变形程度对金属板材组织的影响

1、2013级材料成型及控制工程专业综合设计性实验计划一、 实验课题变形程度对金属板材组织的影响。二、 实验目的通过本次综合设计实验的训练，使学生进一步掌握金属在变形过程中的变形行为，金相试样的制备过程，以及通过金相显微镜仔细观察不同变形前后金属组织的变化。熟练掌握相关仪器设备的使用与操作方法，巩固材料成型理论知识，进一步提高学生运用所学专业知识综合分析、解决实际问题的能力。三、 实验要求以变形程度为实验参数，探索Q195钢板轧制后金属组织的变化情况。四、 实验内容1、 设计实验方案：确定实验目标，合理设计实验参数，分析实验原理，选择实验方法、分析实验中金属组织的变化。2、 制定实验程序：详细制定

2、综合设计实验的具体过程与操作顺序。3、 实验操作：（1） 轧制实验操作：轧制试样的设计与加工；轧制试验。（2） 金相实验操作：金相试样的设计与加工；金相试验。4、 结论与分析：根据实验结果得出相应的结论，并对得出该结论进行分析。五、 实验原料与仪器设备实验材料（钢板），130mm实验轧机，普通光学金相显微镜，数码金相显微镜，金相分析软件，抛光机等。六、 分组根据学号顺序将本年级学生分成12组，如下表所示。组号学生学号1-2-3-4-5-6-7-，8-9-10-11-12-七、 时间安排：2016.6.13-2016.6.24，为期两周，具体安排如下表所示。日期6.13-6.146.15-6.1

3、66.16-6.206.17-6.226.23-6.24工作内容制定实验方案轧制实验金相实验金相分析撰写报告地点1-6组实验楼C5017-12组教学楼C206轧制实验室金相实验室、钳工实训室金相分析室1-6组实验楼C5017-12组实验楼C502指导教师张红云张金标汪劲松刘建张金标刘建汪劲松张红云、刘建张金标张红云汪劲松说明:实验期间，按指导教师安排分组依次进入相应实验室进行实验，其他同学需要在教室完成其它工作。八、 考核：根据学生的实验方案设计、实验期间表现和实验报告情况综合评定成绩。材料成型及控制教研室2016.6.121.设计实验方案1.1实验课题。变形程度对金属板材组织的影响。1.2实

4、验目的 通过本次综合设计实验的训练，使学生进一步掌握金属在变形过程中的变形行为，金相试样的制备过程，以及通过金相显微镜仔细观察不同变形前后金属组织的变化。熟练掌握相关仪器设备的使用与操作方法，巩固材料成型理论知识，进一步提高学生运用所学专业知识综合分析、解决实际问题的能力。1.3合理设计实验参数1.3.1实验材料的确定Q195，是一种碳素结构钢。屈服强度195MPA。比Q235强度低。价格较便宜。用于建筑、结构、摩托车车架等。具有高的塑性、韧性和焊接性能，良好的压力加工性能，但强度低。 1.3.2实验材料参数的拟定取一块厚度为3mm的Q195钢板，作为实验材料，通过改变压下量来达到改变变形程度

5、的目的，一共轧制5个道次，每轧完一道次后截取其中一小块，加上最初的原样作为对比材料，依次编号10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6。表1-3试样材料尺寸（预测）项目 编号123456轧前厚度（mm）332.41.81.41轧后厚度（mm）32.41.81.410.7压下量（mm）00.60.60.40.40.3压下率（%）0204053.366.776.7转动齿数（个）010107751.4实验原理金属材料发生冷变形后，不仅外形发生变化，内部组织也发生变化，随着变形量的增加，原来的等轴晶粒将沿受拉方向逐渐伸长。当变形量大到一定程度时，各个晶粒难以分辨呈现出一片纤维状的条纹，

6、称为纤维组织。塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。变形程度过大，不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时，将会出现开裂等缺陷。冷变形后金属微观上位错分布是不均匀的，有的地方位错密度很高并缠结在一起；有的地方位错密度很低。当变形量较大时，还会发现典型的胞状亚结构特征。金属的塑性变形所造成的内部组织变化必然导致某些性能的改变。大量实践证明，金属材料经冷变形后，强度、硬度显著提高，而塑性下降，即产生加工硬化。造成加工硬化的原因主要是位错密度增加，并相互交结产生不易移动的位错节点；位错缠结在一起或形成胞状亚结构都对位错运动有阻碍作用。1.5

