1、冷變形強(qiáng)化的機(jī)理及在生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 123000摘要隨著機(jī)械加工工業(yè)的開展,生產(chǎn)中依靠冷作模制造的零件越來越多,使用 的冷變形模具種類越來越多.冷體積模鍛冷鍛、冷擠壓、壓印等；板料沖壓如拉伸、落料、切邊、沖孔等；材料軋制冷軋、軋輪成型等.雖然冷變 形模具的種類繁多,工作條件不一,性能要求也有所不同,但根底工作情況相近： 即均在冷狀態(tài)下使金屬變形,工作時(shí)承受較大的剪切力、壓力、彎曲力、沖擊力 和摩擦力.關(guān)鍵字 冷變形 模鍛 軋制引言冷變形強(qiáng)化也稱冷作強(qiáng)化,如鐵板在經(jīng)過冷作加工后會明顯變硬,這是由于冷作 加工后組織緊密所致,但有些冷作加工后的材料要經(jīng)過低溫回火處

2、理,否那么強(qiáng)度要打折扣,8毫米以下的中、高碳鋼絲冷作加工后必須要低溫回火也稱定型處 理,不然的話他冷作加工后的內(nèi)應(yīng)力會使強(qiáng)度和屈服極限大大降低金屬在室溫 下的塑性變形,對金屬的組織和性能影響很大,常會出現(xiàn)加工硬化、內(nèi)應(yīng)力和各 向異性等現(xiàn)象.加工硬化是指塑性變形引起位錯(cuò)增殖,位錯(cuò)密度增加,不同方向 的位錯(cuò)發(fā)生交割,位錯(cuò)的運(yùn)動受到阻礙,使金屬產(chǎn)生加工硬化.加工硬化能提升 金屬的硬度、強(qiáng)度和變形抗力,同時(shí)降低塑性,使以后的冷態(tài)變形困難.內(nèi)應(yīng)力 即塑性變形在金屬體內(nèi)的分布是不均勻的, 所以外力去除后,各局部的彈性恢復(fù) 也不會完全一樣,這就使金屬體內(nèi)各局部之間產(chǎn)生相互平衡的內(nèi)應(yīng)力,即剩余應(yīng)力.剩余應(yīng)力降

3、低零件的尺寸穩(wěn)定性, 增大應(yīng)力腐蝕的傾向.各向異性是金屬經(jīng) 冷態(tài)塑性變形后,晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶或李晶帶.各晶粒還沿變形方向伸長和扭 曲.當(dāng)變形量很大如70%或更大而且是沿著一個(gè)方向時(shí),晶粒內(nèi)原子排列的位 向趨向一致,同時(shí)金屬內(nèi)部存在的夾雜物也被沿變形方向拉長形成纖維組織,使金屬產(chǎn)生各向異性.沿變形方向的強(qiáng)度、塑性和韌性都比橫向的高.當(dāng)金屬在熱 態(tài)下變形,由于發(fā)生了再結(jié)晶,晶粒的取向會不同程度地偏離變形方向, 但夾雜 物拉長形成的纖維方向不變,金屬仍有各向異性.一.塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響多晶體金屬塑性變形后,除晶粒內(nèi)出現(xiàn)滑移帶和李晶等特征外,還具有下述 組織結(jié)構(gòu)的變化.一顯微組織的變化金屬與合

4、金經(jīng)塑性變形后,其外形、尺寸的改變是內(nèi)部晶粒變形的總和. 原 來沒有變形的晶粒,經(jīng)加工變形后,晶粒形狀逐漸發(fā)生變化,隨著變形方式和變 形量的不同,晶粒形狀的變化一不以言,如在軋制時(shí),各晶粒沿邊形方向逐漸伸 長,變形量越大,晶粒伸長的程度也越大.當(dāng)變形量很大時(shí),晶粒呈現(xiàn)出一片如 顯微狀的條紋,稱為纖維組織如圖1.纖維的分布方向,即金屬變形時(shí)的伸 展方向.當(dāng)金屬中有雜質(zhì)存在時(shí),雜質(zhì)也沿變形方向拉長為細(xì)帶狀塑性雜質(zhì) 或粉碎成鏈狀脆性雜質(zhì),著時(shí)光學(xué)顯微鏡已經(jīng)分辨不清晶粒和雜質(zhì).二亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化實(shí)際晶體的每一個(gè)晶粒內(nèi)存在著許多尺寸很小、位相差也很小的亞結(jié)構(gòu),塑 性變形前,鑄態(tài)金屬的亞結(jié)構(gòu)直徑為 10-2c

