1.3 化学成分和组织状态对冷挤压变形的影响
化学成分对冷挤压变形的影响，一般是通过形成不同的组织状态来体现的。即使是同一种化学成分的材料，当组织状态不同时，对冷挤压变形的影响也可能有较大的差异。因此，研究化学成分对冷挤压变形的影响，应将化学成分与组织状态联系起来考虑。为了分析问题方便起见，分别研究一下钢和有色金属中单个元素的性质及其对冷挤压变形的影响。
1.3.1 化学成分对冷挤压变形的影响
1.钢中化学成分的影响
（1）碳 随着碳含量的增加，钢在室温状态的组织由铁素体+珠光体变为珠光体+渗碳体，它的屈服强度、抗拉强度及硬度均有升高，变形抗力增加，而塑性下降。
（2）锰 锰在钢中的作用是消除硫的危害性。钢中的锰与硫化合生成硫化锰以消除硫化铁的热脆现象。由于锰的存在，钢材的屈服强度与抗拉强度有所提高，而塑性有所降低。锰含量对钢材抗拉强度的影响如图1-31所示。钢材中的锰含量越高，冷挤压所需的挤压力越大。
（3）硅 对碳钢来说，硅与锰同样是冶炼时脱氧剂的残留物。硅含量对钢材抗拉强度的影响，见图1-31。硅含量过大，会使碳含量很低的钢材也变得又硬又脆，使冷挤压性能降低。
（4）其他合金元素 钼、镍、钒、钨、铬等合金元素对钢材力学性能的影响，见图1-31。这些合金元素对金属力学性能的影响远不及碳元素。一般来讲，随着钢中合金元素含量的增加，强度指标随之增加，钢材的可挤压性能便随之降低。
（5）硫 硫含量对钢的室温强度虽无重大影响，但硫化物的存在会在很大程度上影响钢材的组织结构，促使带状组织的产生而降低塑性与冷变形性能。一般冷挤压钢材的硫含量w（S）应小于0.035%。
（6）磷 磷溶于铁素体内会显著降低钢材的塑性，提高其强度和硬度，即产生冷脆现象。当磷含量w（P）超过0.1%时，影响尤为显著。此外，碳含量越高，则磷的不利影响也越大。磷还能促使钢材产生强烈的加工硬化，并促使时效敏感性的发生，还会引起剧烈的偏析现象。因此，冷挤压所用钢材的磷含量应当越少越好，一般认为磷含量w（P）最好低于0.035%。
图1-31 合金元素含量对钢材抗拉强度的影响
（7）氧、氮、氢 这些都是钢中常见的气体元素。氧在钢中固溶很少，主要是以FeO、Al2O3和SiO2等夹杂的形式存在，这些夹杂以杂乱、零散的点状分布于晶界上。氧在钢中不论形成固溶体还是夹杂物，都使钢的塑性降低，而以夹杂物形式存在时尤为严重。氮在钢中除了少量固溶外，皆以氮化物形式存在，其使钢变脆，还会使钢强度增加，塑性降低。因此，氮含量应尽可能低，一般希望w（N）不超过0.01%。少量氢对钢的塑性没有明显的影响。
（8）锡、铋、铅、锑、砷 这五种低熔点元素在钢中的溶解度都是很小的。在钢中没有溶解而剩余的这些元素分布于晶界上，影响极坏。
（9）稀土元素 钢中加入少量稀土元素可以改善钢的塑性。这是由于加入稀土元素可以降低钢中气体元素含量，从而减轻氧、氮等气体元素对塑性的不利影响。加入稀土元素可以细化晶粒，但是，加入量较多时，多余的稀土元素也会聚集在晶界处和其他杂质一样起着坏的作用。
2.有色金属的冷挤压特性
（1）铝 铝是具有面心立方晶格的金属。在室温下进行塑性变形时，它沿着晶格中原子排列最密的晶面和晶向优先发生滑移，即沿着晶格中的八面体面和对角线方向发生滑移。图1-32a所示为面心立方晶格中的八面体面。对于一个晶胞来说，这种面共有八个，但因分别为四对互相平行的面，所以实际上只算四个。图1-32b所示为八面体的一个面，面上沿着原子排列最密的方向有六个。但因同一直线上两个相反的方向，实际上只能算一个。因此，一个八面体的面只有三个滑移方向。滑移面数目与滑移方向数目的乘积称为滑移系数目。一种金属的滑移系数目越多，表示金属塑性变形越好，越容易发生滑移。对于面心立方晶格的铝来说，滑移系应为4×3个=12个，与密排六方晶格的镁相比，镁的滑移系只有1×3个=3个。由此可见，铝具有很高的塑性。