7、实验方法采用对比实验，设置变形程度为唯一变量，观察不同变形程度下的金属组织的变化。分析实验中可能会遇到的问题和解决的方法。实验偶然性问题的解决方法。2制定实验程序2.1轧制实验2.1.1实验器材的选择Q195钢板，130mm二辊实验轧机，游标卡尺，直尺，锯子。2.1.2实验步骤2.1.2.1轧制实验按照前面所述的方法，在老师的帮助下进行轧制，将我们组每块钢板需要轧制的压下量即压下齿轮数报给老师进行轧制，轧制结束后记录轧制后板料的尺寸如下表2-1；项目 编号123456轧前厚度（mm）332.41.81.41轧后厚度（mm）32.41.81.410.9压下量（mm）00.60.60.40.40.

8、1压下率（%）0204053.366.770转动齿数（个）01010772表2-1试样材料尺寸（实际）2.1.2.3试样的保存将试样保存放好，之后到钳工室进行取样。每块试样量取中间的部分，尺寸为长10mm宽10mm，每块试样取2组，防止接下来实验中出现失误可以重新实验。2.2金相实验2.2.1实验器材的选择普通光学金相显微镜，数码金相显微镜，金相分析软件，抛光机，抛光液，吹风机，粉末和液体义齿基托树脂，不同类型的砂纸，玻璃板，无水乙醇，3%4%的HNO3溶液等；2.2.2实验步骤2.2.2.1取样在钳工室取得的适当部位的试样当作样本进行实验观察，在取样时不能使试样的温度升高而发生组织变化，影响

9、对结果的分析。此操作以试样1为例，其他试样都是按照相同操作。2.2.2.2镶嵌为了便于磨制和观察尺寸过小的样品，在制备前应把试样镶嵌到低熔点的合金或塑料中，本次实验室将试样镶嵌到塑料中，先截取一段长20cm的塑料管，在砂纸上将一端磨平，将磨平的试管放在玻璃板上，将试样1光滑的一面放在塑料管中贴在玻璃板上面，向塑料管中添加少量的粉末义齿基托树脂铺满底面之后倾倒少量液体的义齿基托树脂，逐渐加一层粉末，再倾倒液体，逐层有耐心的操作，直到塑料管被填满，放置十分钟让其完全凝固。2.2.2.3磨制打磨过程中要防止温度升高引起组织的变化；先粗磨，然后进行细磨，用手拿着镶嵌好的试样按从粗到细的顺序在1号到6号

10、的砂纸上依次磨平。每更换一道砂纸时候，应将试样的磨制方向调整90（与上一次的磨痕垂直），然后在新砂纸上将上次的磨痕磨去。2.2.2.4抛光经细磨后的试样需抛光以抛去磨痕获得光亮表面。机械抛光在专业的抛光机上进行，抛光时候将试样1平正的压在旋转的抛光盘上，压力不宜过大，并沿盘的边缘到中心反复做径向移动，直至将磨痕全部抛除为止。2.2.2.5浸蚀抛光后的试样在绝大多数的情况下还必须经过浸蚀后才可以再显微镜下观察到组织。最常用的金相组织显示方法是化学浸蚀。浸蚀方法是将试样1浸入浸蚀剂中，浸蚀时间要适当，一般大概在10s到15s之间即可，浸蚀完成后立即用水冲洗，然后用酒精棉球擦拭试样表面并用吹风机吹干

11、试样1即可在金相显微镜下进行观察。2.2.2.6金相显微镜进行观察（1）将金相显微镜的光源插在变压器上，通过低压变压器接通电源。（2）根据放大倍数选择所需的目镜和物镜，安装在目镜座上，并将物镜转换器旋转至固定位置。（3）将试样1放在样品台中心，使试样打磨过的面向下。（4）转动粗调手轮使镜筒上升，同时用眼观察，使物镜尽可能接近试样表面，然后相反转动手轮使镜筒逐渐下降。当视场亮度增强时在改用微调手轮调节，直到物像清晰为止。（5）适当调节孔径光栏和视场光栏以获得最佳质量的图像。（6）用手轻轻推动载物台，选择所需观察的视场。2.2.2.7数码金相显微镜与金相分析软件的使用 在普通金相显微镜下观察成功后

