形变金属内部，这部分能量叫储存能，加热过程中，原子活动能力增强，偏离平衡位置大，能量高的原子将向低能的平衡位置迁移，将储存能逐步释放出来，使内应力松驰，纯金属储存能释放少，合金储存能释放多，储存能的释放使金属的对结构敏感的性质发生不同程度的变化。
右图给出几种性能的变化与储存能的关系
3.1.3回复
回复是指冷变形金属在加热温度较低时，金属中的一些点缺陷和位错的迁移，使晶格畸变逐渐减小，内应力逐渐降低的过程。
这时因为原子活动能力不大，所以金属的晶粒大小和形状尚无明显的变化，因而其强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只会使内应力及电阻率等理化性能显著降低。
工业上，对冷变形后金属要保持其因加工硬化而提高的强度、硬度，又需消除残余内应力的，则可在低温回复阶段加热保温，以基本去除其内应力，这种热处理称为去应力退火。
例如，用冷拉钢丝绕制弹簧，绕成后应在280~300℃消除应力退火使其定形。
3.1.3.1回复机理
低温回复主要涉及点缺陷的运动。
空位或间隙原子移动到晶界或位错处消失，空位与间隙原子的相遇复合，空位集结形成空位对或空位片，使点缺陷密度大大下降。
中温回复时．随温度升高．原子活动能力增强，位错可以在滑移面上猾移或交滑移，使异号位错相通相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使亚晶规整化。
高温回复，原子活动能力进一步增强，位错除滑移外，还可攀移。
主要机制是多边化。
冷变形使平行的同号位错在滑移面上塞积，致使晶格弯曲，所增殖的位错杂乱分布。
高温回复过程中，这些刃位错便通过攀移和滑移，由原来能量较高的水平塞积。
3.1.4再结晶
冷变形金属的加热温度高于回复阶段以后，当温度继续升高时，由于原子活动能力增大，金属的显微组织发生明显的变化，由破碎拉长或压扁的晶粒变为均匀细小的等轴晶粒。
这一过程实质上是一个新晶粒重新形核和长大的过程，故称为“再结晶”。
再结晶以后，只是晶粒外形发生了变化，而晶格类型并未变，仍与原始晶粒相同。
再结晶的晶核一般是在变形晶粒的晶界或滑移带及晶格畸变严重的地方形成，晶核形成后，依靠原子的扩散移动，向附近周围长大，直至各晶核长大到相互接触，形成新的等轴晶粒为止。
通过再结晶，金属的显微组织发生了彻底的改变，故其强度和硬度显著降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象得以消除，变形金属的所有机械和物理性能全部恢复到冷变形以前的状态。
因此，再结晶在工业上主要用于金属在冷变形之后或在变形过程中，使其硬度降低，塑性升高，以便于进一步加工，这样的热处理称为再结晶退火。
3.1.4.1形核机制
（1）小变形量的弓出形核机制
当形量较小的，由于变形不均匀，相邻晶粒的位错密度相差可以很大，此时晶界中的一小段会向位错密度高的一侧突然弓出
（2）亚晶合并机制
变形量较大的高层错能金属再结晶核心通过亚晶合并来产生的。
（3）亚晶蚕食机制
变形量很大的低层错能金属扩展位错宽度大，不易束集，交滑移困难，位错密度很高，在位错密度很大的小区域，通过位移的攀移和重新分布，形成位错密度很低的亚晶，这个亚晶便向周围位错密度高的区域生长。
相应的，亚晶界的位错密度逐渐增大，亚晶与周围形高基体取向差逐渐变大，最终由小角度晶界演变成大角度晶界，大角度晶界一旦形成，可突然弓出，迁移，蚕食途中所遇位错，留下无畸高晶体，成为再结晶核心。
