冷变形强化的机理及在生产中的实际应用

冷变形强化的机理及在生产中的实际应用
辽宁工程技术大学材料科学与工程学院邮编123000
摘要随着机械加工工业的发展，生产中依靠冷作模制造的零件越来越多，使用的冷变形模具种类越来越多。

冷体积模锻（冷镦、冷挤压、压印等）；板料冲压（如拉伸、落料、切边、冲孔等）；材料轧制（冷轧、轧轮成型等）。

虽然冷变形模具的种类繁多，工作条件不一，性能要求也有所不同，但基础工作情况相近：即均在冷状态下使金属变形，工作时承受较大的剪切力、压力、弯曲力、冲击力和摩擦力。

关键字冷变形模锻轧制
引言
冷变形强化也称冷作强化，如铁板在经过冷作加工后会明显变硬，这是因为冷作加工后组织紧密所致，但有些冷作加工后的材料要经过低温回火处理，否则强度要打折扣，8毫米以下的中、高碳钢丝冷作加工后必须要低温回火（也称定型处理），不然的话他冷作加工后的内应力会使强度和屈服极限大大降低金属在室温下的塑性变形，对金属的组织和性能影响很大，常会出现加工硬化、内应力和各向异性等现象。

加工硬化是指塑性变形引起位错增殖，位错密度增加，不同方向的位错发生交割，位错的运动受到阻碍，使金属产生加工硬化。

加工硬化能提高金属的硬度、强度和变形抗力，同时降低塑性，使以后的冷态变形困难。

内应力即塑性变形在金属体内的分布是不均匀的，所以外力去除后，各部分的弹性恢复也不会完全一样，这就使金属体内各部分之间产生相互平衡的内应力，即残余应力。

残余应力降低零件的尺寸稳定性，增大应力腐蚀的倾向。

各向异性是金属经冷态塑性变形后，晶粒内部出现滑移带或孪晶带。

各晶粒还沿变形方向伸长和扭曲。

当变形量很大(如70%或更大)而且是沿着一个方向时，晶粒内原子排列的位向趋向一致，同时金属内部存在的夹杂物也被沿变形方向拉长形成纤维组织，使金属产生各向异性。

沿变形方向的强度、塑性和韧性都比横向的高。

当金属在热态下变形，由于发生了再结晶，晶粒的取向会不同程度地偏离变形方向，但夹杂物拉长形成的纤维方向不变，金属仍有各向异性。

一．塑性变形对组织结构的影响
多晶体金属塑性变形后，除晶粒内出现滑移带和孪晶等特征外，还具有下述组织结构的变化。

(一)显微组织的变化
金属与合金经塑性变形后，其外形、尺寸的改变是内部晶粒变形的总和。

原来没有变形的晶粒，经加工变形后，晶粒形状逐渐发生变化，随着变形方式和变形量的不同，晶粒形状的变化一不以言，如在轧制时，各晶粒沿边形方向逐渐伸长，变形量越大，晶粒伸长的程度也越大。

当变形量很大时，晶粒呈现出一片如显微状的条纹，称为纤维组织（如图1）。

纤维的分布方向，即金属变形时的伸展方向。

当金属中有杂质存在时，杂质也沿变形方向拉长为细带状（塑性杂质）或粉碎成链状（脆性杂质），着时光学显微镜已经分辨不清晶粒和杂质。

(二)亚结构的细化
实际晶体的每一个晶粒内存在着许多尺寸很小、位相差也很小的亚结构，塑性变形前，铸态金属的亚结构直径为10-2cm，冷塑性变形后，亚结构直径细化至10-4~10-6cm.
形变亚结构的边界是晶格畸变区，堆积有大量的位错，而亚结构内部的晶格则相对地比较完整，着种亚结构常称为保险装亚结构或形变胞。

胞块间的夹角不会超过20°，胞壁的厚度约为胞块直径的1/5。

位错主要集中在胞壁中，保内仅有系数的位错网络。

变形量越大，则宝快的数量越多，尺寸减小，胞块间的取向
差也在逐渐增大，且其形状随着晶粒形状的改变而变化，均沿着变形方向逐渐拉长。

形变亚结构是在塑性变形过程中形成的。

在切应力的作用下位错源所产生的大量位错沿滑移面运动时，将遇到各种阻碍位错运动的障碍物，如境界、第二相颗粒及割阶等，造成位错缠结。

这样，金属中便出现了有高密度的缠结位错分隔开来的位错密度较低的区域，形成形变亚结构。

（三）形变织构
与单晶体一样，多晶体在徐行变形时也伴随着晶体的转动过程，故当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而彼此趋于一致，这一现象称为晶粒的则尤取向，这种由于金属塑性变形使晶粒具有则有取向的组织叫做形变织构。