5、m,冷塑性變形后,亞結(jié)構(gòu)直徑細(xì)化至10-410-6cm.形變亞結(jié)構(gòu)的邊界是品格畸變區(qū),堆積有大量的位錯(cuò),而亞結(jié)構(gòu)內(nèi)部的品格那么相對地比擬完整,著種亞結(jié)構(gòu)常稱為保險(xiǎn)裝亞結(jié)構(gòu)或形變胞.胞塊間的夾角不 會超過20.,胞壁的厚度約為胞塊直徑的1/5.位錯(cuò)主要集中在胞壁中,保內(nèi)僅 有系數(shù)的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò).變形量越大,那么寶快的數(shù)量越多,尺寸減小,胞塊間的取向差也在逐漸增大,且其形狀隨著晶粒形狀的改變而變化, 均沿著變形方向逐漸拉 長.形變亞結(jié)構(gòu)是在塑性變形過程中形成的. 在切應(yīng)力的作用下位錯(cuò)源所產(chǎn)生的 大量位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動時(shí),將遇到各種阻礙位錯(cuò)運(yùn)動的障礙物, 如境界、第二相 顆粒及割階等,造成位錯(cuò)纏結(jié).這樣,

6、金屬中便出現(xiàn)了有高密度的纏結(jié)位錯(cuò)分隔 開來的位錯(cuò)密度較低的區(qū)域,形成形變亞結(jié)構(gòu).三形變織構(gòu)與單晶體一樣,多晶體在徐行變形時(shí)也伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動過程,故當(dāng)變形量 很大時(shí),多晶體中原為任意取向的各個(gè)晶粒會逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致, 這一現(xiàn)象稱為晶粒的那么尤取向,這種由于金屬塑性變形使晶粒具有那么有取向的組 織叫做形變織構(gòu).同一種材料隨加工方式的不同,可能出現(xiàn)不同類型的織構(gòu)：1絲織構(gòu) 在拉拔時(shí)形成,其特征是各晶粒的某一鏡像與拉拔方向平行 或接近平行.2板織構(gòu) 在軋制時(shí)形成,具特征是各晶粒的某一個(gè)晶面平行于軋制平 面,而某一品向平行于軋制方向.當(dāng)出現(xiàn)織構(gòu)后,多晶體金屬就不再變現(xiàn)為等向性而顯示出各向異

7、性.這對材料的性能和加工工藝有很大的影響. 例如當(dāng)用有織構(gòu)的板材沖壓杯狀零件時(shí), 將 會因板材各個(gè)方向變形水平的不公, 使沖壓出來的工件邊緣不齊,壁厚不均,即 產(chǎn)生所謂“制耳現(xiàn)象,如圖3.但是某些情況下,織構(gòu)的存在缺失有利的.例如變壓器鐵心用的硅鋼片,沿 <100>方向最容易磁化,因此,當(dāng)采用具有這種織構(gòu)100 【001的硅鋼 片制作電機(jī)、電器時(shí),將可以減少鐵損,提升設(shè)備效率,減輕設(shè)備重量,并節(jié)約鋼材.圖3因變形織構(gòu)所造成的“制耳a無織構(gòu)b有織構(gòu)二.塑形變形對金屬性能的影響一加工硬化金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時(shí)強(qiáng)度和硬度升高,而塑性和 韌性降低的現(xiàn)象.又稱冷作硬化.產(chǎn)生原因是

8、,金屬在塑性變形時(shí),晶粒 發(fā)生滑移,出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié),使晶粒拉長、破碎和纖維化,金屬內(nèi)部產(chǎn)生 了剩余應(yīng)力等.加工硬化的程度通常用加工后與加工前外表層顯微硬度的 比值和硬化層深度來表示.加工硬化給金屬件的進(jìn)一步加工帶來困難.如在冷軋鋼板的過程中會愈軋愈硬以致軋不動,因而需在加工過程中安排中 間退火,通過加熱消除其加工硬化.又如在切削加工中使工件表層脆而硬, 從而加速刀具磨損、增大切削力等.但有利的一面是,它可提升金屬的強(qiáng) 度、硬度和耐磨性,特別是對于那些不能以熱處理方法提升強(qiáng)度的純金屬 和某些合金尤為重要.如冷拉高強(qiáng)度鋼絲和冷卷彈簧等,就是利用冷加工 變形來提升其強(qiáng)度和彈性極限.又如坦克和拖拉機(jī)的