3.1.4.2再结晶动力学
对恒温再结晶动力学人们作过大量研究。
下图为纯铁经98％冷轧，在不同温度下等温再结晶．已经再结晶的体积分数xv与等温时间t的关系曲线。
具有典型的形核，长大过程的动力学特征。
等温温度越高，孕育期越短，再结晶速度越快。
等温的每个温度下，再结晶速度开始很小，随xv的增加而逐渐增大，并在大约50％处达到最大，然后又逐渐减小。
3.1.5晶粒长大
再结晶完成以后，若再继续升高加热温度或过分地延长加热时间，金属的晶粒便会继续长大。
因为通过晶粒长大可减少晶界的面积，使表面能降低，所以晶粒长大是一个降低能量的自发过程。
只要温度足够高，使原子具有足够的活动能力，晶粒便会迅速长大。
晶粒长大实际上是一个晶界迁移的过程，即通过一个晶粒的边界向另一晶粒的迁移，把另一晶粒中的晶格位向逐步转变为与这个晶粒相同的晶格位向，于是另一晶粒便逐步地被这一晶粒“吞并”，合并成一个大晶粒。
如图3.12所示
图3.12晶粒长大示意图
通常在再结晶后获得细小均匀的等轴晶粒的情况下，晶粒长大的速度并不很大，但如果原来的变形不均匀，经过再结晶后得到的是大小不均匀的晶粒，那么，由于大小晶粒之间的能量相差悬殊，便很容易发生大晶粒吞并小晶粒而愈长愈大的现象，从而得到异常粗大的晶粒，使金属的机械性能显著降低。
为了区别于通常的晶粒正常长大，常把晶粒的这种不均匀急剧长大的现象称为“二次再结晶”。
3.1.5.1晶粒长大的驱动力
晶粒长大的驱动力，从整体上看，是晶粒长大前后总的界面能差。
从个别晶粒长大的微观过程来说，晶界具有不同的曲率则是造成晶界迁移的直接原因。
3.1.5.2影响晶粒长大的因素
（1）温度温度越高晶粒长大速度越快。
一定温度下，晶粒长到极限尺寸后就不再长大，但提高温度后晶粒将继续长大。
（2）杂质与合金元素杂质及合金元素渗入基体后能阻碍晶界运动。
（3）第二相质点弥散分布的第二相粒子阻碍晶界的移动，可使晶粒长大受到抑制。
晶粒的异常长大
异常晶粒长大又称不连续晶粒长大或二次再结晶，是—种特殊的晶粒长大现象。
发生异常长大的条件是，正常晶粒长大过程被分散相粒子，织构或表面热蚀沟等强烈阻碍，能够长大的晶粒数目较少，致使晶粒大小相差悬殊。
晶粒尺寸差别越大，大晶粒吞食小晶粒的条件越有利，大晶粒的长大速度也会越来越快，最后形成晶粒大小极不均匀的组织。
二次再结晶形成非常粗大的晶粒及非常不均匀的组织，从而降低了材料的强度与塑性。
因此在制定冷变形材料再结晶退火工艺时．应注意避免发生二次再结晶。
3.1.5.3再结晶温度和再结晶晶粒大小的影响因素
3.1.5.3.1再结晶温度及其影响因素
再结晶不是一个恒温过程，而是在一定的温度范围内进行的。
工程上规定，大变形量（~70%以上）的冷变形金属经一小时保温，能完成再结晶（>
95%转变量）的最低温度，称为该金属的再结晶温度。
每种金属的再结晶温度都各不相同，即便是同一种金属，其再结晶温度也不是固定的，而是受到诸多因素影响：
（1）冷变形程度：
冷变形程度越大，金属畸变能越高，向低能量状态变化的倾向也越大，因此再结晶温度越低，如图3.13所示。
当变形达到一定程度之后，再结晶温度将趋近某一最低极限值，称为“最低再结晶温度”。
实验证明，工业纯金属的熔点与最低再结晶温度之间有如下关系
T再≈（0.35~0.40）T熔