12、，将试样放在数码金相显微镜观察，操作与普通金相显微镜类似，将观察好的金相界面放入电脑，利用金相分析软件进行数据分析。3. 观察并记录结果3.1不同变形程度下的金相组织将观察到的金相组织的形状用仪器拍下来，分析不同变形程度下钢板组织的变化情况。 10-110-2变形程度为0% 变形程度为20%10-310-4变形程度为40% 变形程度为53.3%10-510-6变形程度为66.7% 变形程度为70%图3-1 6块试样的金相显微图4. 实验分析与结论4.1理论能观察到的结果（1）晶粒形状的变化钢材冷变形加工后，随着外形的改变，晶粒皆沿最大主变形方向被拉长、拉细或压扁。冷变形程度越大，晶粒形状变化也

13、越大。在晶粒被拉长的同时，晶间的夹杂物也跟着拉长，使冷变形加工后的金属出现纤维组织。（2）亚结构金属晶体经过充分冷塑性变形后，在晶粒内部出现了许多取向不同的小晶块，这些小晶块（或小晶粒间）的取向差不大，所以它们仍然维持在同一个大晶粒范围内，这些小晶块称为亚晶，这种组织称为亚结构。亚晶的大小、完整程度、取向差与材料的纯度、变形量和变形温度有关。当材料中含有杂质和第二相时，在变形量大和变形温度的情况下，所形成的亚晶小，亚晶间的取向差大，亚晶的完整性差。冷变形加工过程中，亚晶结构对金属的加工硬化起重要作用，晶块的方位不同，其边界又为大量位错缠结，对晶内的进一步滑移起阻碍作用。（3）变形结构在冷变形加

14、工过程中，晶粒位向由无序状态变成有序状态的情况，称为择优取向。形成的纤维状组织，因具有严格的位向关系，故称为变形织构。变形织构分为丝织结构和板织构。冷变形织构的材料进行退火时，由于晶粒位向趋于一致，往往形成具有织构的退火组织，这种组织称为再结晶织构。冷变形加工材料中形成变形织构的特性，取决于变形程度。变形程度越大，变形状态越均匀，则织构越明显。如拉伸、拉丝时可得到丝织构，而宽板轧制和扁带拉伸时可得到板织构等。织构使材料具有明显的各向异性。在实际生产中，要控制变形条件，充分利用其有利的一面，而免其不利的一面。4.2实际实验结果分析通过金相分析软件，经整理得出表4.2表4.2项目 编号10-110

15、-210-310-410-510-6总数(个)：19415619912255157总面积(平方微米)9209.90410978.337788.157139.7432509.1777701.886最大面积(平方微米)371.58751048.747741.5549745.605173.1375657.1125最小面积(平方微米)10.12510.12510.12510.12510.12510.125单位面积晶粒数(个/平方毫米)1997.051605.8752048.521255.877566.17391616.169级别4级4级4级3级2级4级平均等效圆直径(微米)6.858 7.7436.1

16、44 7.173 6.801 6.792从金相图中我们可以明显的看出晶粒被拉长、拉细或压扁。冷变形程度越大，晶粒形状变化也越大。当作用于金属的外力超过其屈服极限时金属产生塑性变形，使金属的外部尺寸，内部组织及其性能发生变化。从表4.2和折线图中我们可以看出10-2晶粒明显被拉大，但到了10-3却大幅下降，可知随着轧制的进行晶粒被拉断，晶粒变得细小，而随着轧制的继续进行，晶粒还在增大，接着又减小，但减小的程度不如前一个，可知此时产生了加工硬化，材料变得难以变形，变化缓慢。 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。当然从我们的实验结果可以看出，晶粒只是被拉长，并没有出现明显的纤维组织。而且其中好几个图片上有明显的黑洞存在，这是由于腐蚀过度而造成的或者也有可能含有杂质的原因。分析原因：（1） 从我们的实验结果来看，一到四试样晶粒清晰可见，第五，六不明显，原因