图1-32 铝的面心立方晶格
a）八面体面 b）滑移方向
纯铝并不是绝对纯的，工业上使用的纯铝，常含有Fe、Si等杂质。Fe溶解在Al中的量很少，室温中，仅溶入0.002%（质量分数），杂质Fe主要和Al形成了金属化合物FeAl3，它是硬脆的针状化合物；Si溶解在Al中的量比Fe要多一些，室温中可溶入0.05%（质量分数），多余的Si则单独存在于Al中，通常称为“自由硅”。此外，Al中同时存在杂质Fe和Si时，Fe、Si和Al还会形成更复杂的化合物，这些性脆的化合物对纯铝的塑性和变形抗力皆有较大的影响。因此，工业上用的纯铝对于Fe、Si等杂质的含量，都应受到严格的控制。冷挤压用的纯铝含Fe、Si杂质总和一般应限制在0.6%（质量分数）以下。
（2）镁 镁是具有密排六方晶格的金属，如图1-33a所示。镁塑性变形时的主要滑移面及滑移方向如图1-33b所示。原子排列最密的晶面是基面｛0001｝，滑移方向OA、OC、OE三个方向。在室温下变形只有基面产生滑移，其滑移系数目为1×3个=3个，与Al相比，镁的塑性是很低的。因此，冷挤压镁和镁合金皆是比较困难的，但当温度升高到超过200°C以后，塑性便得到了较大的提高。Mg中常见的杂质有：Al、Fe、Si、Na、K、Cu和Ni等元素。Al作为夹杂物进入固溶体，对Mg的组织和性能无显著影响。Fe、Na和K不溶于固态的Mg中，而呈夹杂物的形式分布于晶界上，Si和Mg形成脆性化合物Mg2Si，呈薄网状或针状分布于晶界上，皆对Mg的塑性有显著影响。Cu和Ni同样不溶于固态的Mg中，而和Mg形成化合物，分布在Mg的晶界上，对Mg的塑性影响不大，但却显著降低抗腐蚀能力。因此，Mg中应限制这些杂质的含量。
图1-33 镁的密排六方晶格
a）密排六方晶格 b）滑移面及滑移方向
ABCDEF｛0001｝—基面
（3）铜 铜是具有面心立方晶格的金属，无同素异型转变，因此与Al一样具有较高的塑性，适合于进行冷挤压加工。Cu中存在的杂质对其塑性成形工艺性能影响较大。根据杂质和Cu之间相互作用的性质，可将其大致上分为三类：①能够溶解于铜中的元素，如Al、Fe、Ni、Sn、Zn等，当其含量较少时，对Cu的塑性影响不大，但却提高了变形抗力；②不溶于铜中杂质，如Pb、Bi等，与Cu生成易溶共晶体分布于Cu的晶粒边界上，降低塑性，因此，应限制w（Pb）不超过0.003%～0.005%，w（Bi）不超过0.002%～0.005%；③与Cu生成脆性化合物的元素，如S、O等，皆以共晶体形式分布于Cu的晶粒晶界上，尽管共晶体的熔化温度并不低，但由于其中所含的化合物很脆，对铜的性能有一定影响。
图1-34 钛在室温下的滑移面