同一种材料随加工方式的不同，可能出现不同类型的织构：
（1）丝织构在拉拔时形成，其特征是各晶粒的某一镜像与拉拔方向平行或接近平行。

（2）板织构在轧制时形成，其特征是各晶粒的某一个晶面平行于轧制平面，而某一晶向平行于轧制方向。

当出现织构后，多晶体金属就不再变现为等向性而显示出各向异性。

这对材料的性能和加工工艺有很大的影响。

例如当用有织构的板材冲压杯状零件时，将会因板材各个方向变形能力的不公，使冲压出来的工件边缘不齐，壁厚不均，即产生所谓“制耳”现象，如图3。

但是某些情况下，织构的存在缺失有利的。

例如变压器铁心用的硅钢片，沿<100>方向最容易磁化，因此，当采用具有这种织构（（100）【001】）的硅钢片制作电机、电器时，将可以减少铁损，提高设备效率，减轻设备重量，并节约
钢材。

图3 因变形织构所造成的“制耳”
a) 无织构b)有织构
二．塑形变形对金属性能的影响
（一)加工硬化
金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。

又称冷作硬化。

产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。

加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。

加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。

如在冷轧钢板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，因而需在加工过程中安排中间退火，通过加热消除其加工硬化。

又如在切削加工中使工件表层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等。

但有利的一面是，它可提高金属的强度、硬度和耐磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金尤为重要。

如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，就是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限。

又如坦克和拖拉机的履带、破碎机的颚板以及铁路的道岔等也是利用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的，如Wc=0.3%的碳钢，变形度为20%时，抗拉强度（呵呵）由原来的500MPa升高到700MPa，当变形度为60%时，则（呵呵）提高到900MPa，如图4。

加工硬化现象在金属材料生产中有重要的实际意义，目前已广泛用来提高金属材料的强度。

例如自行车链条的链板，材料为Q345(16Mn)低合金钢，原来的硬度为150HBW，抗拉强度(呵呵）>=520MPa，经过五次轧制，使钢板厚度由3.5mm 压缩到 1.2(变形度为65%），这时硬度提高到275HBW，抗拉强度提高到接近1000MPa，这使链条的负荷能力提高了将近一倍。

对于用热处理方法不能强化的材料来说，用加工硬化方法提高其强度就显得更加重要。

如塑性很好而强度较低的铝、铜及某些不锈钢等，在生产上往往制成冷拔棒材或冷轧板材供应用户。

加工硬化也是某些工件或半成品能够加工成形的重要因素。

例如冷拔钢丝过模孔后，其断面尺寸必然减小，而每单位面积上所受应力却会增加，如果金属不是产生加工硬化并提高强度，那么钢丝在出模后就可能被拉断。

由于钢丝经塑性变形后产生了加工硬化，尽管钢丝断面缩减，但其强度显著增加，因此便不再继续变形，而使变形转移到尚未拉过模孔的部分。

这样，钢丝可以持续地、均匀地通过模孔而成形。

又如金属薄板在拉深过程中，弯角处变形最严重，首先产生加工硬化，因此该处变形到一定程度后，随后的变形就转移到其他部分，这样便可得到厚薄均匀的冲压件。

加工硬化还可提高零件或构建在使用过程的安全性。

任何最精确的设计和加工车来的零件，在使用过程中各个部位的受力也是不均匀的，往往会在某些部位出现应力集中和过载现象，是该处产生塑性变形。

如果金属材料没有加工硬化，
则该处的变形会越来越大，应力也会越来越高，最后导致零件的实现或断裂。

但正因为金属材料具有加工硬化这一性质，故着中偶尔会过载部位的变形会自行停止，应力集中也可以自行减弱，从而提高了零件的安全性。

但是加工硬化现象也给金属材料的生产和使用带来了不利的影响。

因为金属冷加工到一定程度以后，变形抗力就会增加，进一步的变形就必须加大设备功率，增加动力消耗。

另外，金属经加工硬化后，金属的塑性大卫降低，继续变形就会导致开裂。

为了消除这种硬化现象以便继续进行冷变形加工，中间需要进行再结晶退火处理。

（二）塑性变形对其他性能的影响
经塑性变形后，金属材料的物理性能和化学性能也将发生明显变化。

如使金属及合金的比电阻增加，导电性能和电阻温度系数下降，热导率也略微下降。

塑性变形还使刺刀率、磁饱和度下降，但磁滞和矫顽力增加。

塑性变形提高金属的内能，使其化学活性提高，服饰速度增快。

塑性变形提高金属的内能，使其化学活性提高，腐蚀速度增快。

塑性变形后由于金属中的晶体缺陷（位错及空间）增加，因而使扩散激活能减少，扩散速度增加。

三．影响金属塑形变形的主要因素
影响金属塑性变形的主要因素有两个方面，其一是变形金属本身的晶格类型，化学成份和组织状态等内在因素；其二是变形时的外部条件，如变形温度、变形速度和变形的力学状态等。