式中温度按热力学温度（绝对温度）计。
图3.13金属的再结晶温度与变形量的关系
（2）保温时间：
加热时保温时间越长，原子的扩散移动越能充分进行，再结晶温度就越低。
（3）原始晶粒度：
原始晶粒越粗大，变形阻力越小，变形后内能集聚较少，
所以再结晶温度较高。
（4）金属纯度及成分：
金属中加入的合金元素或所含的杂质元素，常会阻碍原子的扩散与晶界的迁移，推迟再结晶的进行，因此金属的纯度低，可以明显提高再结晶温度。
考虑到以上各因素的影响，为了缩短退火周期，在工业上选择再结晶退火温度，一般比最低再结晶温度高100~200℃。
3.1.5.3.2再结晶后晶粒大小的因素
变形金属在再结晶退火后得到的晶粒大小，不仅影响到金属的强度和塑性，还影响到金属的韧性，因此控制再结晶后的晶粒大小是非常重要的。
影响再结晶
后晶粒大小的因素主要有以下几种：
（1）退火加热温度：
再结晶退火时加热温度越高，金属的晶粒尺寸越大，如图3.14所示。
当加热温度一定时，时间过长也会使晶粒长大，但其影响不如温度的影响大。
（2）冷变形程度：
金属的冷变形程度是影响再结晶晶粒大小的另一重要因素。
图3.15表明再结晶后的晶粒大小与冷变形程度的关系。
当金属的冷变形量在2%~10%的范围内时，再结晶后的晶粒会异常粗大。
通常把再结晶时晶粒异常粗大所对应的冷变形量称为“临界变形量”。
当变形量超过临界变形量后，随着变形量的增加，再结晶的晶粒逐渐变细。
因此，为了获得优良的组织和性能，在制定压力加工工艺时，必须避免在临界变形量附近进行冷变形。
3.2洛氏硬度试验的基本原理
洛氏硬度试验常用的压头有两种：
一种是顶角为120的金刚石圆锥，另一种是直径为1”/16（1.588mm）的淬火钢球。
据金属材料软硬程度不同，可选用不同的压头和负荷配合使用，最常用的是HRA、HRB、和HRC。
这三种压头、负荷及应用范围可参考下表。
三种压头、负荷及应用范围表
符号
压头
负荷（kgf）
硬度值有效范围
使用范围
HRA
120º
金刚石圆锥
60
>
70
使用测量硬度质合金、表面淬火层、渗碳层
HRB
1″/16钢球
100
25~100（HB60~230）
使用测量有色金属、退火及正火钢
HRC
150
20~67（HBC230~700）
使用测量调质钢、淬火钢
图5-3洛氏硬度实验原理图
洛氏硬度测定时，需先后两次施加负荷（初负荷和主负荷），施加初负荷的目的是使压头与试样表面接触良好，以保证测量结果准确，图5-3中0-0为末加上主负荷的位置，1-1为加上10kgf初负荷后的位置，此时压入深度为h1，2-2位置为加上主负荷后的位置，此时使压入深度为h2，h2包括由加荷所引起的弹性变形和塑性变形。
卸荷后，由于弹性变形恢复，压头提高到3-3位置，此时压头的实际压入深度为h3。
洛氏硬度就是以主负荷所引起的残余压入深度（h=h3-h1）来表示的，但这样直接以压入深度的大小表示硬度，将会出现硬的金属硬度小，而软的金属硬度值大的现象，这与布氏强度所表示的硬度大小的概念相矛盾。
为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，故需用一常数（K）减去（h3-h1）的差值表示洛氏硬度值。
为简便起见又规定每0.002mm的压入深度作为一个硬度单位（即表盘上一小格）。
洛氏硬度值的计算公式如下：