9、履帶、破碎機(jī)的顆板 以及鐵路的道岔等也是利用加工硬化來提升其硬度和耐磨性的,如Wc=0.3%的碳鋼,變形度為 20%時(shí),抗拉強(qiáng)度呵呵由原來的 500MPa升高到700MPa,當(dāng)變形度為 60% 時(shí)那么呵呵 提升到 900MPa如圖 4F.<1001L 1 -, 5040302010oL qi2040 敏變形度MH二睡盤So O 7 5一二三變形度口6 bl加工硬化現(xiàn)象在金屬材料生產(chǎn)中有重要的實(shí)際意義,目前已廣泛用來提升金屬材料的強(qiáng)度.例如自行車鏈條的鏈板,材料為Q34516Mn低合金鋼,原來的硬度為150HBVV抗拉強(qiáng)度呵呵=520MPa經(jīng)過五次軋制,使鋼板厚度由3.5mm 壓縮到1.2

10、變形度為65%,這時(shí)硬度提升到 275HBVV抗拉強(qiáng)度提升到接近 1000MPa這使鏈條的負(fù)荷水平提升了將近一倍.對于用熱處理方法不能強(qiáng)化的 材料來說,用加工硬化方法提升其強(qiáng)度就顯得更加重要.如塑性很好而強(qiáng)度較低的鋁、銅及某些不銹鋼等,在生產(chǎn)上往往制成冷拔棒材或冷軋板材供給用戶.加工硬化也是某些工件或半成品能夠加工成形的重要因素.例如冷拔鋼絲過模孔后,具斷面尺寸必然減小,而每單位面積上所受應(yīng)力卻會增加,如果金屬不是產(chǎn)生加工硬化并提升強(qiáng)度,那么鋼絲在出模后就可能被拉斷.由于鋼絲經(jīng)塑 性變形后產(chǎn)生了加工硬化,盡管鋼絲斷面縮減,但其強(qiáng)度顯著增加,因此便不再 繼續(xù)變形,而使變形轉(zhuǎn)移到尚未拉過模孔的局部

11、.這樣,鋼絲可以持續(xù)地、均勻 地通過模孔而成形.又如金屬薄板在拉深過程中,彎角處變形最嚴(yán)重,首先產(chǎn)生 加工硬化,因此該處變形到一定程度后,隨后的變形就轉(zhuǎn)移到其他局部,這樣便 可得到厚薄均勻的沖壓件.加工硬化還可提升零件或構(gòu)建在使用過程的平安性.任何最精確的設(shè)計(jì)和加 工車來的零件, 在使用過程中各個(gè)部位的受力也是不均勻的,往往會在某些部 位出現(xiàn)應(yīng)力集中和過載現(xiàn)象,是該處產(chǎn)生塑性變形.如果金屬材料沒有加工硬化, 那么該處的變形會越來越大,應(yīng)力也會越來越高,最后導(dǎo)致零件的實(shí)現(xiàn)或斷裂.但 正由于金屬材料具有加工硬化這一性質(zhì),故著中偶爾會過載部位的變形會自行停 止,應(yīng)力集中也可以自行減弱,從而提升了零件

12、的平安性.但是加工硬化現(xiàn)象也給金屬材料的生產(chǎn)和使用帶來了不利的影響.由于金屬冷加工到一定程度以后,變形抗力就會增加,進(jìn)一步的變形就必須加大設(shè)備功率, 增加動力消耗.另外,金屬經(jīng)加工硬化后,金屬的塑性大衛(wèi)降低,繼續(xù)變形就會 導(dǎo)致開裂.為了消除這種硬化現(xiàn)象以便繼續(xù)進(jìn)行冷變形加工,中間需要進(jìn)行再結(jié)晶退火處理.二塑性變形對其他性能的影響經(jīng)塑性變形后,金屬材料的物理性能和化學(xué)性能也將發(fā)生明顯變化.如使金 屬及合金的比電阻增加,導(dǎo)電性能和電阻溫度系數(shù)下降, 熱導(dǎo)率也略微下降.塑 性變形還使刺刀率、磁飽和度下降,但磁滯和矯頑力增加.塑性變形提升金屬的 內(nèi)能,使其化學(xué)活性提升,服飾速度增快.塑性變形提升金屬的