因此，只要有合适的内、外部条件，就有可能改变金属的塑性行为。

1.化学成份和组织对塑性变形的影响
化学成份和组织对塑性和变形抗力的影响非常明显也很复杂。

下面以钢为例来说明。

①化学成份的影响
在碳钢中，铁和碳是基本元素。

在合金钢中，除了铁和碳外还包含有硅、锰、铬、镍、钨等。

在各类钢中还含有些杂质，如磷、硫、氨、氢、氧等。

碳对钢的性能影响最大。

碳能固溶到铁里形成铁素体和奥氏体固溶体，它们都具有良好的塑性和低的变形抗力。

当碳的含量超过铁的溶碳能力，多余的碳便与铁形成具有
很高的硬度，而塑性几乎为零的渗碳体。

对基体的塑性变形起阻碍作用，降低塑性，抗力提高。

可见含碳量越高，碳钢的塑性成形性能就越差。

合金元素加入钢中，不仅改变了钢的使用性能，而且改变了钢的塑性成形性能，其主要的表现为：塑性降低，变形抗力提高。

这是由于合金元素溶入固溶体(α—Fe和γ－Fe)，使铁原子的晶体点阵发生不同程度的畸变；合金元素与钢中的碳形成硬而脆的碳化物(碳化铬、碳化钨等)；合金元素改变钢中相的组成，造成组织的多相性等，都造成钢的抗力提高，塑性降低。

杂质元素对钢的塑性变形一般都有不利的影响。

磷溶入铁素体后，使钢的强度、硬度显著增加，塑性、韧性明显降低。

在低温时，造成钢的冷脆性。

硫在钢中几乎不溶解，与铁形成塑性低的易溶共晶体FeS，热加工时出现热脆开裂现象。

钢中溶氢，会引起氢脆现象，使钢的塑性大大降低。

②组织的影响
钢在规定的化学成份内，由于组织的不同，塑性和变形抗力亦会有很大的差别。

单相组织比多相组织塑性好，抗力低。

多相组织由于各相性能不同，使得变形不均匀，同时基本相往往被另一相机械地分割，故塑性降低，变形抗力提高。

晶粒的细化有利提高金属的塑性，但同时也提高了变形抗力。

这是因为在一定的体积内细晶粒的数目比粗晶数目要多，塑性变形时有利于滑移的晶粒就较多，变形均匀地分散在更多的晶粒内，另外晶粒越细，晶界面越曲折，对微裂纹的传播越不利。

这些都有利于提高金属的塑性变形能力。

另一方面晶粒多，晶界也愈多，滑移变形时位错移动到晶界附近将会受到阻碍并堆积，若要位错穿过晶界则需要很大的外力，从而提高了塑性变形抗力。

另外钢的制造工艺，如冶炼、浇铸、锻轧、热处理等都影响着金属的塑性和变形抗力。

2.变形温度对塑性变形的影响。

变形温度对金属和合金的塑性有很大的影响。

就多数金属和合金而言，随着温度的升高，塑性增加，变形抗力降低。

这种情况，可以从以下几个方面进行解释。

①温度升高，发生回复和再结晶。

回复使金属的加工硬化得到一定程度的消除，再结晶能完全消除加工硬化。

从而使金属的塑性提高，变形抗力降低。

②温度升高，原子热运动加剧，动能增大，原子间结合力减弱，使临界剪应力降低，不同滑移系的临界剪应力降低速度不一样。

因此，在高温下可能出现
新的滑移系。

滑移系的增加，提高了变形金属的塑性。

③温度升高，原子的热振动加剧，晶格中原子处于不稳定状态。

此时，如晶体受到外力作用，原子就会沿应力场梯度方向，由一个平衡位置转移到另一个平衡位置，使金属产生塑性变形。

这种塑性变形的方式称为热塑性，也称扩散塑性。

④温度升高，晶界强度下降，使得晶界的滑移容易进行。

同时，由于高温下扩散作用加强，使晶界滑移产生的缺陷得到愈合。

由于金属和合金的种类繁多，上述一般的结论并不能概括各种材料的塑性和变形抗力随温度的变化情况。

可能在温升过程中的某些温度间，往往由于过剩相的析出或相变等原因，而使金属的塑性降低和变形抗力增加(也可能降低)。

3.变形速度对塑性变形的影响
所谓变形速度是指单位时间变形物体应变的变化量，塑性成形设备的加载速度在一定程度上反映了金属的变形速度，它对塑性有两个方面的影响。

①变形速度大时，要同时驱使更多的位错更快地运动，金属晶体的临界剪应力将提高，使变形抗力增大；当变形速度大时，塑性变形来不及在整个变形体内均匀地扩展，此时，金属的变形主要表现为弹性变形。

