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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：

T(0.25~0.3)T（式中以绝对温度计算）

回熔

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

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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T0.4T（式中为绝对温度）。在实际生产中，再结晶退火温度比最低再

再熔

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。

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