式中的常数K，当采用金刚石圆锥时，K=0.2（用于HRA、HRC），采用钢球时，K=0.26（用于HRB）。
为此，上式可写为：
3.2.1洛氏硬度试验机的技术要求
（1）
被测金属表面必须平整光洁。
（2）
试样厚度应不低于压入深度的10倍。
（3）
两相邻压痕及压痕距试样边缘的距离均不应小于3mm。
（4）
加初负荷时，应谨防试样与金刚石压头突然碰撞，以免将金刚石压头碰坏。
3.2.2洛氏硬度试验机的结构及操作
HB-150型洛氏硬度试验机的结构如图5-4所示。
图5-4HB-150型洛氏硬度试验机结构图
它是由加卸负荷和测量两部分组成的。
前者都是利用杠杆和砝码，后者是用百分表测量压痕深度的，即洛氏硬度值可直接由百分表盘上读出。
实验时，先将试样置于试样台上，并对准压头，顺时针转动手轮，使试样上升与压头接触，继续缓慢转动手轮使百分表刻度盘上的短时针顺时针转动直到对准红点，然后再转动表盘使表盘上的长针对准0点，此时，压头利用弹簧压缩的方法将10kgf的负荷加到了试样上，然后将负荷手柄缓慢向后推（4~5秒钟），于是主负荷加到试样上，主负荷加上后，长针由转动到停止，待持续一秒后，再将负荷手柄向前拉，回到原始位置，待长针停止转动后，长针所指示的读数即为该材料的硬度值。
最后，逆时针回转手轮，使试样台下降，取下试样，放回原处。
3.3金相试样制备
金相试样制备过程一般包括：
取样、粗磨、细磨、抛光和浸蚀五个步骤。
3.3.1.取样
从需要检测的金属材料和零件上截取试样称为"
取样"
。
取样的部位和磨面的选择必须根据分析要求而定。
截取方法有多种，对于软材料可以用锯、车、刨等方法；
对于硬材料可以用砂轮切片机或线切割机等切割的方法，对于硬而脆的材料可以用锤击的方法。
无论用哪种方法都应注意，尽量避免和减轻因塑性变形或受热引起的组织失真现象。
试样的尺寸并无统一规定，从便于握持和磨制角度考虑，一般直径或边长为15~20mm，高为12~18mm比较适宜。
对那些尺寸过小、形状不规则和需要保护边缘的试样，可以采取镶嵌或机械夹持的办法。
金相试样的镶嵌，是利用热塑性塑料（如聚氯乙烯），热凝性塑料（如胶木粉）以及冷凝性塑料（如环氧树脂+固化剂）作为填料进行的。
前两种属于热镶填料，热镶必须在专用设备一镶嵌机上进行。
第三种属于冷镶填料，冷镶方法不需要专用设备，只将适宜尺寸（约φl5~20mm）的钢管、塑料管或纸壳管放在平滑的塑料（或玻璃）板上，试样置于管内待磨面朝下倒入填料，放置一段时间凝固硬化即可。
3.3.2.粗磨
粗磨的目的主要有以下三点：
1）修整有些试样，例如用锤击法敲下来的试样，形状很不规则，必须经过粗磨，修整为规则形状的试样；
2）磨平无论用什么方法取样，切口往往不十分平滑，为了将观察面磨平，同时去掉切割时产生的变形层，必须进行粗磨；
3）倒角在不影响观察目的的前提下，需将试样上的棱角磨掉，以免划破砂纸和抛光织物。
黑色金属材料的粗磨在砂轮机上进行，具体操作方法是将试样牢牢地捏住，用砂轮的侧面磨制。
在试样与砂轮接触的一瞬间，尽量使磨面与砂轮面平行，用力不可过大。
由于磨削力的作用往往出现试样磨面的上半部分磨削量偏大，故需人为地进行调整，尽量加大试样下半部分的压力，以求整个磨面均匀受力。
另外在磨制过程中，试样必须沿砂轮的径向往复缓慢移动，防止砂轮表面形成凹沟。
必须指出的是，磨削过程会使试样表面温度骤然升高，只有不断地将试样浸水冷却，才能防止组织发生变化。
