加工硬化现象与碳含量关系的研究

金属材料在低于再结晶温度以下，进行冷挤压变形时，随着变形程度的增加，所有的强度指标（弹性极限、比例极限、蠕变强度及抗拉强度等）以及硬度不断地提高，塑性指标（伸长率、断面收缩率及冲击韧度等）相应地降低，这种现象称为加工硬化或形变硬化、冷作硬化。特征表现是：如要继续进行塑性变形，应力必须提高。

冷挤压就是利用“加工硬化”来强化金属的，这是冷挤压加工越来越得到广泛应用的原因之一。加工硬化与合金化、热处理一样，都是改变金属性质的重要方法，特别是对那些采用热处理方法无法使其强化的无相变的金属材料，加工硬化就成了唯一的强化手段。

1.影响加工硬化的因素

（1）基体元素的晶格类型 构成金属的基体元素不同，对冷挤压加工硬化敏感性有很大差别。图1-45所示为不同金属的应力与相对应变的关系。图1-45中曲线斜率可以表示金属形变硬化能力的大小。由该图可知，Ni的加工硬化敏感性最大，Al最小，Fe、Cu居中。

面心立方晶格金属的加工硬化能力比其他晶格金属大，而以密排六方晶格金属的形变硬化能力为最小。其原因在于：加工硬化是由于晶格结构规则性的破坏所引起的，塑性变形时，晶体点阵会发生畸变，畸变的晶体点阵表现有较大的变形阻力，而阻力大小又取决于畸变的程度。面心立方晶格金属具有较多的滑移系，塑性变形可同时在几个滑移系中进行，产生各种位错割阶，使位错继续移动的阻力增加；位错相交割后不能移动的位错还会造成位错塞积，这样就增加了晶格的畸变程度，因此加工硬化能力表现最大。

图1-45 几种金属的应力与相对应变关系

（2）固溶体合金化浓度 固溶体合金化在一定浓度范围内，随浓度增加，加工硬化也增加；当达到某一浓度以后，再增加合金浓度，加工硬化增加不大。图1-46所示为各种碳钢的应力与相对应变关系。从图1-45中曲线斜率可知，由Fe变成w（C）为0.1%的碳钢时，加工硬化能力提高很大；再进一步增加碳含量时，加工硬化虽有增加，但不明显。原因在于：固溶体合金化会发生点阵畸变。低浓度时，畸变程度随固溶体浓度的增加而增加，但由于点阵畸变有一定极限的畸变度存在，因此，当固溶体合金化浓度较大时，合金化已使点阵发生了较大的畸变，甚至接近了点阵畸变的极限程度，此时变形对畸变的进一步增加的作用就表现得很弱，也就是说对加工硬化的作用相对较小。

图1-46 各种碳钢的应力与相对应变关系

（3）变形速度 同一种金属加工硬化随变形速度的增加而增加，如图1-47所示。这是由于较大变形速度下的变形会同时沿着几个平面滑移，这样就使点阵的畸变程度增加了，从而使加工硬化也相应增加。(www.xing528.com)

必须指出，在不同变形温度下加工硬化的影响也不同。如在冷挤压变形情况下，其影响程度就显得不大，这是由于很高的变形速度会引起显著的温度效应，这样就降低了加工硬化程度。

（4）变形温度 变形温度升高，加工硬化总是减弱的。图1-48为各种不同温度下，纯铝的应力与应变的关系曲线。由该图可知，随变形温度的升高，纯铝的硬化能力逐渐减小，这是由于变形的加工硬化被加热软化所消除的缘故。

图1-47 变形速度对硬化强度的影响

图1-48 不同温度下纯铝的应力与应变曲线

2.加工硬化的位错解释

冷挤压加工时，金属的变形主要是以滑移方式进行的，而滑移又都是通过位错运动进行的。一切阻碍位错移动的因素都会使滑移阻力增加，从而使金属晶体的变形抗力增大。

在滑移过程中，移动着的位错受到某些结构缺陷，如晶界、亚晶界等的阻碍而停留在晶体内部。由于同号位错之间存在着斥力，紧跟这个被阻位错移动过来的一系列同号位错将因受到斥力而在它后面堆积起来。堆积下来的同号位错越来越多，它们受到的斥力越来越大，最后，不但这些位错线不能再继续前进，而且位错的增殖过程也要停止。这种现象称为位错塞积。

显然，无论是位错塞积还是位错割阶，均会引起变形抗力的增加，也就是说金属晶体在塑性变形过程中会发生加工硬化现象。