13、內(nèi)能,使其化學(xué) 活性提升,腐蝕速度增快.塑性變形后由于金屬中的晶體缺陷位錯(cuò)及空間增 加,因而使擴(kuò)散激活能減少,擴(kuò)散速度增加.三.影響金屬塑形變形的主要因素影響金屬塑性變形的主要因素有兩個(gè)方面,其一是變形金屬本身的品格類 型,化學(xué)成份和組織狀態(tài)等內(nèi)在因素；其二是變形時(shí)的外部條件,如變形溫度、 變形速度和變形的力學(xué)狀態(tài)等.因此,只要有適宜的內(nèi)、外部條件,就有可能改 變金屬的塑性行為.1 .化學(xué)成份和組織對塑性變形的影響化學(xué)成份和組織對塑性和變形抗力的影響非常明顯也很復(fù)雜.下面以鋼為例來說明.化學(xué)成份的影響在碳鋼中,鐵和碳是根本元素.在合金鋼中,除了鐵和碳外還包含有硅、鈕、 銘、鍥、鴇等.在各類鋼中

14、還含有些雜質(zhì),如磷、硫、氨、氫、氧等.碳對鋼的 性能影響最大.碳能固溶到鐵里形成鐵素體和奧氏體固溶體,它們都具有良好的 塑性和低的變形抗力.當(dāng)碳的含量超過鐵的溶碳水平,多余的碳便與鐵形成具有很高的硬度,而塑性幾乎為零的滲碳體.對基體的塑性變形起阻礙作用,降低塑 性,抗力提升.可見含碳量越高,碳鋼的塑性成形性能就越差.合金元素參加鋼 中,不僅改變了鋼的使用性能,而且改變了鋼的塑性成形性能,其主要的表現(xiàn)為： 塑性降低,變形抗力提升.這是由于合金元素溶入固溶體 a Fe和丫 Fe, 使鐵原子的晶體點(diǎn)陣發(fā)生不同程度的畸變； 合金元素與鋼中的碳形成硬而脆的碳 化物碳化銘、碳化鴇等；合金元素改變鋼中相的組

15、成,造成組織的多相性等, 都造成鋼的抗力提升,塑性降低.雜質(zhì)元素對鋼的塑性變形一般都有不利的影響. 磷溶入鐵素體后,使鋼的強(qiáng)度、硬度顯著增加,塑性、韌性明顯降低.在低溫時(shí), 造成鋼的冷脆性.硫在鋼中幾乎不溶解,與鐵形成塑性低的易溶共晶體FeS,熱加工時(shí)出現(xiàn)熱脆開裂現(xiàn)象.鋼中溶氫,會引起氫脆現(xiàn)象,使鋼的塑性大大降低.組織的影響鋼在規(guī)定的化學(xué)成份內(nèi),由于組織的不同,塑性和變形抗力亦會有很大的差 別.單相組織比多相組織塑性好,抗力低.多相組織由于各相性能不同,使得變 形不均勻,同時(shí)根本相往往被另一相機(jī)械地分割,故塑性降低,變形抗力提升. 晶粒的細(xì)化有利提升金屬的塑性,但同時(shí)也提升了變形抗力.這是由于

16、在一定的 體積內(nèi)細(xì)晶粒的數(shù)目比粗晶數(shù)目要多, 塑性變形時(shí)有利于滑移的晶粒就較多, 變 形均勻地分散在更多的晶粒內(nèi),另外晶粒越細(xì),晶界面越曲折,對微裂紋的傳播 越不利.這些都有利于提升金屬的塑性變形水平. 另一方面晶粒多,晶界也愈多, 滑移變形時(shí)位錯(cuò)移動到晶界附近將會受到阻礙并堆積,假設(shè)要位錯(cuò)穿過晶界那么需要 很大的外力,從而提升了塑性變形抗力.另外鋼的制造工藝,如冶煉、澆鑄、鍛 軋、熱處理等都影響著金屬的塑性和變形抗力.2 .變形溫度對塑性變形的影響.變形溫度對金屬和合金的塑性有很大的影響.就多數(shù)金屬和合金而言,隨著 溫度的升高,塑性增加,變形抗力降低.這種情況,可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行解 釋.

17、溫度升高,發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶.回復(fù)使金屬的加工硬化得到一定程度的 消除,再結(jié)晶能完全消除加工硬化.從而使金屬的塑性提升,變形抗力降低.溫度升高,原子熱運(yùn)動加劇,動能增大,原子間結(jié)合力減弱,使臨界剪 應(yīng)力降低,不同滑移系的臨界剪應(yīng)力降低速度不一樣.因此,在高溫下可能出現(xiàn) 新的滑移系.滑移系的增加,提升了變形金屬的塑性.溫度升高,原子的熱振動加劇,晶格中原子處于不穩(wěn)定狀態(tài).此時(shí),如 晶體受到外力作用,原子就會沿應(yīng)力場梯度方向,由一個(gè)平衡位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè) 平衡位置,使金屬產(chǎn)生塑性變形.這種塑性變形的方式稱為熱塑性, 也稱擴(kuò)散塑 性. 溫度升高,晶界強(qiáng)度下降,使得晶界的滑移容易進(jìn)行.同時(shí),由于高溫 下擴(kuò)

