加工硬化

加工硬化就是隨著冷變形程度的增加，金屬材料強度和硬度指標都有所提高，但塑性、韌性有所下降。

基本介紹

• 中文名：加工硬化
• 外文名：work hardening
• 原料：金屬材料
• 條件：結晶溫度以下
• 過程：塑性變形
• 結果：強度和硬度升高

簡介

金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，阻礙金屬的進一步變形，而塑性和韌性降低的現象。又稱冷作硬化。產生原因是，金屬在塑性變形時，晶粒發生滑移，出現位錯的纏結，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內部產生了殘餘應力等。加工硬化的程度通常用加工後與加工前表面層顯微硬度的比值和硬化層深度來表示。

在納米材料中也會出現加工硬化現象，此時的硬化行為多認為和位錯運動密切相關。

加工硬化給金屬件的進一步加工帶來困難。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，它可提高金屬的強度、硬度和耐磨性，特別是對於那些不能以熱處理方法提高強度的純金屬和某些合金尤為重要。如冷拉高強度鋼絲和冷卷彈簧等，就是利用冷加工變形來提高其強度和彈性極限。又如坦克和拖拉機的履帶、破碎機的顎板以及鐵路的道岔等也是利用加工硬化來提高其硬度和耐磨性的。

在機械工程中的作用

①經過冷拉、滾壓和噴丸（見表面強化）等工藝，能顯著提高金屬材料、零件和構件的表面強度；

②零件受力後，某些部位局部應力常超過材料的屈服極限，引起塑性變形，由於加工硬化限制了塑性變形的繼續發展，可提高零件和構件的安全度；

③金屬零件或構件在衝壓時，其塑性變形處伴隨著強化，使變形轉移到其周圍未加工硬化部分。經過這樣反覆交替作用可得到截面變形均勻一致的冷衝壓件；

④可以改進低碳鋼的切削性能，使切屑易於分離。但加工硬化也給金屬件進一步加工帶來困難。如冷拉鋼絲，由於加工硬化使進一步拉拔耗能大，甚至被拉斷，因此必須經中間退火，消除加工硬化後再拉拔。又如在切削加工中為使工件表層脆而硬，再切削時增加切削力，加速刀具磨損等。

生產中的實際意義

好處：加工硬化是強化金屬（提高強度）的方法之一，對純金屬以及不能用熱處理方法強化的金屬來說尤其重要。例如可以用冷拉、滾壓和噴丸等工藝，提高金屬材料、零件和構件的表面強度；或者零件受力後，某些部位局部應力常超過材料的屈服極限，引起塑性變形，由於加工硬化限制了塑性變形的繼續發展，可提高零件和構件的安全度；

壞處：加工硬化提高了變形抗力，給金屬的繼續加工帶來困難。如冷拉鋼絲，由於加工硬化使進一步拉拔耗能大，甚至被拉斷，因此必須經中間退火，消除加工硬化後再拉拔。又如在切削加工中會使工件表層脆而硬，在切削時增加切削力，加速刀具磨損等。

影響表面層加工硬化的因素

表面層的加工硬化是在機械加工過程中，工件表層金屬受到切削力的作用，產生強烈的塑性變形，使金屬的品格嚴重扭曲，晶粒破碎、拉長和纖維化，從而阻礙金屬進一步的變形，使工件表面硬度提高，塑性降低。但是，切削熱在一定條件下會使工件表面的冷硬產生回復現象（已加工硬化的金屬回復到正常狀態），這一現象也稱為軟化；更高的溫度還將引起相變。因此，金屬已加工表面最後的加工硬化是這種硬化，軟化和相變作用的綜合結果。

影響表面層加工硬化的因素如下：

（1）切削力。切削力越大，塑性變形越大，硬化程度也越大，硬化層深度也越大。因此，增大進給量切削深度和減小前角，都會增丈切削力，使加工硬化嚴重。

（2）切削溫度。切削時產生的熱最會對工件的表面層硬化產生軟化作用，因此切削溫度越高，表面層的加工硬化回復程度就越大。

（3）變形速度（切削速度）。變形速度很快時，工件接觸時間短，塑性變形不充分，因此硬化程度將降低。

（4）工件材料硬度低、塑性大時切削加工的表面層加工硬化現象嚴重。

加工硬化的消除

加工硬化的消除一般有以下幾種方法：

1.再結晶退火：把冷變形的金屬加熱到再結晶溫度以上，保溫一定時間後冷卻，使其發生再結晶的熱處理工藝。在生產中採用再結晶退火來消除加工產品的加工硬化，提高塑性，殘餘應力也可以完全消除。在冷變形加工過程中間有時也進行再結晶退火，這是為了恢復塑性以便於繼續加工。冷變形金屬的加熱溫度高於回復階段以後，當溫度繼續升高時，由於原子活動能力增大，金屬的顯微組織發生明顯的變化，由破碎拉長或壓扁的晶粒變為均勻細小的等軸晶粒。這一過程實質上是一個新晶粒重新形核和長大的過程，故稱為“再結晶”。再結晶以後，只是晶粒外形發生了變化，而晶格類型並未變，仍與原始晶粒相同。再結晶的晶核一般是在變形晶粒的晶界或滑移帶及晶格畸變嚴重的地方形成，晶核形成後，依靠原子的擴散移動，向附近周圍長大，直至各晶核長大到相互接觸，形成新的等軸晶粒為止。通過再結晶，金屬的顯微組織發生了徹底的改變，故其強度和硬度顯著降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現象得以消除，變形金屬的所有機械和物理性能全部恢復到冷變形以前的狀態。因此，再結晶在工業上主要用於金屬在冷變形之後或在變形過程中，使其硬度降低，塑性升高，以便於進一步加工，這樣的熱處理稱為再結晶退火。

2.固溶退火（鉻鎳不鏽鋼常用的方法）： 亦即碳化物固溶退火，一種將成品件加熱至攝氏1010度以上而脫除碳化物沉澱（即從不鏽鋼固體溶液中逃逸的碳）的工藝，此後將其迅速降溫，通常是用水淬火，所含碳化物返回不鏽鋼固體溶液中。固溶退火處理可套用於一系列的合金鋼與不鏽鋼成分中。對於300系列不鏽鋼鑄件的固溶處理能產生一種沒有碳化物雜質的均一的顯微結構。對於沉澱硬化合金鑄件及鍛件的固溶退火能產生較軟的顯微結構。