根据虎克定律，弹性变形量越大，则应力越大，变形抗力也就越大。

另外，变形速度增加后，变形体没有足够的时间进行回复和再结晶，而使金属的变形抗力增加，塑性降低。

②在高变形速度下，变形体吸收的变形能迅速地转化为热能(热效应)，使变形体温升高(温度效应)。

这种温度效应一般来说对塑性的增加是有利的。

常规的冲压设备工作速度都较低，对金属塑性变形的性能影响不大。

考虑变形速度因素，主要基于零件的尺寸和形状。

对大型复杂的零件成形，变形量大且极不均匀，易局部拉裂和起皱，为了便于塑性变形的扩展，有利于金属的流动，宜采用低速的压力机或液压机。

小型零件的冲压，一般不考虑变形的速度对塑性和变形抗力的影响，主要从生产效率来考虑。

4．应力状态的影响
挤压时为三向受压状态。

拉拔时为两向受压一向受拉的状态。

压应力的数量愈多，则其塑性愈好，变形抗力增大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。

四、冷变形强化在实际生产中的应用
（一）冷变形加工模具钢
1）高硬度和高强度，以保证在承受高应力时不容易产生微量塑性变形或破坏。

2）高的耐磨性能，在高的磨损条件下能保证模具的尺寸精度，这点对拉伸模和冷冲压模显得更加重要。

3）足够的韧性，以便在冲击载荷和动载荷下，不易发生工作韧的剥落或崩溃。

4）热处理变形要小，因大多数模具具有复杂的型腔和精确精度，热处理的变形很难用修磨加工来消除，此外有些冷变形模具还应有足够的耐热性能。

如何合理的选择冷变形模具的材料和恰当的热处理手段，以提高模具的使用寿命是生产中最为关心的问题，作为冷变形模具的正常失效应该是磨损、微量的塑性变形和疲劳失效。

但在实际生产中，除磨损失效外，而以崩韧折断、开裂等提前失效，屡见不鲜。

众所周知，影响冷变形模具的使用寿命是一个综合的因素；原材料选择的合理性、原材料内部的冶金质量、设计和制造工艺的合理性、使用条件和操作工人的技术水平等。

但其中模具材料的选用和相应的热处理工艺应是重要因素，本文将从选材和热处理工艺作简要说明，以起抛砖引玉的作用。

（二）、抗冲击冷变形加工模具钢
主要以CrW2Si系型和60Si2Mn钢，用于抗冲击模具和韧具（以剪刀、刀片为主）这类钢的特点是过剩碳化物少，组织结构均匀。

因含多元合金，固溶强化和回火后碳化物弥散强化较好，具有高强度、高韧性、高冲击疲劳抗力。

用于风动工具、冲剪工具和大中型冲镦模。

缺点是抗压能力低、热稳定性差、淬火变形难控制。

对于CrWzSi系钢，作剪刀时（如5CrW2Si）应尽量用高温加热淬火，以使马氏体形态有所变化，使强韧性有大提高，这点作者在实际工作中取得很好效果。

（三）、低淬透性冷变形模具钢
这类钢以碳素工具钢尤以高碳络钢GCr15和9Cr2Mo等为主：其中以GCr15轴承钢和9Cr2Mo来制作各种成型轧轮和制作冷轧辊为代表，GCr15钢具有良好的耐磨性，但淬透性差，淬火变形大，作为小型冷轧辊（φ≤200m/m）可采用整体加热或整体高温900—950℃快速加热，淬火冷却用盐水→油，控制工件在盐水中
的冷却时间而后经200—220℃回火，辊表面硬度控制在Rc60—62之间，能获得较高的使用寿命，如硬度Rc≥62以上易造成辊表面在轧制时产生表面剥落，用GCr15所制的各种成型轧轮可用碱浴等温淬火或用二硝、三硝溶液淬火，控制在溶液中的冷却时间，取出空冷或油冷能使轧轮获得表面高硬度变形小的效果。

随着加工工业的发展，材料改制工业大量的发展，相应的各种高速多辊轧用钢9Cr2Mo何德国轧辊钢86CrMoV7有必要在工业方法上要有新的突破，要在强韧化处理上作文章，在采用新的轧辊用钢也要有新的突破。

目前在高速轧机的工作辊何传动辊有采用D2(Cr12MOv；Cr12Movco)和5H12(5Cr5MovSi)等。

作者认为要根据接触挤压疲劳应力和摩擦磨损的观点去选用工作辊的材料，同抗断带来事故的能力去选用传动辊的材料。