冷挤压实用技术（第2版）
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1.7 冷挤压对金属组织和力学性能的影响

金属毛坯经过冷挤压成形加工之后，对其组织和力学性能均会有一定的影响。

1.7.1 对金属组织的影响

冷挤压对金属组织有一定的影响。从钢的冷挤压来看，变形后的组织结构大致会发生如下一些变化。

1.显微组织的变化

冷挤压时，在强烈的三向压应力作用下，金属晶粒被破碎，原来晶粒较大的金属，冷挤压变为晶粒较小的金属。

挤压时，金属晶粒的形状也发生了改变，使原来近于球形的晶粒由于变形而被拉长，如图1-61所示。冷挤压的变形程度越大，晶粒形状的改变也越大。被拉长的晶粒相对地增加了晶粒边界的表面积，即相对地增加了难变形区。难变形区越大，变形抗力的提高也越大。这是冷挤压加工可以强化金属的原因之一。

冷挤压变形时，晶粒的方位也有了改变。变形前为取向无序的晶粒（见图1-62a），随着变形的发展而变成在位向上的有序状态图（见图1-62b）。当冷挤压的变形量很大时，各晶粒的取向会大致趋向一致。这种由于变形而使晶粒具有择优取向的组织，称为“变形织构”。

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图1-61 晶粒形状改变

a）变形前 b）变形后

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图1-62 冷挤压变形前后晶粒方位的改变

a）变形前 b）变形后

冷挤压件的变形织构形成会产生以下影响：

1）随着晶粒位向进入有序状态，使金属材料的变形抗力有所提高。

2）晶粒有序位向的形成会引起金属材料的力学性能各向异性。

在冷挤压变形的金属中，存在削弱金属强度的夹杂物。由于冷挤压加工是属于二压一拉的主应变状态，因此，夹杂物顺着拉伸的方向被拉长，这就造成了所谓纤维组织。随着变形程度的增加，纤维组织越细越长，它在降低金属强度方面的作用就越小，从而使零件的强度相应提高。

2.产生内应力

经冷挤压成形加工的零件，放置一段时间后，可能会自动发生变形，这是由于零件内部存在着内应力而造成的。此处讲的内应力就是前述的残余应力，因此，与三种残余应力相对应，内应力也有三种类型。

（1）宏观内应力 宏观内应力是由被挤毛坯各部分之间的变形不均匀而引起的。

（2）微观内应力 微观内应力是由于各晶粒取向不一致，产生了不均匀变形而引起的。

（3）晶格畸变 晶格畸变是由于冷挤压变形使原子在晶格中偏离其平衡位置而引起的。

为了避免零件变形，可采用去应力退火工艺。

3.亚结构细化

在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差也很小的晶块，它们相互嵌镶而成晶粒，这些小晶块称为亚结构。铸态金属中亚结构尺寸较大，其边长为10-2cm，经过冷挤压等冷塑性变形以后，亚结构将细化为10-6～10-4cm。亚结构的边界是晶格畸变区，堆积有大量的位错。因此，亚结构细化可以强化金属材料。

1.7.2 对力学性能的影响

1.力学性能出现方向性

冷挤压时，金属朝着一定方向流动。因此，冷挤压后，挤压件的力学性能出现了方向性，与流线方向相垂直和平行的方向上的强度是不同的，如图1-63所示。

2.硬度分布不一致

冷挤压时，因各部分的变形程度不同，使其各部分的硬化程度有较大的差异，这些差异可以用各处的硬度分布来表示。图1-64所示为45钢正挤压与镦挤压成形后的硬度分布。由该图可知，除了强烈的镦挤压部分以外，其余部分的表层比心部的加工硬化程度都要大。

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图1-63 力学性能与流线方向的关系

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图1-64 45钢正挤压与镦挤压成形后的硬度分布

a）正挤压成形 b）镦挤压成形

3.力学性能的变化

1）正挤压杆形件由于塑性变形伴随着金属强化，材料的抗拉强度、屈服强度以及硬度都随变形程度增加而提高。图1-65和图1-66分别表示出了变形程度与抗拉强度和硬度的关系。

由图1-65可知，Rm与εF呈线性关系，因此可用下式表示

Rm=（400+4εF）K （1-14）

式中的K为材料系数，可由表1-2查得。

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图1-65 正挤压时不同材料的Rm与εF的关系

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图1-66 正挤压时不同材料的布氏硬度HBW与εF的关系

表1-2 材料系数K

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通过分析图1-65与图1-66可知，Rm、HBW皆随εF呈线性关系增加，因此可求得Rm与HBW的关系式

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式中 HBW——正挤杆件中心部分的硬度；

Rm——正挤杆件中心部分的抗拉强度（MPa）；

KF——材料系数，由表1-3查得。

表1-3 材料系数KF

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伸长率A、断面收缩率Z随变形程度增加而下降，如图1-67所示。

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图1-67 正挤压时不同材料的A、Z与εF的关系

----伸长率A ——断面收缩率Z

2）反挤压杯形件与正挤压情况基本相同，抗拉强度Rm、维氏硬度HV5随εF增加而增加，A、Z随εF增加而下降，如图1-68～图1-71所示。

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图1-68 反挤压时不同材料的Rm与εF的关系

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图1-69 各种材料反挤压件外壁维氏硬度HV5与εF的关系

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图1-70 反挤压件的伸长率A与εF的关系

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图1-71 反挤压件的断面收缩率Z与εF的关系

由图1-68可知，Rm与εF呈线性关系。它们的关系可用下式表示

Rm=Rm0+145+BεF （1-16）

式中 Rm0——材料原始状态的抗拉强度（MPa）；

B——材料系数，可由表1-4查得。

表1-4 材料系数B

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分析图1-68与图1-69可知，Rm、HV5皆随εF呈线性关系增加，因此Rm与HV5关系式为

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式中 Rm——挤压件的抗拉强度（MPa）；

HV5——挤压件外壁维氏硬度（采用50N试验力）；

Kb——材料系数，可由表1-5查得。

表1-5 材料系数Kb

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