18、散作用增強(qiáng),使晶界滑移產(chǎn)生的缺陷得到愈合.由于金屬和合金的種類繁多, 上述一般的結(jié)論并不能概括各種材料的塑性和變形抗力隨溫度的變化情況.可能在溫升過程中的某些溫度間,往往由于過剩相的析出或相變等原因, 而使金屬的 塑性降低和變形抗力增加也可能降低.3 .變形速度對塑性變形的影響所謂變形速度是指單位時(shí)間變形物體應(yīng)變的變化量,塑性成形設(shè)備的加載速 度在一定程度上反映了金屬的變形速度,它對塑性有兩個(gè)方面的影響. 變形速度大時(shí),要同時(shí)驅(qū)使更多的位錯(cuò)更快地運(yùn)動, 金屬晶體的臨界剪應(yīng) 力將提升,使變形抗力增大；當(dāng)變形速度大時(shí),塑性變形來不及在整個(gè)變形體內(nèi) 均勻地?cái)U(kuò)展,此時(shí),金屬的變形主要表現(xiàn)為彈性變形.根

19、據(jù)虎克定律,彈性變形 量越大,那么應(yīng)力越大,變形抗力也就越大.另外,變形速度增加后,變形體沒有 足夠的時(shí)間進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶,而使金屬的變形抗力增加,塑性降低.在高變形速度下,變形體吸收的變形能迅速地轉(zhuǎn)化為熱能 熱效應(yīng),使 變形體溫升高溫度效應(yīng).這種溫度效應(yīng)一般來說對塑性的增加是有利的. 常規(guī) 的沖壓設(shè)備工作速度都較低,對金屬塑性變形的性能影響不大.考慮變形速度因 素,主要基于零件的尺寸和形狀.對大型復(fù)雜的零件成形,變形量大且極不均勻, 易局部拉裂和起皺,為了便于塑性變形的擴(kuò)展,有利于金屬的流動,宜采用低速 的壓力機(jī)或液壓機(jī).小型零件的沖壓,一般不考慮變形的速度對塑性和變形抗力 的影響,主要從生

20、產(chǎn)效率來考慮.4 .應(yīng)力狀態(tài)的影響擠壓時(shí)為三向受壓狀態(tài).拉拔時(shí)為兩向受壓一向受拉的狀態(tài).壓應(yīng)力的數(shù)量愈多,那么其塑性愈好,變形抗力增大；拉應(yīng)力的數(shù)量愈多,那么其塑性愈差. 四、冷變形強(qiáng)化在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用一冷變形加工模具鋼1高硬度和高強(qiáng)度,以保證在承受高應(yīng)力時(shí)不容易產(chǎn)生微量塑性變形或破 壞.2 高的耐磨性能,在高的磨損條件下能保證模具的尺寸精度,這點(diǎn)對拉伸 模和冷沖壓模顯得更加重要.3 足夠的韌性,以便在沖擊載荷和動載荷下,不易發(fā)生工作韌的剝落或崩 潰.4 熱處理變形要小,因大多數(shù)模具具有復(fù)雜的型腔和精確精度,熱處理的 變形很難用修磨加工來消除,此外有些冷變形模具還應(yīng)有足夠的耐熱性能.如何 合

21、理的選擇冷變形模具的材料和恰當(dāng)?shù)臒崽幚硎侄?以提升模具的使用壽命是生產(chǎn)中最為關(guān)心的問題,作為冷變形模具的正常失效應(yīng)該是磨損、 微量的塑性變形 和疲勞失效.但在實(shí)際生產(chǎn)中,除磨損失效外,而以崩韌折斷、開裂等提前失效, 屢見不鮮.眾所周知,影響冷變形模具的使用壽命是一個(gè)綜合的因素；原材料選擇的合理性、原材料內(nèi)部的冶金質(zhì)量、設(shè)計(jì)和制造工藝的合理性、使用條件和操 作工人的技術(shù)水平等.但其中模具材料的選用和相應(yīng)的熱處理工藝應(yīng)是重要因 素,本文將從選材和熱處理工藝作簡要說明,以起拋磚引玉的作用.二、抗沖擊冷變形加工模具鋼主要以CrW2Si系型和60Si2Mn鋼,用于抗沖擊模具和韌具以剪刀、刀片 為主這類鋼的特點(diǎn)是過剩碳化物少,組