砂轮机转速比较快，一般2850r/min，工作者不应站在砂轮的正前方，以防被飞出物击伤。
操作时严禁戴手套，以免手被卷入砂轮机。
3.3.3.细磨
粗磨后的试样，磨面上仍有较粗较深的磨痕，为了消除这些磨痕必须进行细磨。
细磨，可分为手工磨和机械磨两种。
（1）手工磨
手工磨是将砂纸铺在玻璃板上，左手按住砂纸，右手握住试样在砂纸上作单向推磨。
金相砂纸由粗到细分许多种，其规格可参考表2-1。
表2-1常用金相砂纸的规格
金相砂纸编号
01
02
03
04
05
06
粒度序号
M28
M20
M14
M10
M7
M5
砂粒尺寸/
28～20
20～14
14～10
10～7
7～5
5～3.5
①表中为多数厂家所用编号，目前没有统一规格
用砂轮粗磨后的试样，要依次由01号磨至05号（或06号）。
操作时必须注意：
1）加在试样上的力要均匀，使整个磨面都能磨到；
2）在同一张砂纸上磨痕方向耍一致，并与前一道砂纸磨痕方向垂直。
待前一道砂纸磨痕完全消失时才能换用下一道砂纸。
3）每次更换砂纸时，必须将试样、玻璃板清理干净，以防将租砂粒带到细砂纸上。
4）磨制时不可用力过大，否则一方面因磨痕过深增加下一道磨制的困难，另一方面因表面变形严重影响组织真实性。
5）砂纸的砂粒变钝磨削作用明显下降时，不宜继续使用，否则砂粒在金属表面产生的滚压会增加表面变形。
6）磨制铜、铝及其合金等软材料时，用力更要轻，可同时在砂纸上滴些煤油，以防脱落砂粒嵌入金属表面。
（2）机械磨
目前普遍使用的机械磨设备是预磨机。
电动机带动铺着水砂纸的圆盘转动，磨制时，将试样沿盘的径向来回移动，用力要均匀，边磨边用水冲。
水流既起到冷却试样的作用，又可以借助离心力将脱落砂粒、磨屑等不断地冲到转盘边缘。
机械磨的磨削速度比手工磨制快得多，但平整度不够好，表面变形层也比较严重。
因此要求较高的或材质较软的试样应该采用手工磨制。
3.3.4.抛光
抛光的目的是去除细磨后遗留在磨面上的细微磨痕，得到光亮无痕的镜面。
抛光的方法有机械抛光、电解抛光和化学抛光三种，其中最常用的是机械抛光。
机械抛光在抛光机上进行，将抛光织物（粗抛常用帆布，精抛常用毛呢）用水浸湿、铺平、绷紧并固定在抛光盘上。
启动开关使抛光盘逆时针转动，将适量的抛光液（氧化铝、氧化铬或氧化铁抛光粉加水的悬浮液）滴洒在盘上即可进行抛光，抛光时应注意：
1）试样沿盘的径向往返缓慢移动，同时逆抛光盘转向自转，待抛光快结束时作短时定位轻抛。
2）在抛光过程中，要经常滴加适量的抛光液或清水，以保持抛光盘的湿度，如发现抛光盘过脏或带有粗大颗粒时，必须将其冲刷干净后再继续使用。
3）抛光时间应尽量缩短，不可过长，为满足这一要求可分粗抛和精抛两步进行。
4）抛有色金属（如铜、铝及其合金等）时，最好在抛光盘上涂少许肥皂或滴加适量的肥皂水。
机械抛光与细磨本质上都是借助磨料尖角锐利的刃部，切去试样表面隆起的部分。
抛光时，抛光织物纤维带动稀疏分布的极微细的磨料颗粒产生磨削作用，将试样抛光。
目前，人造金刚石研磨膏（最常用的有W0.5W1.0W15W25W3.5五种规格的溶水性研磨膏）代替抛光液，正得到日益广泛的应用。
用极少的研磨膏均匀涂在抛光织物上进行抛光，抛光速度快，质量也好。
3.3.5.浸蚀
抛光后的试样在金相显微镜下观察，只能看到光亮的磨面，如果有划痕
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