（4）钛 钛是具有密排六方晶格的金属，但与具有密排六方晶格的Mg、Zn相比，Ti的滑移系数目较多，如图1-34所示。Ti在室温下可能的滑移面，除了密排六方晶格的基面参加滑移之外，A面和B面也是可能的滑移面。原因在于：Ti与Mg的点阵常数之比c/a不同，理想的密排六方晶格的c/a=1.633，而Mg的c/a则大于1.633，此时只有密排六方晶格的基面才是唯一的原子排列最密的面，也就是说只有一个滑移面。Ti的c/a=1.587，比理想的c/a小2.9%。这说明基面之间的距离缩小了，此时只能由基面上的原子之间的距离加大才有可能达到。基面上的原子密度减小了，而图1-34所示的A、B面上的原子密度则增大，这样，Ti中密排六方晶格的基面，便不是唯一的滑移面，而A、B面也成为可能的滑移面，因此，Ti的塑性较高。但纯钛的强度低，限制了它在工业上的应用。为了使Ti强化，扩大其使用范围，可在Ti中加入各种合金元素，从而得到各种性质的钛合金。工业纯钛中，含有微量C、Si、Fe、Al、N、Mn等杂质，这些杂质的存在，对Ti的力学性能有一定的影响。C、N、O元素对Ti的力学性能影响尤为显著，因为这三者都与Ti形成间隙固溶体，使原子点阵发生严重歪扭，使Ti的硬度、变形抗力增大，塑性下降。
1.3.2 组织状态对冷挤压变形的影响
1.晶格类型的影响
面心立方晶格金属（如Al、Cu、Ni等）的塑性最好，体心立方晶格金属（如V、W、Mo等）的塑性次之，密排六方晶格金属（如Mg、Zn、Cd等）的塑性最差。这是由于密排六方晶格的滑移系较少，只有3个，而面心立方晶格及体心立方晶格的滑移系共有12个。不过又由于面心立方晶格在同一滑移面上的滑移方向有3个，而体心立方晶格只有2个。因此，面心立方晶格的塑性比体心立方晶格的塑性更好一些。当然，金属塑性的好坏，不只与基体金属的滑移系多少有关，还与其他很多因素有关。
2.晶粒大小的影响
晶粒越小塑性越高，变形抗力越大。这是由于晶粒越小，在一定体积内的晶粒数目越多，则在同样的变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，每个晶粒内的变形比较均匀，而不致产生过分应力集中的现象，因此，小晶粒塑性高。晶粒越小，晶界相对较多，因为晶界强度高于晶内，所以小晶粒的变形抗力也较大。晶粒大小的均匀程度对塑性也有影响，晶粒大小相差悬殊的多晶体，塑性较差。这是由于大小晶粒变形的难易程度不同，造成变形和应力分布很不均匀，势必使塑性降低。
3.固溶体性质的影响
加入合金元素以单相固溶体形式存在时，金属的塑性较高；有过剩相存在时，一般说来塑性较低。
固溶体中合金元素的含量越高，则变形抗力也越高。这是由于无论是间隙固溶体，还是置换固溶体，加入合金元素都会引起晶格歪扭，加入的量越多，引起晶格的歪扭程度越严重，变形抗力也就越大。
4.第二相性质的影响
当合金以多相混合物构成时，除了基体金属对冷挤压变形有很大影响以外，第二相的性质、形状、大小、数量和分布情况，对冷挤压变形的影响也很大。
1）当第二相为低熔点物质且位于晶界处时，金属的塑性较低；当第二相虽是低熔点物质，但以存在于晶内为主时，仍可以获得较好的塑性。
2）当第二相为硬脆的化合物（碳化物、氮化物及金属间化合物），且这些化合物在晶界上形成网状分布时，由于塑性相的晶粒被脆性相分割包围，从而使其变形能力无从发挥，晶界区域的应力集中也难以松弛，合金的塑性将大大下降，经很小量变形就会在脆性相的网络处产生断裂。此时，脆性相的数量越多，合金的塑性就越差。
3）当第二相为硬脆的化合物且晶内呈片状分布时，由于这种分布对基体金属的塑性比呈网状分布要好一些，而且随着细化程度增加，可使基体金属的强度增大，塑性也比粗片状分布相对地好一些。
4）当第二相呈细质点弥散分布时，基体金属的塑性下降得最小。此时由于位错或其他缺陷的运动受到更大的阻碍，则可能显著提高合金的强度，即提高变形抗力。