加工硬化

材料学术语

加工硬化就是随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降。

简介

金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，阻碍金属的进一步变形，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。

在纳米材料中也会出现加工硬化现象，此时的硬化行为多认为和位错运动密切相关。

加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。如在冷轧钢板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，因而需在加工过程中安排中间退火，通过加热消除其加工硬化。又如在切削加工中使工件表层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等。但有利的一面是，它可提高金属的强度、硬度和耐磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金尤为重要。如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，就是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限。又如坦克和拖拉机的履带、破碎机的颚板以及铁路的道岔等也是利用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的。

机械工程中的作用

①经过冷拉、滚压和喷丸（见表面强化）等工艺，能显著提高金属材料、零件和构件的表面强度；

②零件受力后，某些部位局部应力常超过材料的屈服极限，引起塑性变形，由于加工硬化限制了塑性变形的继续发展，可提高零件和构件的安全度；

③金属零件或构件在冲压时，其塑性变形处伴随着强化，使变形转移到其周围未加工硬化部分。经过这样反复交替作用可得到截面变形均匀一致的冷冲压件；

④可以改进低碳钢的切削性能，使切屑易于分离。但加工硬化也给金属件进一步加工带来困难。如冷拉钢丝，由于加工硬化使进一步拉拔耗能大，甚至被拉断，因此必须经中间退火，消除加工硬化后再拉拔。又如在切削加工中为使工件表层脆而硬，再切削时增加切削力，加速刀具磨损等。

好处及坏处

好处：加工硬化是强化金属（提高强度）的方法之一，对纯金属以及不能用热处理方法强化的金属来说尤其重要。例如可以用冷拉、滚压和喷丸等工艺，提高金属材料、零件和构件的表面强度；或者零件受力后，某些部位局部应力常超过材料的屈服极限，引起塑性变形，由于加工硬化限制了塑性变形的继续发展，可提高零件和构件的安全度；

坏处：加工硬化提高了变形抗力，给金属的继续加工带来困难。如冷拉钢丝，由于加工硬化使进一步拉拔耗能大，甚至被拉断，因此必须经中间退火，消除加工硬化后再拉拔。又如在切削加工中会使工件表层脆而硬，在切削时增加切削力，加速刀具磨损等。

影响因素

表面层的加工硬化是在机械加工过程中，工件表层金属受到切削力的作用，产生强烈的塑性变形，使金属的品格严重扭曲，晶粒破碎、拉长和纤维化，从而阻碍金属进一步的变形，使工件表面硬度提高，塑性降低。但是，切削热在一定条件下会使工件表面的冷硬产生回复现象（已加工硬化的金属回复到正常状态），这一现象也称为软化；更高的温度还将引起相变。因此，金属已加工表面最后的加工硬化是这种硬化，软化和相变作用的综合结果。

影响表面层加工硬化的因素如下：

（1）切削力。切削力越大，塑性变形越大，硬化程度也越大，硬化层深度也越大。因此，增大进给量切削深度和减小前角，都会增丈切削力，使加工硬化严重。

（2）切削温度。切削时产生的热最会对工件的表面层硬化产生软化作用，因此切削温度越高，表面层的加工硬化回复程度就越大。

（3）变形速度（切削速度）。变形速度很快时，工件接触时间短，塑性变形不充分，因此硬化程度将降低。

（4）工件材料硬度低、塑性大时切削加工的表面层加工硬化现象严重。

消除方法

加工硬化的消除一般有以下几种方法：

1.再结晶退火：把冷变形的金属加热到再结晶温度以上，保温一定时间后冷却，使其发生再结晶的热处理工艺。在生产中采用再结晶退火来消除加工产品的加工硬化，提高塑性，残余应力也可以完全消除。在冷变形加工过程中间有时也进行再结晶退火，这是为了恢复塑性以便于继续加工。冷变形金属的加热温度高于回复阶段以后，当温度继续升高时，由于原子活动能力增大，金属的显微组织发生明显的变化，由破碎拉长或压扁的晶粒变为均匀细小的等轴晶粒。这一过程实质上是一个新晶粒重新形核和长大的过程，故称为“再结晶”。再结晶以后，只是晶粒外形发生了变化，而晶格类型并未变，仍与原始晶粒相同。再结晶的晶核一般是在变形晶粒的晶界或滑移带及晶格畸变严重的地方形成，晶核形成后，依靠原子的扩散移动，向附近周围长大，直至各晶核长大到相互接触，形成新的等轴晶粒为止。通过再结晶，金属的显微组织发生了彻底的改变，故其强度和硬度显著降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象得以消除，变形金属的所有机械和物理性能全部恢复到冷变形以前的状态。因此，再结晶在工业上主要用于金属在冷变形之后或在变形过程中，使其硬度降低，塑性升高，以便于进一步加工，这样的热处理称为再结晶退火。

2.固溶退火（铬镍不锈钢常用的方法）：亦即碳化物固溶退火，一种将成品件加热至摄氏1010度以上而脱除碳化物沉淀（即从不锈钢固体溶液中逃逸的碳）的工艺，此后将其迅速降温，通常是用水淬火，所含碳化物返回不锈钢固体溶液中。固溶退火处理可应用于一系列的合金钢与不锈钢成分中。对于300系列不锈钢铸件的固溶处理能产生一种没有碳化物杂质的均一的显微结构。对于沉淀硬化合金铸件及锻件的固溶退火能产生较软的显微结构。

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